NGS引領(lǐng)測序行業(yè)黃金十年，納米孔突破未知更進(jìn)一步

將未見之物可視化或探測不可探測之物的技術(shù)的每一次突破，都能掀起新一波科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的狂潮。而高通量和可負(fù)擔(dān)得起的 DNA 測序技術(shù)的迅速出現(xiàn)，無疑是過去十年生命科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力。在此中，基因測序儀可以被認(rèn)為是人類族群在向生物世代強(qiáng)力探索與推進(jìn)進(jìn)程中的“核能發(fā)動(dòng)機(jī)”。

全球基因測序行業(yè)宏觀市場長期向好 2020 年全球基因測序市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá) 138 億美元。根據(jù) BCC Research 的數(shù)據(jù)，2018 年全球基因測序市場規(guī)模為 117 億美元，預(yù)計(jì)從 2010 年到 2018 年，全球市場的復(fù)合年增長率將保持在 10-30% 之間，預(yù)計(jì) 2020 年全球市場規(guī)?？蛇_(dá) 138 億美元。

測序技術(shù)和生物信息學(xué)的迅速發(fā)展已使人們能夠鑒定與疾病風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)的基因變異，隨著 NGS、納米孔測序等測序技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人類已經(jīng)可以在單個(gè)診斷平臺上同時(shí)測試多種基因，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了基因測序在臨床診斷應(yīng)用中的效用。和個(gè)人生活最為貼近的例子是，更快、更成熟的突變鑒定已經(jīng)可以為腫瘤的個(gè)性化診療提供更高效準(zhǔn)確的參考信息，并可進(jìn)一步鑒定針對其進(jìn)行藥理治療的癌癥靶標(biāo)或途徑。此外，以 NGS 為共同基礎(chǔ)的全球規(guī)模的基因測序項(xiàng)目的出現(xiàn)也為腫瘤學(xué)精確醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了更新、更全面的知識基礎(chǔ)。

圖 | 全球基因測序市場規(guī)模（單位：億美元）及同比增速走勢（來源：BCC Research，CB Insights 中國） 每一代測序技術(shù)均脫胎于科研需求。到目前為止的 4 代測序技術(shù)均誕生于科學(xué)研究的工具及方法論，其后再逐步發(fā)展完善演進(jìn)成為成熟的產(chǎn)品或者研究體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并在各種實(shí)際應(yīng)用場景中落地生根、開花結(jié)果。 目前科學(xué)研究仍是基因測序的主流應(yīng)用場景，脫胎于科研而反哺科研。

由于 Sanger 測序技術(shù)和 NGS 在全球科研機(jī)構(gòu)中極高的接受度，2019 年基因測序在科學(xué)研究板塊的應(yīng)用占據(jù)了全球基因測序市場超過一半的份額。此外，在測序行業(yè)前沿科學(xué)領(lǐng)域資金和投資項(xiàng)目的增加也反過來促進(jìn)了些科研實(shí)體對 DNA 測序產(chǎn)品的需求，從而造就了更大的市場份額。 應(yīng)用層面的市場份額占比也已超過 1/3，商業(yè)應(yīng)用落地持續(xù)發(fā)展推進(jìn)。臨床研究、醫(yī)院診所及生物醫(yī)藥公司這三個(gè)應(yīng)用層面的終端使用客戶在全球基因測序終端份額中的占比分別為 16%、13% 和 9%，三者相加占到了 38% 的市場份額，超過了 1/3。這也意味著測序技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的落地也取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，隨著測序技術(shù)的不斷成熟完善、更多的使用場景被開發(fā)，預(yù)計(jì)這一趨勢在未來將會(huì)持續(xù)上揚(yáng)。

圖 | 全球測序行業(yè)終端用戶分布占比（來源：Grand View Research，CB Insights 中國） 人口紅利推動(dòng)下，2020 年中國基因測序行業(yè)市場規(guī)模有望達(dá)到 138 億人民幣。根據(jù)賽迪顧問的數(shù)據(jù)，從 2010 年開始至今，中國整個(gè)基因測序行業(yè)的市場規(guī)模一直處在高速發(fā)展的階段，中位同比增速超過 40%，考慮到中國的人口數(shù)量帶來的巨大紅利，基因測序產(chǎn)業(yè)在中國潛力巨大，預(yù)計(jì)在 2020 年市場規(guī)?？梢赃_(dá) 138 億人民幣。

圖 | 中國基因測序市場規(guī)模（單位：億人民幣）及同比增速走勢（來源：賽迪顧問，CB Insights 中國） 政策支持方面，十三五規(guī)劃以來，中國政府為加快推進(jìn)生物技術(shù)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，打造國家科技核心競爭力和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，對于生物產(chǎn)業(yè)，尤其是基因測序領(lǐng)域，加大了產(chǎn)業(yè)扶持力度，先后推出了多項(xiàng)相關(guān)政策、規(guī)劃等產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)，重點(diǎn)相關(guān)政策列舉如下：

圖 | 2020 年中國基因測序行業(yè)相關(guān)重大政策一覽（來源：公開資料整理，CB Insights 中國）

面對基因測序更為成熟的資本市場 巨量資本的注入給整個(gè)基因測序行業(yè)的發(fā)展帶來了強(qiáng)大的推動(dòng)力。自 2013 年以來，面向基因測序初創(chuàng)公司的全球融資經(jīng)歷了快速、持續(xù)的增長。在過去的 7 年中，全球資本對初創(chuàng)基因測序公司的投資資金增長迅猛，2019 年的投資金額相比于 2013 年增長了 6 倍。

圖 | 全球基因測序領(lǐng)域投融資額及投融資交易數(shù)量走勢統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截至 2020 年 8 月 10 號（來源：CB Insights 中國） 全球基因測序領(lǐng)域公司的融資交易數(shù)量正在減少，但在創(chuàng)紀(jì)錄的大輪融資中資金依然保持強(qiáng)勁。從 2013 年到 2017 年，基因測序領(lǐng)域公司每年獲得的資金增長了 6 倍多。在隨后的 2017 年、2018 年里雖然交易數(shù)量持續(xù)增加，但總?cè)谫Y自此穩(wěn)定在每年 40 億美元左右。盡管 2020 年的融資總額有望超過 2019 年，但今年迄今為止(YTD)的數(shù)據(jù)表明，投資成交量正在放緩，預(yù)計(jì)將降至 2016 年的水平。

圖 | 基因測序行業(yè)融資額最大融資數(shù)量最多的應(yīng)用領(lǐng)域是無可爭議的 Healthcare，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)間區(qū)間為 2015 年 1 月至 2020 年 10 月（來源：CB Insights 中國） Healthcare 領(lǐng)域 7 筆巨量融資推高 2020 年全球總?cè)谫Y額。根據(jù) CB Insights 中國 的數(shù)據(jù)，今年預(yù)期的總?cè)谫Y額相較于 2019 年仍然會(huì)保持超過 4 億美元的增長，預(yù)計(jì)總量將超過 4.4 億美元，這很大程度上要?dú)w功于今年成交的7筆巨額融資（單筆交易價(jià)值超過 1 億美元），這也是迄今為止巨量融資交易發(fā)生頻次最高的一年。

2020 年迄今為止基因測序領(lǐng)域最大的一輪融資是向中國測序設(shè)備制造商華大智造投資的 10 億美元，主要投資方為 IDG Capital、CPE 和 GoldStone Investment 等，該輪融資使華大智造獲得了 40 億美元的獨(dú)角獸估值。 其余在 2020 年獲得巨額融資的企業(yè)為：Encoded Therapeutics，這家公司使用計(jì)算方法篩選 DNA 以尋找基因治療目標(biāo)，目前正在進(jìn)行首次臨床試驗(yàn)（D 輪融資 1.35 億美元）；Sema4，一家生殖健康和腫瘤篩查公司（C 輪融資 1.21 億美元，目前估值 11 億美元）；DNAnexus，一家基因組數(shù)據(jù)分析平臺公司（F 輪融資 1 億美元），其在 2020 年還獲得了 Karius、Kallyope 和 Tempus 的投資；其余獲得巨量融資的公司還有傳染病液體活檢公司 Karius、精準(zhǔn)醫(yī)療技術(shù)公司 Tempus 等。

