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华大智造大额融资带节奏,国产测序仪领域这下彻底火了!

作者:郝翰 2020-06-24 08:00

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短短一个月内,齐碳科技、华大智造、塞纳生物先后宣布完成融资。国产基因测序仪再一次冲上了医疗健康领域的热点话题。

 

多年来,测序仪行业一直处在少数几家国外巨头的垄断之下。华大智造近两年的频繁动作虽然吹响了国产测序仪反攻的号角,但是从目前的市场占有率上看,想要最终实现进口替代,可能还需要些时间。除了最激烈的NGS市场之外,三代、四代测序也随着Illumina收购PacBIO的动作受到广泛关注。最近获得融资的齐碳科技,正是四代测序的先行者。

 

那么一、二、三、四代测序究竟都是什么?全球测序仪市场究竟有多大?目前还有哪些国内企业在进行国产测序仪方面的布局?目前获批进入临床的又有哪些?这些问题,我们将在本文中一一解答。

 

一、二、三、四代测序,究竟都是什么?

 

目前的基因测序领域,根据核心测序原理的不同,将测序技术划分为了四代。实际上这四代测序技术之间,并不存在技术上的好坏,更多的是按照出现的时间早晚被划分。


1
一代测序:Sanger测序


Sanger测序中需要用到四个反应体系,每个反应体系中使用了不同的ddNTP(双脱氧核苷三磷酸)。由于ddNTP上缺乏延伸所需的3’-OH基团,DNA序列在合成的过程中会因为ddNTP进入反应的出现而终止。因此四个反应中被合成的DNA链会分别停止在A、T、C、G的位置上,合成不同的DNA长度,进而在凝胶电泳的过程中被分离。通过比对四份样品的电泳结果,就可以判断被检测样品的序列。

 

Sanger测序由于其高精度,至今仍在广泛使用,也被认为是基因测序的金标准。但是由于其效率低下,通量低,而且难以实现未知序列的测序过程,很难在基因组水平上实现大规模应用。


2
二代测序:NGS


NGS测序使用了边合成边测序的方法。首先将待测序的DNA片端两端接上adapters,使其可以锚定在芯片上,然后循环扩增该DNA片端,使其在一个区域内形成DNA簇。随后在测序的过程中,带有不同荧光信号的四种不同核苷酸被加入到反应体系中,并且每个核苷酸上带有一个终止可逆性的终止信号,保证每个反应只合成一个核苷酸。在完成合成之后,仪器会通过读取荧光信号了解每个DNA簇上合成的是哪种核苷酸,然后终止信号被洗脱,再进行下一轮反应。

 

二代测序以其较高的准确率和大通量,成为了目前全球最常用的测序技术。Illumina、赛默飞等企业提供的也主要都是二代测序仪产品。

 

但是二代测序本身难以进行长片段测序,再加上前期准备工作造成的测序周期较长等问题,为后来三代和四代测序的出现埋下了伏笔。


3
三代测序:荧光单分子测序


三代测序主要还是通过荧光检测的方法进行测序,并且也使用了边合成边测序的方法。也因此有些人认为三代测序并不应该被单独列为一类。

 

三代测序主要是使用了物理纳米孔或特殊材料的方式,将单个分子的读取区域分开。比如Pacific Bio的技术,就是将DNA聚合酶锚定在纳米孔底,使得正在被检测的碱基始终保持在纳米孔底部,最接近荧光读取的位置,从而实现长片段读取。

 

三代测序的标杆企业就是国外的Pacific Bio,Illumina曾试图收购这一公司向长读领域布局,但是最终被英美两国的反垄断部门驳回。国内也有真迈生物(前瀚海基因)在这一领域布局。真迈生物使用的技术来源于海外一家叫做Helicos的企业。相比于PacBio在长读领域的优势,真迈生物的技术则主要还是在短读方向发力。


4
四代测序:生物纳米孔测序


四代测序技术作为新一代测序技术,几乎没有争议。

 

第四代测序技术,使用了由蛋白组成的纳米孔通道。解旋后的DNA单链在电压的作用下,以一定速率通过纳米孔通道蛋白。由于每个碱基通过纳米孔通道时,会引起不同电学信号的变化。根据电流的大小及电流大小的变化情况,通过“递归神经网络”的复杂算法对碱基进行判读,即可计算获得相应碱基的类型,完成序列的实时测定。

 

四代测序由于其独特的技术特点,首先仪器很小,最小的仪器可以达到手持级别。而且由于不需要前期样品的处理,常被应用于快速检测领域。准确性和通量一直是四代测序着力提升的部分。由于准确性不高,四代测序目前也主要被应用于微生物检测方面。

 

