感染检测(mNGS)领域未来会不会一地鸡毛?

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忠言逆耳乎
忠言逆耳
2019-12-31 · 12:00
[ 亿欧导读 ] 作为传统的金标准分析方法,只能检测那些预设的目标病原,如果分析panel和标准谱里没有记录,自然无法发现未知病原。受限于成本和技术原理,很难做到广谱检测。
医疗,NGS测序,精准医疗,感染检测 图片来自“Unsplash”

【编者按】对于临床来说,并非检出某种感染菌就一定代表它就是导致患者症状的元凶,甚至检测到病原也不代表它仍然活跃在体内,不排除它已经被免疫系统和药物杀得奄奄一息了,更极端地还有可能是某些病原根本就没有入血,它们仿佛是患者身体里一群方生方死的过客所以根本就无需搭理。

本文发于忠言逆耳乎,作者忠言逆耳;经亿欧大健康编辑,供行业人士参考。


就在几日前,华大基因发布了一则公告,宣称其转让控股子公司的少数股权及放弃增资的优先认购权,公告中所提的子公司名叫华大因源,主营业务为感染检测,这无疑是感染检测领域里的一个重磅消息。我们都知道最近这一年多来,连续多起融资事件表明感染检测领域(mNGS)逐渐起风,而华大作为该领域中的头号玩家,借着先发和成本优势早已遥遥领先,这一次调整之后,无疑是向业界传达了一种这个领域内的霸主地位舍我其谁的态度和决心,作为国内基因行业里的龙头和上游厂商的旗帜,再加上一线基金的站队加持,我相信华大有这个实力且能大概率实现其目标,但是对于其他一众跟跑的玩家来说未来前景又如何呢?

痛点

在回答这个问题之前,我们先来长话短说看看感染检测的核心痛点:

1、检出率

对于感染检测来说,检出率即可以视为诊断率,因为对于出现感染症状的患者来说,基本上可以给一个前提假设,即病人大概率是感染所致,考验的主要是检出率,一旦成功准确检出,针对性地用药大概率是可以解决问题的,这一点倒是和肿瘤NGS差别蛮大,但现状是检出率还远远不够。 

2、时效性

这也是眼下亟待解决的主要痛点,对于重症感染病人来说,生命是按秒计算的,所以时效性事关生死无疑,我在微信群里就见过一个脑部感染的小孩病例,等到检测结果出来时孩子已经永远地离开了这个世界,而生前他已因多次严重抽搐发热在ICU里苦熬多日。

3、功能指标分析

即包括毒力/致病性分析、耐药机制(基因)分析和感染/定植分析等,简单说的话所谓毒力是指病原的毒力基因表达所造成的机体在细胞、组织和器官等层面的损害;

而耐药是指病原已经出现了针对某种或某些抗生素的耐药基因突变;

定植是指那些生活在我们身体菌群里的吃瓜群众,但它们有时候会受到坏分子(有害病原)的唆使跟着瞎起哄(转化成有害病原)。

有了功能指标分析结果,可以更加精准地指导用药,避免现在临床上只能靠经验性用药,试探性用药,甚至是下猛药的初级做法;没有精确的用药指导,用药之后不见效并不代表用药错误,也有可能是剂量不足,所以临床上经常倾向于大包围下猛药,而抗生素太多剂量太大会引发一系列的机体不良反应如菌群失调和耐药菌筛选,后续治疗会面临无药可用的风险,所以其带来的二次伤害也可能会让免疫力低的患者难以挺过关,特别是重症感染患者,如果得不到及时控制,感染很可能会造成不可逆的器官损伤。

4、未知病原的快速定性分析能力

因为不排除某些病人就是被罕见病菌感染所致,所以发现这些少见致病菌也是非常有价值的,再加上平时统计数据里的幸存者偏差问题,被少见和罕见菌感染的比例可能比大家预想的要高。

现有手段的不足

我相信你会和我有同样的疑问:为什么会有这些痛点呢?现在来看看是什么原因导致了这些痛点。目前一级感染检测的主战场还是在院内,即在院内通过一系列的实验手段来完成检测,检测的样本类型包括血液、脑脊液、肺泡灌洗液、胸腹水等,而检测手段主要有质谱和PCR,这种方案有三个明显的缺点:

1、培养周期长且不一定能成功

如果用质谱,则需要先培养,而培养周期经常多达数天,这对危急病人来说几乎意味着绝望,如果血培养呈阳性就跳过分离培养直接检测,有可能会因多种病原干扰而使得质谱无法检出,这是一场生与死的赌注,临床上不到万不得已不会用;再加上很多病原难以培养,失败是家常便饭。如果用PCR,某些情况可以免培养,但都是些小panel,能检测的病原种类太少,很多时候只能排阴。如果是血液标本,则大概率还是需要先培养,不然因为人源细胞太多干扰太大导致检出率低。

2、功能指标分析能力不足

因为检测结果只能告诉有或无,虽然可以做功能性药敏的定量检测,但无法做毒力/致病性分析,也无法很好地区分定植菌还是致病菌即功能指标分析能力很欠缺,目前临床上采用的一些方法也基本上属于经验加修修补补的范畴,准确率还有待提升,因此对临床用药的指导价值仍然有限。

3、只能检测少数确定的病原

作为传统的金标准分析方法,只能检测那些预设的目标病原,如果分析panel和标准谱里没有记录,自然无法发现未知病原。受限于成本和技术原理,很难做到广谱检测,虽然在统计数据中,引发感染的病原确实存在高低频规律,但临床场景中,具体到某一个患者而言,导致他感染的未见得就是这种高发病原了。当然,难以做到广谱检测的主要原因还是在培养环节失败率太高所致,巧妇也难为无米之炊啊。

目前,除了院内检测外,临床上也有直接将样本外送检测或者院内外同时送检的情形,这一方面依赖于临床医生的经验判断,另一方面也和患者的病情及支付能力有关,当然还有一些众所周知的原因按下不表。

我之前说过,如果场上的玩家们仍不能解决核心问题,自然就免不了会有新人持续不断地加入战争,每一个参与方都以为自己是那个手握核武器并能从战争中获利的人,我们来看看这些核武都包括些什么。

新的解决手段

其实大家也都能猜到了,选择无非就是二代和三代测序(指纳米孔测序),那我们就来分别看看这两种技术手段各自都有哪些优缺点,它们是否有望解决问题。

二代测序

现在mNGS赛道上大热的主要技术手段基本都是围绕着二代测序来展开的,二代测序理论上能解决前文所提及的现有技术方案中的大部分不足,我们来逐个看看。

1、对于培养问题

二代测序无需培养,直接跳过此环节就开始实验测序分析,既节约了因培养而耗费的时间,还能避免培养失败的风险,理论上确实解决了这个问题。

2、对于无法发现未知病原和广谱的问题

这几乎可以说是二代测序理论上的拿手绝活了,有不少公司的BP中都宣称这一优点,所以无需再过多解释。

3、功能性指标分析问题

如果能有某种办法很好地区分人源背景和真正的病原,二代测序有望解决毒力和耐药的功能指标分析问题。

看完了优点我们再来看看不足:

1、检出率仍然不够高

前述的优点都离不开一个关键前提,即首先得检出来才行。有公司通过加大测序深度来提高检出率,抛开成本不谈,都难以避免假阳性和检出率犹如一对跷跷板的两端阴魂不散,这本质上是一种暴力破解的思路,但杀气太重了可能就会导致敌我不分。

导致检出率低的主要原因是通常情况下病原在真实的临床样本中含量是很低的,一份样本中人源背景占据了绝大部分,所以如何从大量的人源干扰中检出致病菌是个很大的挑战;这还没说细胞内的病原,如果要把胞内病原释放出来,不可避免地又会带出更多的人源干扰。

2、成本结构

对很多公司来说,除了分析环节,其它的实验设备耗材几乎都得采购,加大测序深度必然也会增加成本,如果为了提高检出率,少不了要把人源背景尽可能去干净,但去人源背景并不容易,市面上是有一些试剂盒如罗氏安捷伦的可以去除人源背景,但他们的也并非广谱,在去人源背景的过程中顺带把那些少见的病原一起扔进了垃圾桶里,而完全不排除它们可能就是元凶。