圖 | 種子輪和天使輪交易的占比下降，而中期交易的占比在上升（來源：CB Insights 中國） 投資者變得更為青睞頭部成熟后期公司。根據(jù) CB Insights 中國 的數(shù)據(jù)，近五年來基因測序領(lǐng)域種子輪和天使輪的融資交易的占比總體呈下降趨勢，已經(jīng)從 2016 年的 44％ 下降到 2019 年的 27％，再加上 2020 年預(yù)計(jì)的總交易數(shù)量可能由 2019 年的 238 筆下降至 2020 年預(yù)計(jì)的 149 筆，以及超大規(guī)模單輪融資的增加，表明投資者正在將資金集中在更成熟的后期公司的更大交易上。 從 2015 年至 2020 年的基因測序領(lǐng)域公司 IPO 或并購?fù)顺銮暗娜谫Y總額的走勢來看，前四年維持相對平穩(wěn)的狀態(tài)，而在 2020 年這一數(shù)值幾乎是往年平均總額的三倍，并購?fù)顺銮叭谫Y總額達(dá)到了驚人的 23.7 億美元。

圖 | 基因測序領(lǐng)域公司 IPO 或 M&A 退出前融資總額（來源：CB Insights 中國） 巨量資本的哺育下基因測序行業(yè)的良性生態(tài)已在構(gòu)成。從全球基因測序領(lǐng)域融資總額最高的 10 家公司來看，腫瘤早篩公司 GRAIL 以 20 億美元的融資額一騎絕塵，緊隨其后的二代測序儀制造商華大智造的總?cè)谫Y額超 12 億美元，納米孔測序技術(shù)開創(chuàng)者牛津納米孔（Oxford Nanopore Technologies，ONT）位居第三。融資額前 10 的企業(yè)中有上游測序儀制造商，也有類似于 23andMe 這樣直接面向消費(fèi)者提供基因測試的中下游應(yīng)用商，整個(gè)基因測序行業(yè)的良性生態(tài)已在逐步構(gòu)成。

圖 | 全球基因測序領(lǐng)域 10 家融資額最高的公司（來源：CB Insights 中國） 中國已成為美國之外最大的基因測序投資目的地過去的幾年中，美國是基因測序領(lǐng)域最大的投資熱土，但隨著初創(chuàng)公司尋求改善遺傳數(shù)據(jù)的多樣性，資本開始對位于美國之外的基因組測序公司的投資有了顯著增長。而對 Covid-19 基因測試的需求則進(jìn)一步加快了資本流動(dòng)趨勢，目前中國為除美國之外在基因測序領(lǐng)域融資交易成交數(shù)量最多的國家。 對基因數(shù)據(jù)多樣性的需求開始推動(dòng)資本望向美國之外。精準(zhǔn)醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)依賴于基因組學(xué)技術(shù)，但到目前為止，距離實(shí)現(xiàn)真正的精準(zhǔn)醫(yī)療還有很長一段路要走。在某種程度上這是由于基因組數(shù)據(jù)集缺乏多樣性，目前的數(shù)據(jù)組成嚴(yán)重偏向來自于歐洲的樣本，但是整個(gè)歐洲的人口卻整體開始走上負(fù)增長的道路，因此收集和分析來源更多、更多樣的基因組學(xué)數(shù)據(jù)將是精確醫(yī)療真正落地的關(guān)鍵因素。在美國以外（Outside the United States，OUS）的其他國家，出現(xiàn)了許多初創(chuàng)基因組公司有望促成基因數(shù)據(jù)多樣性的最后閉環(huán)，嗅到了趨勢的資本紛紛跟進(jìn)。

圖 | 除美國之外（OUS）其余國家基因組學(xué)相關(guān)投融資交易數(shù)量占比分布，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截至 2020 年 8 月 10 號（來源：CB Insights 中國） 中國是除美國之外基因組學(xué)市場最成熟的國家。全球流向 OUS 基因組學(xué)初創(chuàng)公司提供的總資金增長迅速，自 2015 年以來增長了近 7.5 倍，預(yù)計(jì)今年將達(dá)到 2.4 億美元。自 2020 年初迄今，OUS 公司已占全球總交易量的 60％，而 2017 年這一數(shù)值僅為 39％。而中國則是 OUS 基因組學(xué)最成熟的市場，根據(jù) CB Insights 中國 的數(shù)據(jù)，在過去 5 年內(nèi)基因測序領(lǐng)域 OUS 最大的 10 次融資中，中國公司占了 9 次。

頂級 VC 們在基因測序領(lǐng)域的新關(guān)注點(diǎn) 為了更好的分析與把握 Healthcare 領(lǐng)域的投資趨勢，CB Insights 根據(jù)投資組合估值和投資結(jié)果在全球范圍內(nèi)選擇了 25* 家頂級 Healthcare 健領(lǐng)域的風(fēng)投公司，即“25 Healthcare Smart Money investors”。以下為這 25 家 VC 在基因測序行業(yè)的布局及他們所關(guān)注的新興主題的簡要分析。

* 25 家 Healthcare 領(lǐng)域全球頂級 VC（來自 CB Insights 數(shù)據(jù)庫）：AbingworthAlta PartnersARCH Venture PartnersAtlas VenturesCasdin CapitalDeerfield ManagementF-Prime CapitalFlagship PioneeringForbion Capital PartnersForesite CapitalFounders FundGeneral CatalystKleiner Perkins Caufield & ByersNew Enterprise AssociatesNew Leaf Venture PartnersOmega Fund ManagementOrbiMed AdvisorsPolaris PartnersQiming Venture PartnersSequoia CapitalSequoia Capital ChinaThe Column GroupThird Rock VenturesVenbioVenrockCOVID-19 大流行背景下頂級 VC 們對基因測序領(lǐng)域投資仍保持強(qiáng)勁態(tài)勢 2016 年至 2017 年，隨著基因組學(xué)的精準(zhǔn)醫(yī)療應(yīng)用開始出現(xiàn)勢頭，這 25 家 Healthcare 風(fēng)投向基因組公司投入的資金暴增超過 400%。

在此之前，2015 年與基因泰克（Genentech）合作的 23andMe 以及 2015-2016 年與 Illumina 合作的 Helix 這兩家著名的基因測序領(lǐng)域初創(chuàng)公司都獲得了巨大的商業(yè)關(guān)注。在此之后，在 2017 年液體活檢公司 GRAIL 在 B 輪融資中獲得了史無前例的 9.14 億美元以繼續(xù)支撐其對腫瘤早篩產(chǎn)品的開發(fā)，此輪融資由 ARCH Venture Partners 領(lǐng)投、強(qiáng)生跟投。

圖 | 全球 Healthcare 領(lǐng)域 25* 家頂級 VC 自 2016 年以來在基因組學(xué)領(lǐng)域的投資布局，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截至 2020 年 9 月 21 號（來源：CB Insights 中國） 在 2017 年之后的 2018 年、2019 年以及 2020 年迄今為止，盡管這些頂級 VC 們在基因組學(xué)領(lǐng)域的投資總額沒有超過 2017 年的水平（當(dāng)然 2017 年 GRAIL 一家便貢獻(xiàn)了當(dāng)年基因組學(xué)領(lǐng)域融資總額的近 40%），但出手?jǐn)?shù)量一直保持在較高水平，預(yù)計(jì) 2020 年可與歷史峰值持平。 盡管 COVID-19 全球大流行帶來了巨大的不確定性，但預(yù)計(jì)到 2020 年，基因?qū)W公司獲得頂級 VC 的資金支持將逐年增長。并且隨著融資規(guī)模的中位值從兩年的 6000 萬美元躍升至如今的 1 億美元，聰明的頂級 VC 們正在這個(gè)領(lǐng)域增加籌碼。 頂級 VC 們開始關(guān)注人類基因組測序之外的新方向 自人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)以來，人類基因組學(xué)與基因測序一直是基因組學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但隨著測序成本的持續(xù)下降以及測序能力的不斷提升，Healthcare 領(lǐng)域頂級 VC 們也開始將部分目光投向單純基因測序以外的領(lǐng)域。包括從事非人類基因組研究的公司，以及利用基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷和精準(zhǔn)醫(yī)療等應(yīng)用的公司。

