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大健康 作者:StarVC 2021-01-18 10:05
[亿欧导读]

质谱仪(Mass Spectrometer)是每个化学实验室里必备的设备,通过它可以让知道未知化合物的具体成分和含量。面对最新的质谱报告我是崩溃的,反复做了多次的合成实验,每一次的结论都大相庭径。

DNA,基因检测

本文来自: StarVC 作者: Star VC 戴诗文 题图来自“收费图库”

2008年冬日的一天,我在位于牛津South Parks Road上Department of Chemistry的实验室里跑质谱,为毕业论文设计一种聚合物。

质谱仪(Mass Spectrometer)是每个化学实验室里必备的设备,通过它可以让知道未知化合物的具体成分和含量。面对最新的质谱报告我是崩溃的,反复做了多次的合成实验,每一次的结论都大相庭径。

英国冬天天黑的很早,走出实验室才发现已夜幕深沉,清冷的空气钻入鼻腔,牛津街头灯影昏黄。

历史轨迹

早在1912年,英国物理学家J.J.Thomson通过发现带电荷离子在电磁场中的运动轨迹与它的质荷比(m/z)有关。1922年,威廉阿斯顿因发明第一台同位素质谱仪获得诺贝尔化学奖。

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图1: J.J. Thomson与质谱原理

之后几十年,随着离子源技术和质量分析器技术的变革,质谱仪器得到快速迭代,逐渐开始成为生命科学领域最有效的一种分析工具。

临床上,质谱相比生化和免疫方法,更加灵敏、准确度也更高,有替代目前很多生化和免疫检验项目的潜力。有些传统方法学无法检测出的疾病,用质谱可以解决。更有意思的是,质谱可在单次检测中同时精准地检测几十个甚至上百个Biomarkers。硅谷创业明星Elizabeth Holmes的Theranos如今是人所皆知的一场骗局,但理论上,用质谱方法学,是可以实现她所设想的——只需要少分量的血样,即可检测很多种疾病。

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图2: Elizabeth和她的Theranos

基于质谱的突出优势,上世纪70年代开始,全球范围内多家公司开始研发、生产商业化质谱仪。经过几十年市场角逐、兼并收购,当今质谱五大厂商为岛津、SCIEX、Thermo Fisher、安捷伦和Waters。

Shimadzu岛津:历史悠久,成立于1875年。岛津是质谱领域拥有最多专利的企业,1970年岛津和瑞典公司LBK合作,制造了第一台扇形磁式GC/MS仪,2020年是岛津质谱50年生日。

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图3 第一代岛津源藏和第一台GC/MS

SCIEX:成立于1970年,专注于质谱仪器的研发和生产,如今隶属于丹纳赫集团。1981年推出第一台商业化的三重四极杆质谱仪。

Thermo Fisher赛默飞世尔:1990年Thermo Fisher的前身Thermo Electron收购了全球顶级质谱仪制造商Finnigan Corporation,成功打入质谱仪市场。

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图4: Chester Garfield Fisher & George Hatsopoulos

Agilent安捷伦:1994年惠普首台电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)面世,1999年安捷伦从惠普独立出来,专注于测试与测量组件、化学分析和医疗业务。

Waters沃特斯:成立于1958年的美国科学仪器公司Waters最初专注于色谱仪,1997年Waters收购了英国曼切斯特的Micromass公司,这家公司专业生产质谱仪。Waters和Micromass通力合作,将色谱与质谱结合起来。

2016年中金公司统计中国LC/MS,GC/MS抽样市场各品牌市占率如下:

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图5:中金公司抽样统计中国LCMS、GCMS结果

反观国内,我国质谱生产端发展慢、水平低、人才匮乏。其实早在上个世纪五十年代,师承居里夫人的杨承宗教授课题组就研制成功了我国第一台磁式质谱仪,但之后由于一些历史原因,我国质谱仪的研发和生产工作无法延续,十分可惜。2000年以后才又逐步开始质谱技术的积累,2006年北京东西分析仪器有限公司推出四级杆气质联用仪 GCMS-3100 是国内第一台商业化质谱产品。

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图6: 杨承宗课题组与居里夫人、我国第一台质谱仪模型

临床质谱发展

我国IVD行业长久以来遵循着进口替代的发展逻辑。海外大厂先通过学术、市场投入培养使用习惯,国内企业最初从代理商、服务商切入市场,之后通常从试剂开始自己生产、发展到OEM设备,再进一步突破技术关卡独立研发生产仪器,逐步完成国产替代。成熟IVD细分市场例如生化、免疫皆是如此。

目前临床生化已完成了50%以上的国产替代,从中崛起了科华生物、美康生物等多家上市公司。免疫相对生化技术门槛更高、国内发展较晚,目前酶联免疫完成了70%的进口替代,化学发光国产占有率约20%,迈瑞医疗安图生物、迈克生物是该细分领域的佼佼者。

随着精准医学的发展,多组学上的突破,临床测序和质谱迎来了它们的机会。

测序由NIPT率先进入临床指南,带领NGS高速发展,随后渗透肿瘤、宏基因组、早筛领域。但由于测序仪的技术一直未能攻破,国内企业多数只能在第三方服务端发展。2014年华大智造生产的BGISEQ-1000获得了CFDA认证,如今华大智造已有4款测序仪获批。国产仪器稳定性正在逐步提升,相信测序仪被海外厂家垄断的格局很快就会有所变化。

再看国内质谱的发展,确是另外一番景象。早在2015年,行业内就有声音说质谱将是下一个基因测序。5年后的今天,质谱在美国早已如火如荼,在中国临床上却没有太大的动静,这是什么原因呢?