Oxford Nanopore是全球最知名的四代测序供应商。其推出的桌面和手持产品,已经成为了四代测序的标杆。

 

9家自研,6家合作

 

回到国产测序仪,一代测序目前已经基本没有企业在进行集中布局。而二、三、四代测序,都有企业在尝试寻找测序仪的国产化路径。


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国产测序仪企业

 

动脉网一共统计到了15家企业正在提供测序仪产品,或者明确表示正在进行测序仪研发的企业。这样的企业数量对于基因检测这个正在快速发展的领域来说,确实少了一些。


究其原因,测序仪行业较高的技术壁垒和目前基本被少数企业垄断的行业格局,使得初创企业很难快速切入这一领域。但从另一方面考虑,对于有足够技术自信的企业来说,也意味着这个行业充斥着大量的机会。因此我们认为,这个行业目前在国内还处于蓝海状态,近期的几起大额融资或许会激起又一波创业潮。

 

目前为止国内切入国产测序仪研发生产的企业主要可以分为合作和自研两大类。

 

其中合作的企业都是从第三方医学检测这一细分领域切入,尝试为自己的第三方医检服务寻找落地的仪器平台。Illumina是其中最大的合作方,有四家企业都通过OEM(代工生产)的方式自主生产Illumina的测序仪。赛默飞则曾经与达安基因和博奥生物分别合作生产过DA8600和BioelectronSeq 4000两款产品,但是这两款产品目前都已经不在NMPA公示的国产医疗器械产品注册列表里。

 

自研的几家企业都有自己独特的技术路径。

 

较早成立的企业研发的大多是NGS测序仪,比如华因康基因、中科紫鑫、万众一芯等,并且大多数企业都已经有成熟的产品在市场上推广。

 

作为国产测序仪行业的“一哥”,华大智造已经先后有六款产品通过NMPA的注册审批(其中两款已超有效期)。华大智造的技术源于CG公司,并在CG公司的技术基础之上又进行了进一步研发。

 

华大智造向动脉网介绍到:“华大智造除了DNA纳米球(DNB)、规则阵列载片(Patterned Array)等核心技术,具备测序准确性、低成本、低重复序列率等一系列优点之外,还持续开发了包括CoolMPS,stLFR等新技术进一步提升测序读长,测序准确度,降低测序成本。且90%以上仪器零部件已实现国产化,真正做到了核心工具的自主可控。”

 

真迈生物(原瀚海基因)则是较早成立的一家专注于三代测序产品的企业。其使用的技术源于美国的Helicos BioScience。这项技术确实可以实现单分子测序,但是读长却始终停留在35bp左右,无法像PacBio一样实现长读长。

 

万众一芯在其中显得不太一样。万众一芯使用半导体测序的方法,将自己的产品聚焦于小通量测序市场,以低成本高效率的产品,提高测序仪的覆盖范围。按照万众一芯创始人胡文闯的话来说,“如何将基因测序落地到基层和社区才是精准医疗价值最大化的关键”。

 

近两年的成立的自研企业逐渐开始向四代测序技术方向靠拢。

 

齐碳科技自然是其中的佼佼者,其产品单次测序准确率已经可达85%,通量已经可以达到1G,逐步逼近行业标杆Oxford Nanopore的数据。另一家初创企业今是科技也在向第四代测序仪开发的方向布局。

 

有业内人士与我们分享时表示:“物理纳米孔想要实现单链DNA的通过并利用电信号实现单分子测序,从技术角度上过于困难,工业上很难实现这样的高精度。所以目前在进行四代测序仪研发的企业都选择了生物孔。”

 

35.8亿美元市场规模

 

目前全球范围内除了Illumina之外,几乎只有赛默飞在测序仪领域还能于Illumina有一战之力。罗氏、华大智造、PacBio、Oxford Nanopore等一众企业虽然在强势切入这一领域,但是目前的市场占有率还比较有限。相关市场测算结果表明,Illumina与赛默飞两家就控制了全球约90%的测序仪市场。

 

测序仪对于企业来说是关键业务单元,但毕竟只是一锤子买卖,市场需求比较有限,折旧率也不高。并且设备本身的毛利就比较低,很难成为主要的盈利点。因此测序仪研发企业真正要盈利,更多的要依靠测序仪配套的试剂和耗材。

 

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Illumina近几年的产品收入变化


以Illumina为例,尽管Illumina仍然是全球最大的测序仪供应商,但其仪器销售早已显露疲态。财报显示Illumina的测序仪器在2019年实现了5.17亿美元的销售额,低于2018年的5.35亿美元。其在总营收中的占比也随着其他营收项目的增长,下降到了14.6%。

 