圖 | 全球 Healthcare 領(lǐng)域 25* 家頂級 VC 在基因測序各細(xì)分領(lǐng)域投資數(shù)量占比，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截至 2020 年 9 月 21 號（來源：CB Insights 中國） 非人類基因組測序 自 2018 年以來，頂級 VC 們在基因組學(xué)大領(lǐng)域的總投資額中 29% 投向了基因測序公司。最近部分這些資金開始向非人類基因組測序領(lǐng)域流動(dòng)。General Catalyst 投資了一家分析微生物細(xì)胞游離 DNA 的初創(chuàng)公司 Karius，他們可以直接從血液樣本中識別出 1000 多種病原體以為醫(yī)生的臨床判斷提供參考。

此外，測序技術(shù)在人類醫(yī)療保健領(lǐng)域之外的應(yīng)用也受到了關(guān)注。F-Prime Capital 牽頭為 Embark Veterinary 注入了 1000 萬美元的 A 輪融資，該公司正在針對狗開發(fā)一種可以追蹤 20 萬種基因標(biāo)記的全面 DNA 測序，可以為祖源分析以及對遺傳疾病風(fēng)險(xiǎn)和遺傳特性分析提供關(guān)鍵參考。 診斷領(lǐng)域新機(jī)會(huì) 自 2018 年以來，對診斷技術(shù)的投資占去了頂級 VC 們在基因組學(xué)大領(lǐng)域中總投資額的 25％。該領(lǐng)域的公司可以快速輕松地幫助使用者評估遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素和疾病亞型，為醫(yī)生和患者提供參考金標(biāo)準(zhǔn)。由 Casdin Capital 投資的 Singular Bio 在2019年被 Invitae 收購，Singular Bio 開發(fā)了非侵入性產(chǎn)前篩查技術(shù)，可以為女性提供胎兒的遺傳信息以提前預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)。

“下注”精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)旨在利用基因組學(xué)為患者提供量身定制的治療方法，即在合適的時(shí)間點(diǎn)為合適的患者提供合適的藥物。頂級 VC 們已經(jīng)開始投資那些根據(jù)遺傳數(shù)據(jù)來為病患提供精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)服務(wù)的公司。Polaris Partners 和 Casdin Capital 投資的 Kallyope 已經(jīng)完成了 2.43 億美元的總?cè)谫Y，Kallyope 通過整合測序、生物信息學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)、細(xì)胞和分子生物學(xué)以及人類遺傳學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)以釋放腸腦軸的治療潛力。 更為“用戶友好”的基因組學(xué) 隨著基因組數(shù)據(jù)變得越來越豐富，能夠使終端用戶（通常是測序、診斷或醫(yī)療服務(wù)提供商）能夠輕松整合、分析這些數(shù)據(jù)的分析平臺正越來越受到青睞。

頂級 VC 們已經(jīng)向從事基因組分析或開發(fā)相關(guān)分析軟件的初創(chuàng)公司投入了大量資金。 Tempus 已經(jīng)從包括 New Enterprise Associates 在內(nèi)的資本方籌集了 6.2 億美元資金，用于建立分子數(shù)據(jù)庫、臨床數(shù)據(jù)庫及算法庫以最終實(shí)現(xiàn)對癌癥的個(gè)性化護(hù)理。通過結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件提供測序服務(wù)，Tempus 可以通過對基因組數(shù)據(jù)的分析實(shí)時(shí)協(xié)助醫(yī)生做出決策，為醫(yī)生創(chuàng)造價(jià)值。

NGS 引領(lǐng)基因測序黃金十年

基因測序技術(shù)已經(jīng)發(fā)展迭代至第四代。第一代基因測序法即 Sanger 法測序，是根據(jù)核苷酸在某一固定的點(diǎn)開始，隨機(jī)在某一個(gè)特定堿基處終止，并且在每個(gè)堿基后面進(jìn)行熒光標(biāo)記產(chǎn)生以 A、T、C、G 結(jié)束的四組不同長度一系列核苷酸，然后在尿素變性 PAGE 膠上電泳進(jìn)行檢測，從而獲得可見的 DNA 堿基序列。 第二代基因測序技術(shù)即目前應(yīng)用最廣泛的 NGS 測序，核心思想是邊合成邊測序或邊連接邊測序，通過物理或化學(xué)的方式將模板 DNA 隨機(jī)打斷成小片段并通過 PCR 對文庫進(jìn)行擴(kuò)增，同時(shí)對幾十萬到幾百萬條 DNA 模板進(jìn)行測序，最后通過生物信息學(xué)分析將小片段拼接成長片段。

第三代基因測序技術(shù)為單分子熒光測序技術(shù)，應(yīng)用了邊合成邊測序的思想，并以 SMRT 芯片為測序載體，芯片上有很多小孔，每個(gè)孔中均有 DNA 聚合酶。測序基本原理是：DNA 聚合酶和模板結(jié)合，4 色熒光標(biāo)記 4 種堿基 （即是dNTP），在堿基配對階段，不同堿基的加入，會(huì)發(fā)出不同光，根據(jù)光的波長與峰值可判斷進(jìn)入的堿基類型。 第四代基因測序技術(shù)為納米孔單分子測序技術(shù)，其基于電信號的納米孔單分子測序技術(shù)，在多聚合物膜上布滿穿膜孔的跨膜通道蛋白（納米孔）的基礎(chǔ)上，由DNA馬達(dá)蛋白牽引，解旋成單鏈的核酸勻速通過納米級的孔蛋白。在孔蛋白兩側(cè)施加的電壓作用下，不同的堿基會(huì)形成特征性離子電流變化信號，經(jīng)過后期對電信號的采集、處理、分析來識別堿基。

圖 | 歷代基因測序儀代表廠商及其各平臺產(chǎn)品面世編年表（來源：CB Insights 中國） NGS 引領(lǐng)基因測序黃金十年。過去十年來，在基因組學(xué)研究中占主導(dǎo)地位的 DNA 測序技術(shù)無疑是 NGS，NGS 利用逐個(gè)合成方法來確定 DNA 中核苷酸的順序。NGS 測序技術(shù)可以較低的批量生產(chǎn)成本產(chǎn)生高度準(zhǔn)確（大于99.9％）的測序讀段，已經(jīng)成為了當(dāng)前臨床和研究測序的金標(biāo)準(zhǔn)。在過去的十年中，NGS 已經(jīng)助力了無數(shù)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，通過發(fā)現(xiàn)病原體變體，包括單核苷酸變體，拷貝數(shù)變體以及插入或缺失，增強(qiáng)了人類對進(jìn)化、適應(yīng)性和疾病的理解。更為重要的是，NGS 的高通量使其可以用作數(shù)字讀出的一種分析方法來研究多種生物現(xiàn)象，包括染色質(zhì)可及性、轉(zhuǎn)錄因子占用、基因表達(dá)和 RNA 結(jié)合等諸多應(yīng)用場景。

目前全球基因測序行業(yè)的基石依然還是 NGS 測序儀。通過 NGS 這一平臺基礎(chǔ)，眾多面向終端用戶的臨床、醫(yī)療類的基因檢測服務(wù)提供商紛紛涌現(xiàn)，服務(wù)內(nèi)容涵蓋無創(chuàng)產(chǎn)前基因檢測、腫瘤液體活檢（伴隨診斷、早篩）、遺傳缺陷基因檢測、病原微生物檢測、疾病風(fēng)險(xiǎn)評估等。 腫瘤液體活檢是當(dāng)下 NGS 最火的應(yīng)用賽道 相對于醫(yī)學(xué)影像、穿刺活檢、腫瘤標(biāo)志物檢測等傳統(tǒng)腫瘤診斷技術(shù)，液體活檢的采樣更為方便、可檢測類型多。液體活檢技術(shù)僅需采集患者 5-10ml 血液，通過檢測血液中遺傳信息，即可覆蓋癌癥診斷與治療的全部領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的檢測方式相比，液體活檢在 NGS 平臺的支撐下把腫瘤發(fā)現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)從“發(fā)病期”提前到了“潛伏期”，可達(dá)到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早治療的目的。在 2015 年，液態(tài)活檢技術(shù)入選《麻省理工科技評論》年度十大科技突破。

