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精准医疗系列 |从一代到四代,基因测序渐成生命密码解读者

2015/11/30 来源:生物探索
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导读
2015年11月24日,湖南省唯一一家国有控股证券公司财富证券发布行业研报《基因测序,生命密码的解读者》,基因测序技术的发展一共涌现了四代测序技术。目前,二代测序技术为市场主流,其中典型代表有Illumina公司的Solexa技术、罗氏公司的454技术以及Life tech公司的SOLID技术。近几年来,以Heloscop的单分子测序技术和PacBio的SMRT技术为代表第三代技术以及第四代纳米孔测序技术相继出现,标志着测序技术未来的发展方向。


基因测序行业发展迅速,二代测序为主流技术。

当下,一代基因测序技术由于通量较低、测序时间较长,已经不能满足研究应用的需要,以高通量低成本为特征的二代测序技术为目前应用最广泛的测序技术,测序时间相较于一代技术大大降低。

基因测序作为精准医疗的重要一环,随着技术的进步以及成本的下降,近年来发展迅速,从 2007 年的 7.94 亿美元增长到 2013 年的45亿美元,复合增长率为 33.5%,预计未来几年依旧会保持快速增长,2018年将达到117亿美元,复合增长率为21.1%。

产业链上游为欧美企业主导,我国企业主要集中在中下游测序服务业,并有往上游延伸的趋势。目前,我国的基因测序企业主要集中在产业链的中下游测序服务业,而上游基因测序设备耗材供应商的技术门槛较高,基本上为外资企业所垄断。

由于基因测序的关键技术仍长期掌握在以Illumina为代表的欧美基因测序设备及试剂耗材生产商手上,我国的基因检测行业没有彻底的定价权,处处受到欧美企业的掣肘。为了改变这一局面,我国企业产业链开始向上游延伸。

基因测序应用市场空间广阔,我国目前主要分为四个方向。

我国国家食药监总局批准的下游基因测序临床应用分为四个类别,分别为遗传病诊断、产前筛查与诊断、植入前胚胎遗传学诊断以及肿瘤诊断与治疗。无创产前筛查为当下较为成熟和消费者认可程度最高的产品,且随着我国二胎政策的放开,市场将有进一步的成长空间;肿瘤诊断与治疗是最具有开发潜力的应用市场,癌症已经成为全球第二大致死病因,并且随着我国老龄化社会的到来,癌症在我国发病率将进一步提高,二代测序在肿瘤邻域的应用将有巨大的发展潜力。

(一)二代测序技术为目前主流,成本下降推动行业迅速发展

基因测序是一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中分析测定基因全序列,预测罹患多种疾病的可能性,个体的行为特征及行为合理,如癌症或白血病,运动天赋,酒量等。

精准医疗主要包括精准诊断和精准治疗两部分,基因测序作为精准医疗的入口,是精准医疗的重要一环。在精准诊断方面,通过对病人临床信息资料的完整收集,对病人生物样本的完整采集,并通过基因测序、分析技术对病人分子层面信息进行收集,最后通过利用生物信息学分析工具对所有信息进行整合并分析,从而使得医生可以早期预测疾病的发生、可能的发展方向和疾病可能的结局,最后做出诊断。

技术革新,成本下降,基因测序不再遥不可及

从上世纪 70 年代 Sanger 发明的双脱氧核苷酸末端终止法和 Gilbert 与 Maxam发明的化学降解法为标志第一代测序技术,到目前为止,基因测序技术的发展一共涌现了 4 代测序技术。目前,二代测序技术为市场主流,其中典型代表有Illumina公司的Solexa 技术、罗氏公司的454技术以及Life tech公司的SOLID技术。近几年来,以Heloscope的单分子测序技术和 PacBio的SMRT技术为代表第三代技术以及第四代纳米孔测序技术相继出现,标志着测序技术未来的发展方向。

现下,一代基因测序技术由于通量较低、测序时间较长,已经不能满足研究应用的需要,以高通量低成本为特征的二代测序技术为目前应用最广泛的测序技术,测序时间相较于一代技术大大降低,缺点是读长(测序时所有读段的平均 DNA 分子片段长度)较短。第三代测序技术测序读长有了明显的提升,但准确率较低,而且测序通量也小于二代测序,第四代测序技术相比于第三代技术通量有所提高且准确率也有所上升,仪器更小,第三、四代测序技术目前主要用于科学研究,临床应用还需技术进一步的成熟。

基因测序作为目前生物学领域最炙手可热的专业门类之一,近几年在国内外均得到了快速的发展,它不仅能够追踪传染病途径,还能预测个体化疾病风险,有效预测癌症、糖尿病、唐氏综合征等多种疾病,从而为后期的防御和治疗提供有效的帮助。

但由于成本过高,基因测序技术一直难以进行推广,在2001年进行个人基因组测序的成本约为9500万美元,从那时起测序成本以类似摩尔定律的轨迹呈现指数下降,这意味着测序成本每两年下降 50%。新一代测序仪(NGS)的出现,使得测序成本以远远偏离摩尔曲线的速度下降。到2013年底,最新研制出的基因测序机器,能够在几个小时内解码一个人的基因组,而且仅仅需要花费1000美元。随着技术的进步,成本将继续下降,使得基因测序大规模的临床应用成为可能。

