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基因测序为何代替不了基因芯片以及 PCR?

2016/08/18 来源:德晟金融研究部
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导读
虽然测序是主流技术,其功能强大且测序成本逐渐在降低,但是测序并不能取代其他检测手 段,而且随着基因检测市场的进一步壮大,根据当前 PCR 和基因芯片的应用程度,未来基 因芯片甚至 PCR 还有进一步扩大的空间。


本文转载自:德晟金融研究部

新一代基因测序技术在最近五年飞速发展,这吸引了不少人的目光,做为精准医疗的基础,之前市场上的报告都集中关注于基因测序。于是原本红火的基因芯片技术沉寂了不少。早些 年,有人甚至预言,芯片技术面临消亡。诚然,在某些方面,新一代测序让芯片失色,但就 很多应用而言,芯片仍然是不可取代的。 芯片和高通量测序是两种重要的高通量基因组学研究技术,对于解释基因组的结构和功能都 在发挥重要的作用。

一、 概念介绍

基因芯片,又称 DNA 微阵列(DNA micro-array),是把大量已知序列探针集成在同一个基片(如玻片、膜)上,经过标记的若干靶核苷酸序列与芯片特定位点上的探针杂交,通过检测杂 交信号,对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析。 高通量基因测序:一次对几十万到几百万条 DNA 分子进行序列测定,使得对一个物种的转 录组和基因组进行细致全貌的分析。

基因芯片和基因测序都属于分子诊断的范畴。而分子诊断与化学诊断、免疫诊断一起构成了 大家熟悉的体外诊断行业。

体外诊断:体外诊断,即 IVD(In Vitro Diagnosis),是指在人体之外,通过对人体样本(血液、体液、组织等)进行检测而获取临床诊断信息,进而判断疾病或机体功能的产品和服务。分子诊断的所有技术都存在局限性,所以每一个技术都有存在的价值,但是基因芯片和基因 测序在集成化、自动化和高通量的代表性更强,发展前景最为看好。

2013 年之前 PCR(聚合 酶链式反应)在分子诊断领域占比最大,但是增速慢于基因测序。基因测序是分子诊断领域 发展增速最快的子行业,预计 2016~2010 年的年复合增长率为 23%。分子诊断:对患者体内遗传物质的结构或者表达水平的变化进行检测,进而为某些疾病的预防、诊断、治 疗和预测提供信息和决策依据的诊断方法。分子诊断约占全球体外诊断的 11%,目前全球市场规模约为 50亿美元。


图表 1: 分子诊断的技术体系


 图表 2:分子诊断技术分类以及代表性公司


图表 3:基因检测手段的应用范围

二、 技术比较:

芯片是一个封闭的检测系统,只能检测已知的基因信息。而测序是一个开放的发现系统,可以发现新的基因信息。

芯片平台经过了近 20 年的发展,具有完整成熟的质控标准和分析手段;基因测序系统 的数据质控标准和分析方法有待更完善和标准化。全基因组测序目前还是有随机丢失的 问题,不能确保重要信息不会丢失。

芯片数据分析 PC 机即可完成,不存在 NGS 的海量数据分析负担。对于测序所产生的海 量数据,人们正在开发专门的计算方法,需要“高性能计算+高速网络+高效能存储”整 套解决方案。

与测序相比,芯片更便宜,也更快获得结果。

三、 很多人都会问:现在基因测序如此火,为什么代替不了基因芯片以及 PCR 等技术?

虽然测序是主流技术,其功能强大且测序成本逐渐在降低,但是测序并不能取代其他检测手 段,而且随着基因检测市场的进一步壮大,根据当前 PCR 和基因芯片的应用程度,未来基 因芯片甚至 PCR 还有进一步扩大的空间。

1. 测序的成本和操作复杂度还是将持续高于 PCR 和基因芯片,医院检验科通常将测序业务外包给第三方基因测序公司,很难即时得到测序检验结果,而 PCR 和基因芯片检验 科可以自己操作,能够较快的得到结果,并且检验科能够获得更大盈利,所以对检验科 来说有较大的推广动力。

2. 对医生而言只要能够得到诊断依据,能够指导用药就可以了,某些单基因病、少数位点 的检测并不需要整个基因序列,PCR 和基因芯片就能达到目的。

3. PCR(qPCR、DDPCR)能够快速的,更加精确的对突变基因进行定量检测。

4. 基因芯片对片段微缺失微重复(CNV)具有较好的检验结果,而目前测序较难对 CNV 行准确的检测(随着技术的提高测序检测 CNV 将会逐渐成熟)。

5. 为获得更加准确的结果,需要对目的片段进行深度测序,扫描次数可能高达 2000x,全基因组测序无法达到。

6. 序列信息只是一方面,基因的其他信息还包括甲基化等,而且当前基因信息的解析还有 待提高,片面的追求全基因组信息意义不大。

7. 对于非自身基因组所导致的疾病,例如外源病原体的检测,乙肝病毒、HPV 病毒等,还有 ctDNA 检测等,也需要靶向捕获测序技术。

四、 芯片技术的独特价值&;待解决问题

独特价值:

芯片能够在单个实验中同时分析数千个参数,是大样本量应用的理想选择。例如一块新生儿 筛查芯片每次能够检测 1000 个婴儿的 80 种不同疾病,也就是一次进行 80,000 个检测。这 就意味着对于需要大量样本、快速周转、精确数据或经济效益的基因组研究而言,芯片是完 美的选择。 所以在临床应用上,比如生殖健康(产前、胚胎植入前和产后)、肿瘤(实体瘤和血液肿瘤) 和移植的遗传学分析,都是很好的例子,对它们来说时间、数据准确和经济性都是很重要的。 同样,在农业和食品行业,在分子标记辅助育种项目中,大量样本必须快速高效地筛选。事 实上,目前已有多款芯片支持农作物和牲畜的基因分型。