圖 | 四種常用腫瘤診斷技術(shù)對比（來源：CB Insights 中國） 液體活檢之于早篩：多數(shù)癌癥的早期治愈率可達(dá)到 90% 以上，發(fā)展惡化到了中晚期時(shí)治愈率則會(huì)急劇下降。目前常規(guī)的醫(yī)學(xué)影像學(xué)和腫瘤標(biāo)記物檢測的特異性、敏感性以及標(biāo)準(zhǔn)化程度幾乎無法在人體內(nèi)探測到極早期數(shù)量極少的腫瘤細(xì)胞，通常癌癥在發(fā)展至中晚期時(shí)才會(huì)在常規(guī)體檢中顯示出異常信息。所以精確的早篩將對癌癥治愈率的提高至關(guān)重要。 液體活檢之于伴診（診斷、用藥指導(dǎo)、后期監(jiān)控）：在腫瘤治療過程中，也存在藥物的選擇和實(shí)時(shí)調(diào)整的需求。相同癌癥具有的不同突變可能對不同的藥物產(chǎn)生耐受，并且病人在開始接受治療后也會(huì)有相當(dāng)比例會(huì)出現(xiàn)耐藥的情況。而液體活檢分析則可幫助醫(yī)生判斷病人腫瘤的突變類型及其在治療過程中的變化，以有針對性地制定用藥方案，從而有效提高療效。

圖 | 以 ctDNA 為例展示液體活檢在腫瘤發(fā)病全周期內(nèi)作用節(jié)點(diǎn)，非實(shí)際診療過程（來源：CB Insights 中國） 腫瘤早篩是增速最大的 NGS 應(yīng)用場景。CB Insights 中國 預(yù)計(jì)到 2023 年液體活檢應(yīng)用于早篩的市場規(guī)模將達(dá)到 3.44 億美元，15 倍于 2018 年 2300 萬美元的市場規(guī)模，是 NGS 增長速率最大的應(yīng)用場景。目前專注于此領(lǐng)域的公司包括 GRAIL、Freenome、Thrive Early Detection、Guardant Health 等。 NGS 治療指導(dǎo)是當(dāng)下市場規(guī)模最大、液體活檢企業(yè)最為聚集的細(xì)分場景。CB Insights 中國 預(yù)計(jì)到 2023 年，該領(lǐng)域全球市場規(guī)模將達(dá)到 11 億美元。治療指導(dǎo)的主要作用是使用 NGS 幫助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)對患者的精準(zhǔn)用藥，當(dāng)然還可進(jìn)行檢測療效反應(yīng)、發(fā)現(xiàn)耐藥機(jī)制、追蹤腫瘤演繹過程等工作。該領(lǐng)域中國公司已有燃石醫(yī)學(xué)和泛生子先后登錄納斯達(dá)克，泛生子更是實(shí)現(xiàn)了史上最大癌癥精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) IPO。

圖 | 不同應(yīng)用場景下，全球癌癥液體活檢的市場規(guī)模，單位百萬美元（來源：CB Insights China） 除腫瘤液體活檢之外，NGS 在單細(xì)胞分析、病原微生物檢測等領(lǐng)域也大放異彩，更多相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)秀企業(yè)分析可參考 CB Insights 中國此前發(fā)布的《中國最具前景的 41 家分子診斷公司》榜單報(bào)告及《引領(lǐng)腫瘤液體活檢的 28 家中國企業(yè)》榜單報(bào)告。

亟待越過的 NGS 壟斷大山 長期以來，中國的上游基因測序設(shè)備及耗材供應(yīng)基本為外資企業(yè)所壟斷，NGS 關(guān)鍵技術(shù)掌握在包括 Illumina 在內(nèi)的歐美生產(chǎn)商手里。整個(gè) NGS 液體活檢行業(yè)對 Illumina 的測序儀及配套試劑依賴嚴(yán)重，從而導(dǎo)致了居高不下的檢測成本。 Illumina 幾乎壟斷全球二代測序儀市場。根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前全球范圍內(nèi)的 NGS 基因測序儀不足 8000 臺，分布于 60 多個(gè)國家和地區(qū)，其中 Illumina 公司的 HiSeq 2000、Genome Analyser 2x、MiSeq 和 NextSeq 等測序平臺市場份額占比高達(dá) 83.9%；賽默飛的 SOLiD、Ion Torrent 和 Ion Proton 等測序平臺市場份額占到 9.9%；Roche 公司的 454 平臺市場份額占比 5.3%。Illumina 和 Thermo Fisher 設(shè)備占比超過 90%，上游基因測序設(shè)備制造已形成壟斷。

圖 | 全球二代測序儀市場構(gòu)成（來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，CB Insights 中國） 雖然華大智造發(fā)展迅猛，但下游應(yīng)用企業(yè)平臺遷移成本巨大。在 NGS 測序儀器幾乎被寡頭壟斷的環(huán)境下，NGS 下游應(yīng)用企業(yè)購買儀器運(yùn)行所需的耗材和試劑時(shí)基本上不具有議價(jià)能力。盡管目前華大智造勢頭迅猛，但由于更換全套體系存在巨大的遷移成本，對于使用 NGS 的液體活檢廠商來說，換用測序設(shè)備需要將整個(gè)已經(jīng)建成的核酸 NGS 體系全部推倒，然后在新的 NGS 平臺上進(jìn)行重新構(gòu)建，所以目前國產(chǎn)二代測序儀的發(fā)展依然面臨著巨大的壓力。

新的選項(xiàng)——第四代納米孔測序 將如 NGS 這樣的短讀長測序技術(shù)更廣泛地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)變異檢測和基因組組裝中時(shí)，它的缺點(diǎn)就開始逐步顯現(xiàn)：基因讀取長度有限。短讀長測序儀如 Illumina 的 NovaSeq、HiSeq、NextSeq 和 MiSeq 測序儀；華大智造的 MGISEQ 和 BGISEQ 測序儀或者 Thermo Fisher 的 Ion Torrent 測序儀讀取長度為 600 個(gè)堿基，這就意味著有超過 70％ 的人類基因組結(jié)構(gòu)變異（即影響序列長于 50bp 的變異）無法在 NGS 平臺上被檢測到。 此外，人類超過 15% 的基因組仍然無法實(shí)現(xiàn)裝配或發(fā)現(xiàn)變異，因?yàn)檫@些基因組上有著重復(fù)序列或非典型的 GC 含量。

例如，當(dāng)某段基因的 GC 含量超過 45％ 時(shí)，即使沒有經(jīng)過 PCR 擴(kuò)增，短讀基因組文庫的序列覆蓋率也會(huì)下降兩倍，這極大的限制了對基因組中一些最重要的功能區(qū)域進(jìn)行研究從而發(fā)現(xiàn)遺傳變異的機(jī)會(huì)。 基因組中這些難以探測的、大量的串聯(lián)重復(fù)序列占主導(dǎo)的區(qū)域包括著絲粒、端粒和頂體基因組，并且更值得關(guān)注的是，這些區(qū)域不管是在生殖細(xì)胞還是體細(xì)胞中都有著最高的突變率。然而這些最易變的區(qū)域在此前并未能被充分研究，這些 NGS 現(xiàn)有的局限性也使得開發(fā)能夠檢測基因組中這些更復(fù)雜和動(dòng)態(tài)區(qū)域的方法變得更有必要且更為急迫。 “長讀長測序技術(shù)的出現(xiàn)照亮了過去從未看到的基因組的黑暗角落”。理想的測序方式應(yīng)該是對原始的 DNA 模板進(jìn)行直接、準(zhǔn)確測序且不受讀長的限制。

早在 20 世紀(jì) 80 年代，研究人員已經(jīng)開始為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)而努力，雖然其中的很多嘗試都失敗了，但是第三代單分子實(shí)時(shí)測序技術(shù)和第四代納米孔測序技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)了長讀長、單分子測序，再次顛覆了測序領(lǐng)域。這些技術(shù)一次可讀取長達(dá)數(shù)萬堿基的片段，大大降低了拼接難度，更重要的是大大減少了過去無法定位的漏洞。有學(xué)者稱“長讀長測序技術(shù)的出現(xiàn)照亮了過去從未看到的基因組的黑暗角落”。 長讀長測序技術(shù)可輕松完成人類基因組最重復(fù)區(qū)域的讀取。與短讀長方法相比，長讀長技術(shù)可以直接讀取長度在 10kb 到數(shù)兆堿基之間的天然 DNA 連續(xù)序列，近年來在通量和準(zhǔn)確性上的新進(jìn)展也大大提高了其實(shí)用性和可用度。