所以别说是这些试剂盒要想扩大覆盖范围已十分不易,就拿不掌握定价权的下游玩家来说成本都是一个不可忽视的重要因素,采用此技术路线的玩家在市场推广中必然会碰到市场份额与利润之间的两难选择困境,当然也可以选择别的技术路线。

3、功能性指标分析问题

同样是由于人源背景干扰的原因,二代测序仍然无法很好地解决功能指标分析问题,即耐药基因分析、毒力/致病性分析、和感染/定植分析问题。耐药和毒力分析可在DNA或者mRNA层面进行,如果在DNA层面,因为二代测序分析的对象是游离核酸,如果人源背景占主导,能够捕获这些病原基因信息的概率就很低;如果要在mRNA层面分析,由于降解问题,导致在游离核酸中寻找的难度更大,如果转而到活病原中寻找,还是同样绕不开人源背景的问题。使用二代测序的技术方案决定了它几乎无法做定植区分,如果非要做,那结构成本和时间成本都会大大增加。

4、时效性问题

无论如何努力,二代测序的技术原理决定了它只能先测序后分析,所以上机测序这一步的时间开销始终无法跳过,就算把其它问题都解决了,在时效性上它也会碰到天花板。

当然理论上NGS检测还有一个附加的排阴价值,如果检测结果为阴性,那么理论上就可以说明不是怀疑的病原菌所致,但由于检出率低的现实问题和送检样本中未必含有病原菌的可能,导致其成了悬案,即检测结果为阴性不代表真的是阴性,医生最终还是只能依据既往经验来用药或者干脆就盲目用药,那么由于错误用药引发的一系列问题也就难以避免了。

三代纳米孔测序

那么三代呢?它能肩负起重任吗?我们来看看临床上那些核心需求以及二代测序难以解决的问题三代能否有所作为:

1、时效性问题

我们先假设能去掉人源背景,那么三代的优势就能充分发挥出来,可能第一条上去测到的就是病原,再结合其边测序边分析的特性,结果很快就能出来。再考虑到三代测序仪小巧灵活的物理属性,它很有希望能够被封装成POCT产品进院,这是二代测序仪始终都无法做到的。

2、检出率问题

三代测序其长读长的特性决定了它在检测一些病原上具有独到优势,这自然有利于提升检出率。二代的短读长特性决定了它必然会丢失一些信息,所以在比对数据库时未必能找到匹配的目标。此外,二代测序短读长的特性同样使得它很难做到亚种水平的分析,自然一些高毒力株就难以被检出,所以在检出率上三代也具有一些相对优势。

3、培养和广谱问题

在去除人源背景之后对病原做富集也无需培养,这一点和二代没区别。在谱系覆盖上也没根本差别,主要看各公司选择的测序对象。

4、功能性分析问题

去掉人源背景后,三代同样有望解决功能性指标问题,即毒力/致病性、耐药基因和感染/定植分析问题。因三代测序可以提供附着蛋白基因、RNA/DNA比值、核酸表观遗传修饰等信息,有研究表明可用于定植判断,而前文已经说过了,二代测序要想做到定植分析抛开难度不说,成本都不低,这大概又是三代的一个优势。

但客观地说,目前三代测序离完美还有较长的路要走,主要面临两个问题:

1、准确率问题

受制于目前的技术和工艺,三代测序(主要指nanopore)虽然一直在持续改进,但目前仍然无法做到百分百准确,这在一定程度上限制了它的应用,但科技发展史告诉我们没有任何一项工程技术天生就是带着完美属性上场的,从nanopore身上我们同样看到了它在提升准确率上的努力,各种应用也开始活跃,如果它达不到实用要求,这些应用也不会傻到真金白银地投进去,我相信准确率肯定会越来越好。