临床发展难的原因

有人说是因为质谱仪太贵、也有人说是因为操作太难,可上千万一台、即贵又难操作的达芬奇手术机器人,复星直观在国内卖得也很不错的。在作者看来,质谱在中国发展慢,还是中美“土壤”不同的缘故。

美国的医疗机构中大型综合医院数量占比仅为14%,其余为民间或政府办的社区医院和私人诊所。这样的医疗格局里,为了降低成本、节约医疗总支出,在政策的鼓励下,美国医学检验市场中64%的检测为院外检测,而院外检测中54%被ICL(独立医学实验室)外包,ICL整体市场规模达314亿美元。ICL市场中集中度很高,LabCorp和Quest两家巨头平分秋色,合计占据了ICL市场50%以上的份额。

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图7:LabCorp & Quest

质谱仪价格昂贵,以200万左右的仪器为例,假设5年折旧、单个项目收费100元,则每年需要的样本量最少3000个。私人诊所和社区医院自然望而却步,ICL则可以通过规模化地收集样本、运营设备,降低采购成本的压力,使质谱检测成为可能。另外,美国ICL可以自行开展LDT(临床实验室自建项目),无需经过FDA的批准,只需符合LDT的管理规则,这进一步推进质谱技术快速走向临床。在这样的土壤下,临床质谱在美国快速发展,目前美国医学检验市场中15%的检测项目由质谱完成。

由于政治体制、文化传统等多方面原因,中国医疗服务机构的格局以公立大三甲为主,虽然国家层面一直在推进分级诊疗,但由于极端失衡的供给,大三甲的规模不但没有缩减,短期内还有进一步虹吸的局面。

在这样的格局下,国内临床检验的市场主要还是以公立医院检验科为主,金域、迪安这样的第三方为辅(第三方占我国医学检验市场5%左右)。相对分散而独立的公立医院市场带来如下问题:

收费目录准入:公立医院开展检验项目和方法,需按照卫生部定期公布的《全国医疗服务价格项目规范》展开。新的检验项目准入和计入收费编码,落实到每个地区政策、流程都不同。质谱目前没进目录,除了微生物鉴定方面的应用外,其他方面的应用均不能广泛展开,严重制约了发展。

试剂注册准入:不同于第三方实验室LDT模式,医院检验科开展质谱项目最普遍的是IVD模式,需要采购注册试剂产品。但目前国内市场主要还是一类的试剂,主要原因是临床质谱作为新兴医疗器械,当前的注册法规还不能发挥质谱的优势,行业先驱还在探索适合质谱的试剂产品注册之道。

方法学标准化:目前大多数检测方法为实验室自建,不同的生物样本需要不同品牌、型号的质谱仪,对应的方法学参数及条件都需要优化。不同的检测方法,一次检测的指标数量、精准度、检测时间等差距很大,但市场上尚无评价方法好坏的行业标准。不同检测方法对室内质控也带来挑战,目前质谱检测方法的实验室间质量评价还没有全面展开。

实验室条件不足:质谱设备运行中对温度、湿度的要求高,分析过程中挥发性有机溶剂的成分可能对人带来损害,因此要求实验室具备排风、及温湿度保障系统。目前质谱仪器普遍体积比较大,需要氮气等气路支持,并配套不间断电源,占用场地面积较大,每家医院检验科条件都不一样,进入门槛比较高。

人才缺乏:目前质谱仪都需要样品前处理、人工进样等相对复杂的流程,对实验室技术人员的要求远高于现有的常规设备。除了既懂临床又懂质谱检验人才,还急需设备维护人才、实验室管理人才。

截然不同的生存“土壤”,给中国临床质谱产业带来了巨大的挑战。

问题如何解决

2004-2020年间,我国陆续涌现出几十家临床质谱创新企业,从产业链角度来看,大致分为上游仪器/试剂厂家,中游第三方医学检验所两类。

第三方医学检验所:金域、迪安、北京和合等。

上游仪器厂家:国内临床常用的有两类质谱仪,专注于微生物检测的MALDI-TOF和以小分子代谢物检测为主的LC/MS。国内厂家率先突破MALDI技术,现在获得CFDA批文的国产仪器有毅新博创、厦门质谱、融智生物、禾信仪器等一批企业,门槛相对较低。LC/MS在临床质谱市场占据绝大多数份额,是市场前景最广阔的一块,但技术门槛比较高,目前国内已有厂家正积极布局和海外大厂合作推动质谱仪器的国产化,并已经取得了一些成果,例如今年获批的品生医学的小型化临床级质谱检测系统Qlife Lab 9000。类似于化学发光领域,国产质谱进口替代的顺利与否仍需市场检验。