PacBio 和 ONT 的測序技術(shù)均產(chǎn)生可輕松完成人類基因組最重復(fù)區(qū)域的讀段，但兩者之間在測序原理上的根本差異會(huì)影響其讀長、堿基準(zhǔn)確度和通量。 長讀長測序可以改善從頭測序、鑒定的準(zhǔn)確性、轉(zhuǎn)錄亞型鑒定以及結(jié)構(gòu)變異的檢測。此外，對 DNA 和 RNA 的長讀長測序可消除 PCR 擴(kuò)增所導(dǎo)致的偏差，同時(shí)保留對堿基修飾的檢測。長讀長測序這些優(yōu)勢能力，以及其在測序準(zhǔn)確性、通量和降低成本方面的不斷迭代進(jìn)步，已經(jīng)使其開始成為對模式和非模式生物在廣泛的基因組學(xué)研究中的新選擇。 未來十年，全球長讀長測序市場將以 24% 的年復(fù)合增長率持續(xù)增長。根據(jù) Straits Research 的數(shù)據(jù)，2019 年長讀長測序市場規(guī)模估計(jì)為 9.74 億美元，預(yù)計(jì)在 2020 年到 2029 年之間將會(huì)以 24% 的年復(fù)合增長率增長。市場規(guī)模的預(yù)期增長可以歸因于長讀長測序技術(shù)包括 SMRT 和納米孔測序技術(shù)的快速進(jìn)步以及順利的商業(yè)化落地進(jìn)程。

圖 | 全球長讀長測序（三代/四代測序）市場規(guī)模（來源：Straits Research，CB Insights 中國） 遺傳性和代謝性疾病篩查為主要增長動(dòng)力之一。全球范圍內(nèi)遺傳性疾病的日益增多使基因組學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)支出激增。根據(jù) WHO 的資料，鐮狀細(xì)胞貧血是一種嚴(yán)重的遺傳性疾病，每年超過 72000 名新生嬰兒患有此??；在英國每年超過 6000 人診斷出遺傳性血友病。隨著基因治療的發(fā)展和人們對產(chǎn)前診斷意識的不斷提高，新生兒篩查的普及率在不斷提高、改善患者生活質(zhì)量的意愿在不斷加強(qiáng)，這些因素一并為市場增長提供了動(dòng)力。 對人類基因組的科研活動(dòng)的巨額投資也在催化市場增長。根據(jù) Battelle 的數(shù)據(jù)，從 2009 年到 2014 年間亞洲地區(qū)在基因組測序領(lǐng)域的研發(fā)投資增加了 7％。此外，全球測序行業(yè)巨頭也在開展廣泛的研究，以開發(fā)更為創(chuàng)新的長讀長測序技術(shù)，從而獲得競爭優(yōu)勢，MinION、GridION、PromethION、PacBio RS System、Sequel System 等測序儀器推陳出新，廣泛應(yīng)用于人類基因組學(xué)、癌癥、表觀遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組分析中的基因測序過程，進(jìn)一推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。

圖 | 中國長讀長測序（三代/四代測序）市場規(guī)模及應(yīng)用領(lǐng)域分布走勢（來源：Grand View Research，CB Insights 中國） 單分子實(shí)時(shí)測序和納米孔測序這兩種技術(shù)在當(dāng)下長讀長測序領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。SMRT 和納米孔測序技術(shù)分別于 2011 年和 2014 年商業(yè)化發(fā)布，目前 SMRT 技術(shù)的主要擁有者及實(shí)踐者為 Pacific Biosciences，納米孔測序技術(shù)則由牛津納米孔領(lǐng)銜，中國的齊碳科技也于 2020 年 9 月發(fā)布了首款自主研發(fā)的納米孔測序儀 QNome-9604。

圖 | 長讀長和短讀長技術(shù)和平臺的數(shù)據(jù)類型、讀長、精度、測序通量和成本（來源：Nature，CB Insights 中國） 在普通模式下，四代納米孔測序儀的讀長和精度均優(yōu)于 PacBio 三代測序儀。通過產(chǎn)生數(shù)百至數(shù)千堿基的連續(xù)序列，ONT 讀長度可以超過 PacBio 讀長度至少一個(gè)數(shù)量級。通過 ONT 測序產(chǎn)生的最常見的 read 類型是標(biāo)準(zhǔn)的 ONT long read，Nature 的分析表明，這一模式下 ONT 讀取的長度一般為 10-100kb，平均準(zhǔn)確率為 87-98%，在 raw ONT long reads 中，約有 91% 的均聚物被準(zhǔn)確地稱為至少5個(gè)堿基長的均聚物，比 PacBio 常用的 CLRs 模式高 3 個(gè)百分點(diǎn)。

圖 | SMRT 及納米孔測序原理對比（來源：Nature，CB Insights 中國） 相對于 NGS，納米孔測序儀仍有頗多亮點(diǎn)。納米孔測序儀讀長更長，更適合檢測基因組結(jié)構(gòu)變異，進(jìn)行宏基因組測序；可以實(shí)時(shí)輸出測序結(jié)果，因而可用于即時(shí)檢測和快速診斷；可直接檢測過孔核酸，所以能檢測 DNA 甲基化、RNA 及其修飾；文庫制備簡單，便于提供一站式解決方案；同時(shí)，它的儀器本身小巧便攜，能把基因測序從專業(yè)實(shí)驗(yàn)室里解放出來，走進(jìn)基層、社區(qū)，隨時(shí)隨地現(xiàn)場檢測，極具消費(fèi)級應(yīng)用的潛力。 實(shí)時(shí)和便攜 納米孔測序不需要成像設(shè)備來檢測核苷酸，從而可以將系統(tǒng)縮小到便攜式水平。例如牛津納米孔的 MinION Mk1B 設(shè)備僅重 90 克，尺寸僅為 3.3×10.5×2.3 厘米，可實(shí)現(xiàn)單手握持。與其他大規(guī)模并行測序儀相比該設(shè)備的成本也低得多，包括設(shè)備和試劑在內(nèi)的初始成本僅為 1000 美元左右。

可以通過移動(dòng) PC 總線供電的納米孔測序儀的出色便攜性彌補(bǔ)了現(xiàn)場測序的空缺，它的便攜性已經(jīng)在諸如煤田、北極、南極洲甚至國際空間站這樣的極端地方得到了驗(yàn)證。在太空飛行中發(fā)掘細(xì)菌和病毒是很困難的事情，所以大部分研究是將樣品帶回地球進(jìn)行測序鑒定，但得益于納米孔測序儀的便攜性，目前 NASA 已經(jīng)開始利用納米孔測序儀在國際空間站進(jìn)行病菌的實(shí)時(shí)測序。 納米孔測序儀也被用于監(jiān)視醫(yī)療資源有限的地區(qū)的病毒暴發(fā)。WHO 于 2016 年宣布寨卡病毒爆發(fā)為國際公共衛(wèi)生緊急事件，并建立了巴西寨卡病毒實(shí)時(shí)分析（ZiBRA）項(xiàng)目，使用 MinION 測序儀從臨床樣品中快速獲得寨卡病毒的完整基因組以對來自巴西的一千個(gè)基因組進(jìn)行測序以監(jiān)測流行病學(xué)信息；該項(xiàng)目組還開發(fā)了一種利用納米孔測序儀的基因組監(jiān)測系統(tǒng)，用于西非埃博拉疫情的監(jiān)控，該系統(tǒng)在接收血樣后只需 15-60 分鐘的測序時(shí)間就可以出檢測結(jié)果，無需承擔(dān)運(yùn)送危險(xiǎn)標(biāo)本的風(fēng)險(xiǎn)即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場病毒檢測。 實(shí)時(shí)分析 DNA/RNA 序列。