2、成本问题

要想从原始样本中检出病原,如果不去掉人源背景,成本会非常高,三代的特点无法发挥,和二代比几乎没有任何优势;如果去掉人源,在样本量不足的情况下可能会烧芯片,所以必须要对微量的样本进行扩增达到芯片要求的最低起始量,这无疑也会增加成本。我在前文中已经提到,把人源背景去干净并不容易,核心难点在于如何做到只去除人源而完整保留病原(包括已知的和未知的),如果采购市面上的现成试剂盒,技术路线不匹配不说,也免不了又会再次陷入到定价困境里。

不过如果样本量多了之后,扩增成本倒是可以省略。而拿去掉人源背景来说,我相信只要有市场需求,就会有人设法去解决这个问题。客观地说,去掉人源背景之后,二代测序同样可以大展身手,所以去除人源背景的挑战对二代和三代同样存在。

总之,二代也好,三代也罢,要想真正解决检出率问题,只靠数据分析一个环节是不够的,必须同时结合实验手段进行处理,并且要拥有完备的数据库,但如果实验端输入了大量的人源噪声,我相信即使经验再丰富生信能力再牛的团队也不敢拍着胸脯对医生和患者说我的结果没问题。那是否意味着谁能掌握真正意义上的去人源背景技术(即做到只去除人源而完整保留所有未知及已知的病原),谁就有可能会从中获益呢?不管这个技术是用实验手段、还是独到的分析算法、甚至是人工智能或是其它等等来实现。

如果当我们把一项技术的所有可能极限都考虑之后发现它仍然不能解决最终问题时,那它可能注定了只是一项过渡性的技术而已,我无意给某一项特定的技术唱赞歌,归根结底都是解决问题的一种手段而已,找到了合适的应用场景,老旧的技术同样可以焕发出新颜,所以技术不分优劣,关键在于如何使用,现在我们再次把目光拉回到临床需求上来。

对于临床来说,并非检出某种感染菌就一定代表它就是导致患者症状的元凶,甚至检测到病原也不代表它仍然活跃在体内,不排除它已经被免疫系统和药物杀得奄奄一息了,更极端地还有可能是某些病原根本就没有入血,它们仿佛是患者身体里一群方生方死的过客所以根本就无需搭理。

总之,临床永远朝着精准的方向发展,所以当我们检出多种病原菌之后,如果知道哪一个才是罪魁祸首,哪一个仍然活跃在我们体内,哪一个已经大势已去,哪一个是无害的定植菌,临床上才能采取更加精准的用药方案,包括打击的力度和顺序,在最大程度保护患者机体的同时以更精准的方式打击坏蛋。所以最理想的检测结果应该是把一众仍然猖獗的感染病原按照危害程度排个座次分别定罪,临床医生可以依此分别量刑打击。

聊聊资本

每一次某个领域大热都离不开资本的支持,这一次同样的,从市场容量上来看,不排除这个市场可以容纳两到三家上市公司的可能,甚至是4到5家也不是绝对不可以。就我目前所知来说,加入这一赛道的玩家至少不低于20家,这还都是在业界颇有些影响力的玩家,如果把那些凑热闹的小虾米算上,数量绝对不止。

站在资本的角度来看,目前进入如果不投头部,几乎注定了是进去陪跑的,如此显而易见的亏本生意是不能做的,真正能够看别人不敢看投别人不敢投的毕竟是少数。这对很多小玩家来说可不是好消息,这意味着靠鼓吹赛道火热就能获得资金支持的选项不复存在了,如果还想进去凑热闹,除非技术路线和玩法与别人都不同,否则就只能跟着别人的游戏规则跑了。

就在不久前,金域宣称其成立了感染检测的专家组,同样释放出他要在这个领域内发力的信号,如果大部分玩家都固守在二代测序上,不排除金域迪安等传统检验巨头借助强大的渠道和网点优势最终打败诸多小型玩家收割市场的可能。

对了,有人拿感染检测(mNGS)对标NIPT,我想稍稍提醒一下这二者其实是有一些差别的,最起码有几点不可忽视:NIPT对时效性要求不高,NIPT的准确率要更高,华大当时并没有明显的先发优势,华大当时仍然没有自己的测序仪所以成本优势并不明显。

说到华大,他到底选择做生态还是做全产业链,目前看他的态度很明显:都要做,几乎和二代测序有关的业务形态他都在涉足。华大上市之前一众鼎鼎大名的风险基金通过各种关系投了进去,但截至今日,好像并没有几家从这次操作里挣到理想的回报,这点股份估计还得在手里再捏几年,就当做是价值投资长线持有了,华大如此,那其他家呢?