(二)我国企业主要集中在产业链中下游,有向上游延伸的趋势

基因测序产业链主要由上游基因测序设备制造厂商、中游测序服务机构及生物信息分析机构和下游医院、制药企业、高校研究所等构成。上游基因测序设备制造具有较高的技术壁垒,国内少有公司涉及这块领域,市场为外资企业所主导;国内公司主要集中在产业链的中游即第三方测序服务,主要公司有华大基因、达安基因、迪安诊断、诺禾致源、贝瑞和康等;生物信息分析(数据分析)是基因测序行业一大难点,也是极具发展前景一块业务,荣之联与华大基因合作多年,积累了一定基因测序数据分析经验,是国内为数不多的能够提供生物数据云计算服务的企业。

上游技术壁垒较高,市场为欧美厂商主导

目前,我国的基因测序企业主要集中在产业链的中游即第三方测序服务机构,而上游基因测序设备耗材供应商的技术门槛较高,基本上为外资企业所垄断,其中Illumina作为全球最大的基因测序仪制造商,占到全球 70%的市场,而我国生产的二代测序仪基本都是使用的国外技术进行贴牌生产,如贝瑞和康与Illumina合作生产的NextSeq CN500、达安基因与 LifeTech合作生产的DA8600等。值的注意的是,紫鑫药业旗下子公司中科紫鑫今年8月推出了自主研发的 BIGIS 二代基因测序仪。

测序服务门槛低,国内厂商竞争激烈,有向上游延伸的趋势

相比于上游的仪器及试剂制造厂商拥有较高的技术壁垒,一般企业难以染指,测序服务市场门槛较低,只需购买测序仪器及试剂就能就能提供测序服务。近年来,我国大大小小的测序服务机构层出不穷,呈野蛮增长之势,已有超过200家的机构从事基因测序相关业务,整个测序服务行业竞争激烈,平均利润率势必下滑。

(三)我国 NGS 临床应用主要分为四个方向,市场极具潜力

目前,我国国家食药监总局批准的下游基因测序临床应用分为四个类别,分别为遗传病诊断、产前筛查与诊断、植入前胚胎遗传学诊断以及肿瘤诊断与治疗。无创产前筛查为当下较为成熟和消费者认可程度最高的产品;癌症易感基因筛查则包括十余种遗传性肿瘤,通过对健康人群检测,可以得知其是否携带容易导致癌症的基因;单基因病筛查一般包括遗传性心率失常和老年神经系统遗传病检测。目前我国的 NGS 应用范围较窄,但未来发展空间巨大。

目前,我国企业主要集中在产业链中下游的测序服务业,主要有华大基因、贝瑞和康、达安基因、迪安诊断、千山药机、药明康德、中源协和、新开源、北陆药业、仟源医药等。其中,华大基因、达安基因、贝瑞和康都有将产业链上移的趋势,通过收购或合作的方式研发推出了国产化的测序仪。另外,紫鑫药业旗下子公司中科紫鑫于今年 8 月推出自主研发的 BIGIS 二代测序仪,千山药机子公司宏灏基因具有核心的基因检测技术。在基因测序数据分析方面的企业主要是荣之联。

现在,我国测序服务机构也迈出了向产业链上游延伸的步伐。

华大基因收购了Complete Genomics 公司,并推出了基于 CG 原有的测序系统的 BGISEQ-1000 二代基因测序仪;贝瑞和康联合 Illumina 生产了新型测序仪 NextSeq CN500;达安基因与LifeTech 合作生产了基于Lon Proton测序平台的DA8600;紫鑫药业旗下子公司中科紫鑫于今年8月推出了BIGIS二代测序平台系统,该平台是基于罗氏454平台焦磷酸测序技术,BIGIS 平台具有较长的读长且成本较低。

测序数据呈爆发式增长,数据挖掘解读成行业发展瓶颈

随着测序技术的发展,测序难度和费用会不断降低,数据分析将成为最大的瓶颈。生物信息分析服务是目前业界公认的最具发掘潜力以及盈利能力的环节,但目前国内还处于起步阶段。

据统计,目前全球一共有7389台高通量测序仪,分布在1027家机构,平均每家机构拥有7.2 台。数量庞大的基因测序仪将会产生出海量数据,但数据并不等于有用的信息,更不等同于应用于医疗市场。

精准医疗需要依赖患者多方面数据的积累,包括各种生物组学数据(基因组、蛋白组等)、患者病史、生活习惯、行为习惯等多方面,对比过往患病人群到相关数据,通过大数据分析,找出最优的治疗方案。这一理念的实现,都依赖于生物大数据的积累、以及后续对这些数据的挖掘和解读。基因数据的分析需要生物信息工程师开发的分析工具以及无门槛的工具使用,解读则需要基因学家和遗传学家共同合作进行。而我国乃至全球,在这方面的人才储备显然不能满足数据分析解读需求的爆发式增长,基因数据的挖掘解读还有很长的一段路要走。

(四)投资建议与相关公司介绍 

目前,我国企业主要集中在产业链中下游的测序服务业,主要有华大基因、贝瑞和康、达安基因、迪安诊断、千山药机、药明康德、中源协和、新开源、北陆药业、仟源医药等。其中,华大基因、达安基因、贝瑞和康都有将产业链上移的趋势,通过收购或合作的方式研发推出了国产化的测序仪。另外,紫鑫药业旗下子公司中科紫鑫于今年 8 月推出自主研发的 BIGIS 二代测序仪,千山药机子公司宏灏基因具有核心的基因检测技术。在基因测序数据分析方面的企业主要是荣之联。

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