對于臨床實(shí)踐，實(shí)時(shí)獲取和分析 DNA/RNA 序列是一件很重要的事情。對于傳統(tǒng)的 NGS 測序，做到這一點(diǎn)非常不易。但對于納米孔測序儀，實(shí)現(xiàn)起來相對容易。這不僅是因?yàn)榧{米孔測序儀體積小，易操作等，更是因?yàn)樵跍y序過程中單分子穿過納米孔時(shí)電流變化可以被檢測并識別的，這一設(shè)計(jì)允許用戶在測序過程中根據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)果做出一些及時(shí)的判斷。 檢測結(jié)構(gòu)變異NGS 對與人類健康密切相關(guān) DNA 結(jié)構(gòu)變異的檢測束手無策。

雖然 NGS 在識別單核苷酸變體（SNV）和小的插入和缺失（indels）方面表現(xiàn)良好，但其并不適合檢測較大的序列變化，類似于插入，缺失，重復(fù)，倒位或易位這些影響 ≥50bp 的結(jié)構(gòu)變異（SV）更適合于長讀長測序。盡管結(jié)構(gòu)變異是基因組之間多樣性的重要來源并且與人類健康密切相關(guān)，但是由于過去 NGS 的技術(shù)局限性，對這種結(jié)構(gòu)變異的研究仍很少。 適當(dāng)?shù)拈L讀長測序深度便足以檢測出人類的致病 SV。納米孔測序跨重復(fù)元素或重復(fù)區(qū)域的能力提供了獨(dú)特的定位點(diǎn)，從而有利于從頭測序和結(jié)構(gòu)變異檢測。甚至相較于納米孔測序讀長相對較短 SMRT 測序的讀數(shù)也可以鑒定人類基因組中之前 NGS 技術(shù)所無法檢出的結(jié)構(gòu)變異。

目前長讀長測序?qū)Σ溉閯?dòng)物基因組的深度測序成本仍然較高，但是對于人類一般的致病病變適度的測序深度可能就足夠了：根據(jù) 2019 年一份發(fā)布于 Nature 的研究數(shù)據(jù)，8.6 乘 SMRT 測序深度或者 15 到 17 乘納米孔測序深度就已經(jīng)足夠可以檢測出人類的致病變異。 檢測堿基修飾在 NGS 觸不可及的核酸堿基修飾檢測領(lǐng)域，納米孔測序的識別精度已最高可達(dá) 98%。核酸堿基修飾在真核生物的一系列細(xì)胞過程中起到了不可或缺的關(guān)鍵作用，尤其是在基因表達(dá)調(diào)控方面。NGS 技術(shù)無法直接檢測天然 DNA 中的堿基修飾，而納米孔測序?qū)μ烊?DNA 和 RNA 進(jìn)行單分子測序則可以檢測單個(gè)核苷酸的修飾。根據(jù)發(fā)布于 Nature 的最新研究數(shù)據(jù)，目前在已知序列的背景下，納米孔測序?qū)δ繕?biāo)堿基修飾的鑒別精度范圍已經(jīng)可以達(dá)到 92％ 至 98％ 。

檢測堿基修飾可助力洞察 DNA 損傷。除了典型的 A、T、C 和 G 堿基，DNA 還可以包含在不同生物和組織中性質(zhì)和出現(xiàn)概率不同的修飾堿基。比如在細(xì)菌中常見的 N 6-甲基ladenine（6mA）、4-甲基胞嘧啶（4mC）和 5-甲基胞嘧啶（5mC）。而 5mC 也是真核生物中最常見的堿基修飾，其氧化衍生物 5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC）在某些哺乳動(dòng)物細(xì)胞類型中被檢測到。

并且更多的堿基修飾是由 DNA 損傷導(dǎo)致的，所以對堿基修飾的檢測意義重大。 RNA 堿基修飾檢測仍可深挖。組成 RNA 的核苷酸甚至更多， 迄今為止已有超過 150 個(gè)在 RNA 上的堿基修飾被發(fā)現(xiàn)，這些修飾也具有對應(yīng)的功能性作用，如影響 mRNA 穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)錄抑制以及影響翻譯效率等。然而，由于現(xiàn)有測序技術(shù)的限制，大多數(shù) RNA 修飾仍然無法被表征，但是隨著納米孔測序技術(shù)的不斷迭代推進(jìn)，對 RNA 堿基修飾的探測也將進(jìn)一步深入，這在某種意義上也將為生命科學(xué)的發(fā)展帶來新的深刻影響。

圖 | 納米孔測序不需要擴(kuò)增、鏈合成或亞硫酸氫鹽轉(zhuǎn)化，可減少偏差，并允許檢測核苷酸序列旁的修飾堿基（來源：Oxford Nanopore Technologies，CB Insights 中國） 納米孔測序?yàn)樘剿鞅碛^遺傳異質(zhì)性提供了機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)的核酸修飾檢測依賴于對核酸進(jìn)行特定的化學(xué)處理（例如，亞硫酸氫鹽轉(zhuǎn)化將未甲基化的胞嘧啶變?yōu)槟蜞奏ぃ┗蛎庖叱恋?，然后再進(jìn)行測序，但這一過程可能會(huì)對 DNA 產(chǎn)生損壞。納米孔測序平臺的出現(xiàn)顛覆了這一流程，其可以幫助實(shí)現(xiàn)在無需損壞 DNA 前提下以單分子的分辨率對更多的堿基修飾進(jìn)行檢測，為探索表觀遺傳異質(zhì)性提供了機(jī)會(huì)。

全長轉(zhuǎn)錄組測序分析克服 NGS 讀長短導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄本結(jié)構(gòu)不完整的缺陷，納米孔測序可無需組裝直接識別轉(zhuǎn)錄本。轉(zhuǎn)錄本非常多樣和復(fù)雜，絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物的基因不符合“一基因一轉(zhuǎn)錄本”的模式，這些基因往往存在多種剪切形式。雖然 NGS 可以很準(zhǔn)確地進(jìn)行基因的表達(dá)及定量的研究，但是由于其讀長的限制，基于短讀長測序平臺的轉(zhuǎn)錄組在組裝的過程中存在較多的嵌合體，所以無法準(zhǔn)確地得到完整轉(zhuǎn)錄本的信息，從而對后面的表達(dá)量分析、可變剪接、基因融合等分析造成了較大的影響。而納米孔測序技術(shù)實(shí)現(xiàn)的全長轉(zhuǎn)錄組測序可克服傳統(tǒng)二代轉(zhuǎn)錄組 Unigene 拼接較短、轉(zhuǎn)錄本結(jié)構(gòu)不完整的缺陷，可直接獲得單個(gè) RNA 分子從 5’ 端到 3’ 端的高質(zhì)量全部轉(zhuǎn)錄組信息。

圖 | 納米孔長讀長可以跨越全長轉(zhuǎn)錄本，簡化其鑒定（來源：Oxford Nanopore Technologies，CB Insights 中國） 正不斷得到提升的準(zhǔn)確率通過增加測序深度可將納米孔測序錯(cuò)誤率降至與 NGS 同一水平。較高的測序錯(cuò)誤率是所有長讀長測序平臺的通病，但是這類錯(cuò)誤都屬于隨機(jī)錯(cuò)誤，而隨機(jī)錯(cuò)誤通?？梢酝ㄟ^增加測序深度來解決，分子測序的次數(shù)越多，最終的錯(cuò)誤率就越低。

增加測序深度已經(jīng)被證明可以將錯(cuò)誤率降低到與短讀長相當(dāng)?shù)乃?，甚至更低。新加坡基因組研究院通過環(huán)化模板 DNA 分子、然后利用滾環(huán)擴(kuò)增來擴(kuò)增分子、生成由多個(gè)重復(fù)單元組成的環(huán)狀分子、將這些環(huán)狀分子在測序前被打斷成線性 DNA 鏈、然后再進(jìn)行反復(fù)測序，從而計(jì)算出一致性序列，進(jìn)而提高準(zhǔn)確性。此外，也可以結(jié)合短讀長序列數(shù)據(jù)來獲取序列全貌。另一方面，用于堿基檢出和糾錯(cuò)的生物信息學(xué)的迅速發(fā)展以及文庫制備步驟的優(yōu)化，這一問題正在迅速改善。 同時(shí)納米孔測序的系統(tǒng)通量也在得到大幅提高，例如牛津納米孔最新的 PromethION 系統(tǒng)，單個(gè)流通池可以產(chǎn)生 50–100Gbp 數(shù)據(jù)（MinION 系統(tǒng)的典型產(chǎn)出是 5–10 Gbp），且可以并行運(yùn)行 24 個(gè)流通池。