上游试剂厂家:国外质谱仪器大厂都是科学仪器的厂家,在国内没有原厂配套的IVD试剂,所以临床质谱领域没有出现罗氏、雅培之类的IVD巨头,这也给了国内临床质谱公司发展的机会。国内已经出现了一批试剂的厂家,但因为缺少行业标准,水平参差不齐,也有一些技术过硬能实际把质谱检测项目落地检验科的厂家已经获得标杆医院的认可,产品进入医院的采购名单,例如品生医学的试剂盒已经进入华西医院和上海复旦大学附属中山医院的采购名单。能把仪器和试剂适配问题解决好的厂家,在竞争中将处于有利地位。

16年间国内“土壤”也发生了量到质的转变:

行业规范:解放军总医院医学检验中心的王成彬主任是个谈吐风趣幽默的人,时任中华医学会检验分会主任委员,在中国,他是推动质谱在临床发展的旗手。2017年10月,王成彬主任带领专家共同起草发表《液相色谱-质谱临床应用建议》,使质谱在临床应用上有章可循,行业规范逐步完善中。陆军军医大学第一附属医院的府伟灵教授,时任中华医学会检验分会副主任委员、全军医学科学委员会检验医学专委会主任委员,也带领行业专家通过学会、协会、产业联盟等途径,积极推进临床质谱标准化、规范化、产业化的推进。

技术的普及:有质谱检测平台的第三方实验室越来越多,规模和开展的项目也越来越多,还出现了一批专注于临床质谱的第三方实验室,走在技术和应用创新的前沿。国内标杆医院基本都有开展质谱项目,解放军总医院、复旦大学附属中山医院、四川大学华西医院等标杆医院的质谱检测平台从技术水平、仪器规模、开展项目数量上都处于国内领先水平,标杆医院发挥着非常大的示范作用,带动了一大批三甲、二甲医院开展质谱检测。无论是自建质谱检测平台,还是外送样本检测,临床质谱检测项目在终端医院普及度越来越高。据悉有些省份的三甲医院评定中,质谱平台已成为加分项,技术普及的需求强烈。

产业链的发展:无论在仪器端、试剂端还是服务端,都涌现出了一批企业,致力于推动产业的创新和发展。国产质谱仪器的推出,使仪器售价较之进口品牌已经有较大优势,降低了准入门槛,且随着国产化程度的继续提高,可以预见仪器的成本还将持续下降。质谱试剂盒从无到有,获批试剂盒数量快速增加,降低了临床操作难度。质谱临床应用发展迅速,从最初的新生儿筛查、维生素,已经扩展到激素、氨基酸、脂肪酸、血药浓度监测等诸多领域,可检测项目已扩展到几百项且还在不断增加中。

技术人员培训:近年来各大临床检验、体外诊断医疗器械的行业会议上出现了越来越多的临床质谱分论坛,各种产学研的合作在积极推动质谱人才的培养。复旦大学附属中山医院、四川大学华西医院等标杆医院已开展多期临床质谱技术培训班。2017年金域检验参与主编的国内高校首本《临床色谱质谱检验技术》教材正式出版,各地质谱技术临床应用实训班开展。

面对国内开展临床质谱遇到的各种问题,每家企业各显神通,有大力发展硬件并走自动化路线的,有主攻试剂研发生产走IVD路线的,有走第三方服务路线的,还有积极和医院搞共建的。到底方向对不对,兴许当前大家心里都没底。但再过十年,相信临床质谱的普及会被视为理所当然,一定会在医学检验中扮演重要角色。

当下,国内质谱玩家们正在紧锣密鼓的在医院跑马圈地。中国临床检测市场容量大、潜力足、发展快,伴随着这场检验技术变革的风口,临床质谱终于要浮出水面,头部玩家即将在2021年崭露头角。质谱行业相比于传统IVD其他赛道,技术平台和产品的临床落地是竞争的核心,真正能达到这个标准的企业,目前国内不超过三家。

随着愈发激烈的竞争,能提供多样化的产品组合和服务方案以满足终端医院个性化需求的,并凭借过硬的技术和完善的服务通过标杆医院检验,让质谱仪在检验科真正良性运作起来的企业将在市场竞争中占得先机。另外,未来IVD的发展趋势是多组学,在运营中掌握精准数据、并有能力挖掘分析、持续开发创新产品的企业,才能与时间做朋友,成为最后的赢家。

展望未来

历经100多年,质谱依然是个年轻的技术平台。未来的质谱仪一方面会在离子源、探测器方面进一步升级功能。操作上也将向生化、免疫一样,往自动化流水线发展。另一方面,各大厂家也在研发小型化、简单化、智能化的产品。

应用上,质谱除了可以替代传统生化、免疫项目外,还将在多组学检测中发挥优势,结合数据分析,发展出一批创新检测应用。质谱成像(MS image)可能会是未来一个有趣的临床热点,细胞图片可以通过质谱的intensity离子强度来表示,病人和健康者的细胞可以做对比,直观清晰。

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图8:采用质谱成像技术获得的小鼠肾脏组织学特征分布图

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