事实上在过去的六年中,Illumina的仪器收入已经基本停止了增长,销售收入一直保持在5亿美元上下。而另一方面,试剂耗材方面的营收则在不断增长。仪器收入在其产品收入中的比例已经从2014年的35.1%降低到了2019年的18.3%。

 

一方面,市场对于测序仪器的需求长期而持久;另一方面测序使用的相关试剂耗材必须使用原厂提供的配套产品。由于使用测序仪器产生的刚需性需求,企业和机构在配套试剂耗材上的议价能力很弱。因此Illumina在测序仪器上的垄断意味着其几乎控制着整个NGS市场的浮浮沉沉。

 

赛默飞只在2017年公布了自己在测序方面的收入,因此根据2017年的数据来测算目前的测序仪市场规模相对会更准确一些。

 

2017年Illumina的产品收入达到22.89亿美元。赛默飞在2017年财报中公布,当年公司在测序上的收入“略低于4.1836亿美元”。作为全球最大的生命科学解决方案供应商之一,赛默飞在测序上的收入几乎都来自于自己的仪器和试剂耗材的收入,基本没有服务方面的收入。

 

据此,我们可以大致推算,Illumina和赛默飞以5.5:1的比例占据着测序仪及相关试剂耗材90%的市场份额。Illumina占据市场约76%。据此推算,2019年全球测序仪及相关试剂耗材的市场规模应该在38.5亿美元左右。

 

目前的测序仪主要分布在第三方医检机构和科研机构中,医院市场的开发率还比较低。随着测序需求的不断提升,会有更多测序仪深入到院内场景。想要进入院内场景,测序仪产品就必须取得医疗器械注册证。那么目前到底有哪些产品已经具备了进入临床的资格?

 

13款国产,2款进口

 

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NMPA网站上查询到的测序仪相关注册信息

 

药监局网站上的查询页面显示,目前注册在案的国产基因测序仪共有14款。其中华大智造的产品最多,共有5款(包括一款以华大基因为主体注册的产品)产品。

 

这14款产品主要来自8家不同的公司,分为四种不同的研发方式。

 

第一类自然是完全自主研发,比如华因康的测序仪。    

 

第二类产品的技术内核来自收购,也就是华大智造选择的方式。2013年3月,华大基因以1.176亿美元的价格收购了美国的Complete Genomics公司,并以该公司的技术为基础,成立华大智造,以自主研发的方式开始进行测序仪方面的布局。

 

第三类是与海外的测序仪企业合作,主要负责代工生产。主要的合作方自然是目前全球市场占有率最高的两大企业,其中贝瑞和康和安诺优达选择了与Illumina合作,而泛生子还选择了与赛默飞合作。虽然现在看起来Illumina与安诺优达合作的产品要更早上市,但其实在注册保证方面,赛默飞在2014年就已经与达安基因合作研发了DA8600测序仪,并且成功获得药监局的三类器械批件。但是该产品的注册证目前已经超过有效期,达安基因官网的介绍页面上也已经查不到该款仪器。

 

第四类产品是与国内的测序仪企业合作。比如泛生子的GENETRON S2000就是与华大智造合作生产的产品。自产的临床级测序仪产品补全了泛生子在基因检测仪器方面的相关布局,包括全自动加样系统、生物芯片阅读仪等,使得泛生子可以为用户提供完整的基因检测服务。


吉因加的布局情况也类似。根据相关报道,吉因加的Gene+seq系列产品使用的核心技术是DNBSEQ技术,也就是华大智造的核心技术之一。这款产品串连起了吉因加在测序仪上下游的相关布局,包括自动文库制备仪、肿瘤基因检测试剂盒、肿瘤NGS全自动分析解读一体机等,使得吉因加可以为用户提供完整的测序全流程服务。

 

除了这14款注册在案的国产产品之外,达安基因的DA8600已经超过了批件有效期,但是未重新提交注册。

 

几大国外的测序仪厂商除了与国内的企业合作产品,也在尝试通过进口的方式直接向国内销售。Illumina通过上海的一家进出口企业,在2018年7月就将自己的MiSeq Dx送入了国内的临床市场。赛默飞则通过自己旗下Invitrogen在国内的公司注册了整套基因测序系统,其中包括了型号为7469的基因测序仪。


提供Sanger测序(一代测序)解决方案的贝克曼库尔特也通过类似的方法将自己的产品送入了国内,但是获批证件是二类器械证件。


国产测序仪究竟如何落地?