圖 | 納米孔測序儀優(yōu)勢特性（來源：公開資料，CB Insights 中國） 四代測序是中國企業(yè)在測序儀領(lǐng)域彎道超車的機(jī)會(huì)。在中國，位于基因測序產(chǎn)業(yè)鏈上游的公司屈指可數(shù)。測序儀及其耗材的高價(jià)壟斷嚴(yán)重限制了中下游的發(fā)展，對于市場議價(jià)極不利好。隨著基因測序行業(yè)的發(fā)展，中下游提供各種基因測序產(chǎn)品和服務(wù)的公司層出不窮，全球基因測序市場以前所未有的速度發(fā)展，引領(lǐng)技術(shù)革新是走出基因測序下游產(chǎn)業(yè)競爭紅海的關(guān)鍵，國產(chǎn)替代已成一大趨勢。而四代測序則是中國企業(yè)彎道超車歐美傳統(tǒng)巨頭的一大機(jī)會(huì)。 首款中國國產(chǎn)納米孔測序儀將會(huì)為中國測序行業(yè)帶來正向蝴蝶效應(yīng)。目前國內(nèi)納米孔測序儀行業(yè)的發(fā)展仍處于早期階段，但也已有部分企業(yè)比如齊碳科技已經(jīng)推出相關(guān)測序儀產(chǎn)品，這將對中國測序行業(yè)企業(yè)在保證業(yè)務(wù)安全可持續(xù)、爭取更佳的價(jià)格談判權(quán)等方面帶來微妙而重要的變化。我們有理由相信這一變化將會(huì)隨著中國納米孔測序行業(yè)的不斷發(fā)展而不斷發(fā)酵放大，對行業(yè)發(fā)展起到正向協(xié)同作用。

基因測序行業(yè)頭部公司介紹 Illumina：基因測序行業(yè)的全球龍頭 Illumina（Nasdaq：ILMN）是全球測序公司龍頭，目前市值 464 億美元。業(yè)務(wù)模式優(yōu)異，屬于基因測序行業(yè)中的“刀片模式”。通過儀器投放帶動(dòng)試劑消費(fèi)，其中測序試劑占公司營收約三分之二。 創(chuàng)新能力強(qiáng)，產(chǎn)品覆蓋面廣。公司在基因測序行業(yè)上游優(yōu)勢明顯，所產(chǎn)測序儀可滿足各種規(guī)模的機(jī)構(gòu)。包括適用于低通量環(huán)境下的小型測序儀 MiniSeq、MiSeq 和 NextSeq，工業(yè)級用途的大型測序儀 HiSeq 和 HiSeqX 和現(xiàn)在市面上最強(qiáng)大的測序系統(tǒng) NovaSeq。最新的 NovaSeq 6000 V1.5 版本的測序試劑盒，預(yù)計(jì)可將測序成本降低至 600 美元/WGS，極大的推動(dòng)了大數(shù)據(jù)量需求的應(yīng)用如單細(xì)胞基因組、人全基因組、液體活檢的研究進(jìn)展。后續(xù) NovaSeq Dx 有望成為 NIPT 領(lǐng)域的主力機(jī)型，按照 10M reads /樣本計(jì)算，NovaSeq 一輪最多可完成約 2000 個(gè) NIPT 樣本的檢測工作。

圖 | IIIumina 2018/2019 年全球儀器裝機(jī)量統(tǒng)計(jì)（來源：J.P.Morgan，CB Insights 中國） 2020 年上半年，Illumina 發(fā)布了 TruSight 軟件套裝、DNA PCR-free Prep 建庫試劑盒等產(chǎn)品，并收購了兩家數(shù)據(jù)處理公司 BlueBee 和 Enancio，積極布局測序行業(yè)中下游檢測領(lǐng)域。 華大智造：中國基因測序上游設(shè)備研發(fā)龍頭 華大基因在 2013 年耗資 7.2 億元收購美國測序儀生產(chǎn)商 Complete Genomics（CG），開始布局上游設(shè)備研發(fā)，之后華大智造從華大基因中獨(dú)立。其產(chǎn)品 BGISEQ-500、BGISEQ-50、MGISEQ-2000、MGI-200 四款測序儀均獲得 CFDA 認(rèn)證且實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 DNBSEQ 核心測序技術(shù)和全新的堿基識別技術(shù) CoolMPSTM 等將基因組測序帶入“全高清”時(shí)代，對于更全面和準(zhǔn)確地獲取遺傳信息具有里程碑式的突破意義。

圖 | 華大智造基因測序儀主力機(jī)型介紹（來源：華大智造，CB Insights 中國） 根據(jù)公開資料，公司三年來收入復(fù)合增長率超過 200%，在中國基因測序儀市場占據(jù)約 1/3 的市場份額，全球裝機(jī)量超 1100 臺，涵蓋 16 個(gè)國家及地區(qū)，用戶超過 300 家。2020 年華大智造相關(guān)儀器產(chǎn)能增長超過 400%，8 月成功上市其自主研發(fā)的全球首款全自動(dòng)分杯處理系統(tǒng) MGISTP-7000，15 秒即可完成單個(gè)樣本分裝。實(shí)現(xiàn)了基于 MGISTP-7000 分杯處理系統(tǒng) + MGISP 系列自動(dòng)化核酸提取設(shè)備 + ZLIMS 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)的全套自動(dòng)化解決方案。 牛津納米孔：全球四代測序引領(lǐng)者Oxford Nanopore 公司是四代測序技術(shù)最具代表性的龍頭企業(yè)，旗下產(chǎn)品包括 Flongle、MinION、GridIONMk1、PrometnION 以及在研產(chǎn)品 SmidgION 和 Plongle。 2020年10月 Oxford Nanopore 的 LamPORE 測試已獲 CE-IVD 標(biāo)記，該測試可檢測出導(dǎo)致Covid-19 疾病的病毒 SARS-CoV-2, 臨床數(shù)據(jù)顯示 99.1% 的靈敏性和 99.6% 的特異性，該數(shù)據(jù)展現(xiàn)出了四代測序技術(shù)在臨床應(yīng)用上的巨大潛力。

圖 | Oxford Nanopore 主要產(chǎn)品介紹（來源：牛津納米孔，CB Insights 中國） 齊碳科技：中國四代測序開拓者 齊碳科技自主研發(fā)的四代納米孔單分子基因測序儀 QNome-9604 填補(bǔ)了中國四代測序儀器市場的空白。QNome-9604 與測序芯片 QCell-3841 和測序試劑盒 Qeagen-8 三者配合，可以達(dá)到 150k 以上的超長讀長，8 小時(shí)穩(wěn)定產(chǎn)出 500M。作為中國首款自研納米孔基因測序儀的 QNome-9604 不僅具備超長讀長的單分子基因測序能力，并且可以實(shí)時(shí)輸出測序結(jié)果，單次運(yùn)行成本低，且儀器小型便捷，可以與 NGS 互補(bǔ)提供高性價(jià)比的基因測序解決方案，有望在納米孔基因測序儀賽道實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)歐美測序儀領(lǐng)域巨頭的追趕與超越。公司于 2020 年 5 月 8 日宣布完成 A 輪融資，融資金額超 1 億元人民幣，由高榕資本領(lǐng)投、銀杏谷資本與雅惠投資等老股東跟投完成。

圖 | 齊碳科技主要產(chǎn)品介紹（來源：齊碳科技，CB Insights 中國） PacBio：三代測序技術(shù)代表 Pacific Biosciences of California 于 2004 年成立，目前市值 22.7 億美元。公司是第三代基因測序技術(shù)領(lǐng)域的代表，專注于單分子實(shí)時(shí)測序技術(shù)。產(chǎn)品 Sequel II 和 IIe 系統(tǒng)具有高讀長(10kb 到數(shù)百 kb)，99.999% 的準(zhǔn)確度，無 GC 含量偏差，無需 PCR 擴(kuò)增便可在測序過程中直接檢測堿基修飾等優(yōu)勢。在基因組結(jié)構(gòu)變異，全長 mRNA 可變剪接體檢測，表觀甲基化直接檢測等二代測序難以涉獵的應(yīng)用領(lǐng)域，有廣闊的發(fā)展空間。 依賴其在三代測序領(lǐng)域的絕對實(shí)力，公司與多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)開展合作研究。