待解决问题:

基因芯片但要成为实验室研究或临床可以普遍采用的技术仍有一些关键问题亟待解决如: 1. 提高基因芯片的特异性;

2. 简化样品制备和标记操作;

3. 增加信号检测的灵敏度;

4. 高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及检测仪器的研制和开发。

上述问题不仅是当前和今后一段时期内国内外基因芯片技术研究的焦点,同时也是基因芯片能否从实验室研究推向临床应用的关键问题。

五、 两种技术的关系:

在很多情况下,答案是测序和芯片似乎只能是对手。而实际上,它们也能强强联合,优势互 补。 通过测序,不断的来发现和解读新序列,芯片才有可能应用这些新序列为靶向基因才进行检 测。以最近渐渐发展起来的 RNA 测序为例,当高通量测序被广泛采用后,RNA 数据库才开 始快速增长。随着测序结果反馈到数据库,人们挖掘出新的 RNA 信息,产生 microRNA 芯片 用于后续研究。

基因芯片行业状况

国外基因芯片发展状况:

目前,国外已经有十多家从事 DNA 芯片研究的公司,他们的芯片技术虽然各具特色,应用 目的也不尽相同。例如著名的美国基因检测公司 23andMe 使用的就是基因芯片检测,具体 是在 Illumina HumanOmni Express-24 format chip 基础上改进而来,大约可以检测 100 万个SNP(基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的 DNA 序列多态性)。

全球知名的芯片公司有 Illumina、Affymetrix 公司等。

1. Affymetrix:

Affymetrix 成立于 1992 年,目前员工数为 1150 人,是全球基因芯片产业先行者,早在 1989年就研制了世界上首张基因芯片。2016 年 3 月 31 日,Affymetrix 被 Thermo fisher(全球第 二大的基因测序龙头公司)以每股 14 美元,总价格为 13 亿美元的收购。该项收购已在第二 季度末完成。

Affymetrix 专注于基因芯片业务,分为芯片制备、芯片扫描仪器、数据处理分析以及相关耗 材试剂几个模块。2015、2014、2013 年对应的营收分别为 3.1、2.9 以及 2.9 亿美金。Affymetrix 目前有四大业务部门:遗传分析(SNP 和 CNV 基因芯片等)、eBioscience(免疫诊 断)、基因表达(用于 mRNA 表达研究)以及生命科学试剂。目前业务增速最快的是遗传分 析部门,增速约为 40%,大部分收入来自细胞遗传学产品的销售,如 CytoScan 平台,以及Axiom 基因分型芯片产品。这主要得益于在科研应用中生殖健康和肿瘤学的客户群扩大以及 农业生物技术和生物样本库方面的收入开拓。

2. Illumina:

Illumina 成立于 1998 年,成立初期主要业务为基因芯片,但是当时芯片市场已经有 Affymetrix牢牢占据龙头位置。所以 Illumina 在 2006 年收购当时一家规模很小,但拥有新颖的基因测 序技术的公司 Solexa,依靠技术上的优势以及不断的研发创新,迫使当时市场上的测序竞争 对手 454 被罗氏收购并最终停产,迫使 Complete Genomics 从 2012 年就开始裁员和寻找买 主,最终被深圳华大基因收购。

目前 Illumina 以基因测序业务为主,基因芯片业务占比不高,2015、2014、2013 年基因芯 片业务占比分别为 14%、19%和 27%,对应的营收金额分别是 3.1、3.5 和 3.8 亿美元。可以看出营收金额和占比都在逐年降低,主要原因还是在于高通量测序技术的告诉发展以及成本的指数下降对基因芯片行业的冲击,其次也与 Illumina 公司业务的发展策略的重心偏向于基 因测序有关。

但是不可否认,Ilumina 依然是芯片业务的龙头公司。Illumina 的基因芯片业务 与 Affymetrix 类似,分为芯片制备、芯片扫描仪器、数据处理分析以及相关耗材试剂几个模块。

Affymetrix 在基因表达谱芯片占市场优势,因 affymetrix 的表达谱芯片上市时间最早,所以 知名度和用户也是最多的,价格也是最贵的;但是 Illumina 凭借自己开发的 GoldenGate 技 术和 infinium 专利技术一直在 SNP 芯片领域处于垄断地位。

Illumina 和 affymetrix 的 SNP 芯 片都可用于 CNV 分析,但 illumina 芯片因覆盖位点数量较多,所以在 CNV 分析中可提供更 高分辨率的 CNV 数据。所以两个公司各有自己技术和产品的优势来保证自己的行业龙头地位。

国内基因芯片发展状况:

相比基因芯片产业在国外发达国家的高速发展,国内基因芯片市场明显处于起步阶段,还未 形成产业化,在分子诊断领域未得到广泛应用,仅仅应用在生物信息等科研领域,市场规模 很小。其原因一是国内基因芯片应用领域开发不足,下游目标用户少,研发力度也略显不足;二是单个基因芯片诊断成本较高,个别推广对于患者无法承受。但芯片的优势体现在高通量 上,一旦实现芯片应用的规模化,则价格和精确性相对传统方式优势凸显,国内才能迎来产 业的爆发点。

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