 

基因测序仪应用,主要在科研院所和第三方检验中,在医院的应用目前还比较少。

 

比如在中国政府采购网上查询“测序仪”,大多数招标采购测序系统和仪器的,都是科研院所,零星能看到少量大医院的采购记录。

 

二代测序技术虽然已经比较成熟,但是目前在临床上的使用,仍主要存在于NIPT和肿瘤基因检测两个大的板块上。NIPT是需要利用测序技术区分母体DNA片端和胎儿DNA片端,而肿瘤基因检测则因为需要聚焦到小至单个碱基的变化上。因此这两个应用场景对于准确的基因序列有刚需性的需求,是其他检测方法无法取代的。

 

有人提出新冠疫情让很多医院开始注意到基因测序在病原体感染上的应用。但就以新冠肺炎为例,动脉网在2020年3月进行了SARS-CoV-2病毒核酸检测试剂盒的分类统计。在我们统计的116款试剂盒中,有111款使用了荧光PCR、恒温扩增、数字PCR等PCR类型的检测方法。而使用测序法的产品就只有两款,并且这两款测序法的产品主要用于帮助科研人员完成对新冠病毒基因组的测序工作。

 

病原体微生物的检测,尤其是大面积的检测更多的需要“是或不是”类型的判断,并不需要准确的了解DNA上的每一个碱基序列。PCR技术已经足够完成这项工作,将二代测序技术应用于这样的领域显得有些大材小用了一些。

 

当然基因测序也不是完全不适用于病原体检测。对于某些难以鉴别,临床上发生率较低的病原体上,基因测序可以比传统的培养方法更快的鉴别出罕见病原体,让重症感染患者及时得到精准的诊断。但这也构不成医院自己布局基因测序的理由,这一类的患者在单个医院中发生频率较低,这种检测需求更适合第三方检验机构承接。我们现在也已经看到有像金匙基因、杰毅生物这样的企业在布局这一领域。

 

因此国产测序仪想要进入市场,从第三方医检或科研走向进入会比较有机会。

 

目前国内的基因测序设备很多都存在于第三方医学检验实验室中,尤其是像专门提供基因检测服务的“特检”实验室。正如我们前面统计的数据,这一类企业中很多都已经通过收购、合作等方式,自己生产基因检测设备。

 

在基因检测设备上的布局,不止意味着企业自己在测序能力上的保证,而且能显著提高企业全流程解决方案上的完整性。以泛生子为例,其测序仪产品在获得了批件之后,在与医院合作共建实验室时,整套解决方案全部都是自己生产的产品。

 

除了特检机构外,像金域医学这样的企业也在积极布局基因测序仪方向。实际上金域医学已经在基因检测方面积累了大量的资源,并且也有一些合作。比如2018年1月金域医学就与Illumina合作开发肿瘤及遗传病检测系统。其曾经的全资子公司金圻睿也与Illumina合作开发了MiniSeqDx,并获得了NMPA的批准上市。

 

科研院所是基因测序仪在国内的另一大市场。在生物学领域,基因测序的需求非常普遍,并且纷繁复杂。由于需求的多样性,很多科研院所也不选择自己购进基因测序设备,而是使用外包的测序服务,由此也催生出一批专门为生命科学研究服务的基因测序企业,如诺禾致源。

 

第三方医检实验室和医院,对于设备的要求会更加严格。除了必须使用经NMPA批准的产品之外,产品的品牌效应也会产生比较大的影响。

 

但是科研方面就相对放松。品牌效应虽然也会对科研领域有一定影响,但是科研工作者往往愿意尝试新事物。只要产品能提供准确的数据,科研人员对于国产品牌往往还是抱着积极的态度。因此对于国产测序仪品牌来说,从科研方向入手自然是最佳选择。

 

与测序相关的企业周边行业进行联动其实可以达到特殊的推广效果。比如华大智造选择与泛生子和吉因加合作,以OEM的方式销售自己的产品,其实就是尝试通过肿瘤NGS企业,拓宽自己产品的销售渠道。

 

除了肿瘤NGS之外,测序技术还有大量的其他应用场景,比如病原体检测和单细胞测序。这些技术其实都在寻找性价比更高的测序方案,国内测序系统的价格优势可以得到集中体现。

 

举例来说,单细胞测序市场其实也基本呈现被10X Genomics垄断的态势,但是还是有很多国内企业正在向这个方向布局,寻找实现进口替代的方法。在这一点上,如果国产测序仪可以和国产单细胞建库的企业形成合作,达成单细胞测序全流程国产化,对于国内市场的开拓势必会起到积极作用。

 

虽然目前很多单细胞测序行业的相关企业都基于Illumina的平台进行开发,但是银湾细胞的创始人林巍告诉动脉网,更换平台对他们来说并不困难:“我们如果需要更换平台的话,其实只要更换建库过程中的引物接头就可以了。这对我们来说完全没问题。”


注:文中如果涉及企业数据,均由受访者向分析师提供并确认。如果您有资源对接,联系报道项目,寻求合作等需求请填写需求表

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