2020 年 10 月國際著名遺傳公司 Invitae Corporation (NYSE:NVTA) 與 Pacific Biosciences 展開了癲癇病檢測領(lǐng)域的合作，也促進(jìn)了 Pacific Biosciences 在大規(guī)模全基因組測序計(jì)劃中加速使用高精確度長讀測序平臺的戰(zhàn)略布局。 Grail：癌癥早篩獨(dú)角獸與 NGS 龍頭強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合 Grail 是全球癌癥早篩領(lǐng)域獨(dú)角獸，其癌癥及非癌癥甲基化特征測序數(shù)據(jù)被認(rèn)為是同類數(shù)據(jù)庫中規(guī)模最大的，涵蓋了整個(gè)基因組中約 3000 萬個(gè)甲基化位點(diǎn)，涉及超過 20 種不同階段的癌癥類型。預(yù)計(jì)產(chǎn)品 Galleri 會(huì)在 2021 年投入商用，據(jù)循環(huán)游離基因組圖譜研究結(jié)果顯示，Galleri 的早期版本可以識別出 50 多種癌癥，定位 96% 的樣本中的癌癥信號且正確率達(dá) 93%。

2020年9月21日，癌癥早篩公司 Grail 被基因測序巨頭 Illumina 以 80 億美元的現(xiàn)金和股票對價(jià)收購。Illumina 將利用其全球市場、制造和臨床等業(yè)務(wù)能力，加速 Grail 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化，推動(dòng)其臨床價(jià)值的增長。Grail 也可將 Illumina 的二代測序產(chǎn)品組合擴(kuò)展到癌癥篩查、診斷和癌癥監(jiān)測等各領(lǐng)域。腫瘤早篩催生了千億市場，NGS 早篩產(chǎn)品的商業(yè)化勢在必行，此次 Grail 和 IIIumina 的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合勢必會(huì)在此掀起一番波瀾。 泛生子：基因檢測服務(wù)癌癥早篩 泛生子 2020 年赴美上市，目前市值 10.25 億美金。業(yè)務(wù)模式為“LDT+IVD”雙軌并行，服務(wù)及產(chǎn)品涉及中國前 10 大高發(fā)癌癥中的 8 種。擁有中美雙研發(fā)中心，兩家通過 CAP、CLIA 雙認(rèn)證的醫(yī)療器械生產(chǎn)基地和位于北京、上海、杭州、重慶和廣州的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室。

招股書顯示，泛生子 2017 年、2018 年、2019 年?duì)I收分別為 1.01 億元、2.25 億元、3.23 億元。 目前公司的主力基因測序產(chǎn)品為 GENETRON S5 全新一代半導(dǎo)體測序儀，GENETRON S2000基于聯(lián)合探針錨定聚合（cPAS）技術(shù)開發(fā)的中高通量測序平臺，以及基于泛生子獨(dú)創(chuàng)的“一步法”專利技術(shù)（發(fā)明專利， ZL 201710218529.4）的人類 8 基因突變聯(lián)合檢測試劑盒。該試劑盒只需要 20ngDNA 和 50ng RNA，便可一次性檢測與非小細(xì)胞肺癌靶向治療密切相關(guān)的 8 個(gè)基因：EGFR / ALK / ROS1 / BRAF / KRAS / HER2 / MET / PIK3CA。2020年 9 月 30日，美國 FDA 授予泛生子 (GTH.US) 基于高通量測序技術(shù)（NGS）的肝細(xì)胞癌早篩液體活檢產(chǎn)品 HCCscreen “突破性醫(yī)療器械”（Breakthrough Device Designation）認(rèn)定。

希望組：中國首家長讀長測序服務(wù)公司 為中國首家三代/四代測序服務(wù)公司。擁有牛津納米孔 PromethION 48 四代測序儀、PacBio Sequel II 三代測序儀、華大智造 MGISEQ2000 二代測序儀、Bionano Saphyr 光學(xué)圖譜等全套二代至四代測序儀。構(gòu)建了華為云測序高性能計(jì)算集群，提供測序分析和存儲(chǔ)服務(wù)。在北京、武漢和蘇州建設(shè)了合計(jì)超過 7000 平米的科研服務(wù)平臺、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室與 GMP 生產(chǎn)廠房。

2020年希望組與天津生物芯片聯(lián)合首推 Nanopore Ultra-long Reads + PacBio HiFi Reads + Bionano + HiC 的基因組近完成圖解決方案，突破現(xiàn)有基因組技術(shù)指標(biāo)，為后續(xù)基因組進(jìn)化、結(jié)構(gòu)變異、功能研究等奠定基礎(chǔ)。其自主組裝算法可以針對不同物種的基因組特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)基因組近完成圖的核心工具。 Microbes NG：創(chuàng)新型微生物測序服務(wù)商 Microbes NG 是來自英國的微生物基因組測序服務(wù)公司，業(yè)務(wù)包括標(biāo)準(zhǔn)基因組服務(wù)和增強(qiáng)基因組服務(wù)。其中標(biāo)準(zhǔn)全基因組服務(wù)為 Illumina 提供下一代測序數(shù)據(jù)，最低覆蓋面積為 30 倍 。增強(qiáng)基因組服務(wù)則結(jié)合了 Illumina 的短讀技術(shù)保證高堿基質(zhì)量和 Oxford Nanopore 的長讀技術(shù)來獲得長序列連接重復(fù)區(qū)域和支架群。業(yè)務(wù)涵蓋全球 49 個(gè)國家。

圖 | Microbes NG 測序服務(wù)簡介（來源：Microbes NG 官網(wǎng)，CB Insights 中國） BaseClear：歐洲微生物基因組學(xué)服務(wù)先鋒 BaseClear 成立于1993 年，是歐洲領(lǐng)先的微生物基因組學(xué)服務(wù)商。2018 年獲得數(shù)據(jù)安全I(xiàn)SO27001 認(rèn)證，是第一家獲得此證書的基因組學(xué)解決方案提供商。服務(wù)包括人類腸道、血液、皮膚等微生物菌群基因組測序分析和動(dòng)物微生物菌群的研究。測序服務(wù)體系完整包含二代、三代和四代測序，利用由 Illumina、PacBio 和 Oxford Nanopore 的測序儀提供下一代測序、宏基因組學(xué)、基因組分析、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和桑格測序服務(wù)等。合作機(jī)構(gòu)遍布全球包括 BaseGene、Future Genomics Technologies、Probase Pharma、Mymicrozoo、Spadix 等。

圖 | BaseClear 業(yè)績概況（來源：BaseClear，CB Insights 中國） Genexa AG：瑞士長度長測序優(yōu)質(zhì)服務(wù)商 Genexa AG 是一家位于瑞士的基因組數(shù)據(jù)分析提供商,公司依靠提供高特異性的基因組標(biāo)志物，實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化的分子檢測服務(wù)。Genexa AG 應(yīng)用長讀長測序儀提供測序服務(wù)的同時(shí)也幫助用戶定制化建立長讀長測序服務(wù)技術(shù)。與 Agroscope、Sefunda、Mabritec AG、Genomsys、Fachhochschule Noedwestschweiz、Monzino Cardiology Center 等多家機(jī)構(gòu)保持合作。已與 Immagina BioTechnology 達(dá)成合作為 CircAID-p-seq 開發(fā)數(shù)據(jù)分析方案，這是牛津納米孔技術(shù)平臺上唯一可用的 3 '磷酸核糖核酸測序產(chǎn)品。

圖 | Genexa AG 基因組測序服務(wù)流程（來源：Genexa AG，CB Insights 中國） - END - 點(diǎn)擊“閱讀原文”獲取 PDF 版完整報(bào)告，提取碼：a15w

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原文標(biāo)題：基因測序行業(yè)專題報(bào)告——NGS引領(lǐng)測序行業(yè)黃金十年，納米孔突破未知更進(jìn)一步

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