总结

现在我们回到最开始的问题,即对于一众跟跑的玩家来说,前景如何?

显然现在身处第一梯队的玩家们不会都有很好的前景,虽然mNGS和肿瘤NGS有差异,但也有相同的地方,那就是除了华大之外其它家同样不掌握上游的定价权,而市场方面,同样是渠道为王,各大医院的感染重点科室看到了肿瘤NGS的火热,所以对于自个儿的估价也是水涨船高,即便不是所有医生都冲着利益去,但当利益主动找上门来时大概也没有理由拒绝吧;如果再考虑到因药物耗材集采而挤压了生存空间而不得不四处寻找机会的医药代表和经销商们也在伺机而动,大概率到时候还是只能走花钱买市场的老路,把握不好策略和节奏,花钱买不到忠诚度的历史又会再次上演。

有的玩家可能会借助资本加持快速做大市场数据,然后利用量的优势获得一定的上游采购话语权从而压低成本,继而在市场中获得更大的竞争优势,我想提醒下如果自己本身在技术端没有独到优势,小心这是一条不归路啊,这个模式的变量太多了,多到完全无法掌控,前有上游厂家想尽可能占领中国市场所以很难独家绑定甚至煽风点火鼓动战争也不是不可能,中有同体量玩家也在跑马圈地,后有数量众多的玩家在开展多元化,下有各路人马正在下沉市场里摸爬滚打,一旁还有抗生素厂商正在见缝插针,在这么一个局势下,仅靠跑市场数据是难以持久的,还是那句话,不能真正解决临床核心需求的商业模式注定了只是昙花一现。

我之前和朋友说过,中国医疗行业里的种种怪现状最底层的原因只有一个字:穷,同时因为我们挣不了利润更高的上层技术市场里的钱,就只能被死死地按在最底层的应用市场中为了生存想出各种商业模式创新来争抢那个小得可怜的蛋糕,这注定是一场互相伤害的游戏,所以我认为,不管眼下如何混乱,未来一定是属于那些真正能够在技术层面有所突破从此走上良性发展道路的玩家,到时候这样的玩家就可以进入到回报更为丰厚的上层市场里去挣钱,挣全世界的钱,那么谁又会是那个玩家呢?

考虑到感染领域市场里的利益方还包括一些大家可能意识不到的力量,所以有一点是确认的,即团队必须在全流程环节(技术、市场教育、营销推广、商业模式、战略战术、售后服务等等)上都没有短板且在至少某个关键技术环节上有明显的特长才有可能胜出,其它只会人云亦云的或者某个环节有明显短板的都很危险。

我相信感染检测的终极目标应该是POCT,再不济也是院内检测模式(IVD),如果是LDT模式则始终无法突破时间上的瓶颈,就算把其它难点问题都解决了,样本递送的时间开销在时空瞬移技术发明之前始终都无法绕开。所以对于场上的玩家来说,那种以终为始、始终盯着终极目标去、不局限于某种特定技术手段如二代或三代或是PCR的、能够解决核心关键点的、不被他人的节奏干扰的玩家胜出几率可能较大。

我现在仍清晰地记得有一位朋友告诉我说用二代测序做病原检测上手容易做好难。我能说的是历史告诉我们当一个事情很难的时候存在两种可能,一种是技术含量太高积累还不够,还有一种是方向本身就错了,而更难的是我们往往不具备区分二者的智慧。那么这一次,这么多的选手先后下水进到了感染检测的战场里,谁会是那位手握开启临床需求大门关键钥匙的历史英雄,谁又会是选错了方向注定颗粒无收的绿叶?这个答案只有交给时间了,也许待到明年底我们来回顾今日之种种时一切看起来好像又都会是那么的明显吧。

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