四代測序則在不斷更迭的技術革新中蓄勢待發(fā)

近年來，由于測序技術的發(fā)展，越來越多與疾病相關的基因得到確認，作為精準醫(yī)療的核心技術，測序已經(jīng)應用于產(chǎn)前篩查、遺傳病診斷、腫瘤診斷與治療等方面，尤其在攻克腫瘤這一難題前，基因測序給腫瘤的預防和治療提供了全新的思路。

但是從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，情況不容樂觀，測序儀的研發(fā)與生產(chǎn)壟斷在少數(shù)幾個大廠手中，測序巨頭 Illumina 更是占據(jù)了 70% 以上的市場份額，極高的行業(yè)壁壘，成為其它測序企業(yè)的發(fā)展障礙。所以當前狀況下，突破二代測序儀的瓶頸成為測序公司制勝的關鍵，包括讀長、準確度、精度、成本等。

四代測序則在不斷更迭的技術革新中蓄勢待發(fā)。

作為國內少有的布局四代測序儀的公司，生輝關注到安序源生物科技有限公司（以下簡稱 “安序源”）的四代測序儀樣機近期亮相于深圳的一場展會，借此機會，生輝和安序源的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官田暉博士進行了交流。

田暉告訴生輝，“安序源的四代測序儀與牛津納米孔或其他公司相比區(qū)別較大。我們在保持納米孔測序長讀長優(yōu)勢的基礎上引入了酶促反應，用于生成可辨識度高的單堿基信號。相比傳統(tǒng)納米孔測序直接讀取待測核酸序列，這個技術路線具有幾個重大優(yōu)勢：首先，所采集信號來源大大簡化，是真正意義上的單堿基識別，提高了檢測信噪比；第二，搭配不同的樣品制備方法可以實現(xiàn)對同一個待測 DNA 模板的多次測序，開啟可控的高精度測量模式；此外，測量對象與 DNA 序列分離，突破傳統(tǒng)直流電壓驅動的限制，可以設計更靈敏更快速的極微小驅動及檢測單元來提高精度和擴大通量。我們實現(xiàn)這個技術路線的核心測量部件 —— 生物芯片具有的檢測單元數(shù)目超過同行幾個數(shù)量級，在單次加載 DNA 讀數(shù)通量上領先市場。而且芯片是在已量產(chǎn)成熟的先進半導體工藝上設計并生產(chǎn)的，比其他公司采用的特制化芯片價格更低廉?！?/p>

“這意味著安序源的單芯片單次上樣即可實現(xiàn)高通量并行測序，提高測序深度和精度，而測序成本卻幾何級數(shù)下降?！彼a充說。

同時他也提到，降低成本和提高準確度之后，四代測序會很快迎來應用爆發(fā)期。

生物芯片是底層技術

高靈敏度高通量低成本的半導體生物芯片是安序源的核心技術。生物芯片根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實現(xiàn)對 DNA、蛋白質等其它成分的高通量快速檢測，目前生物芯片的商業(yè)化應用主要是快速多病毒聯(lián)檢、體外診斷、測序等。

2000 年，從斯坦福大學博士畢業(yè)后，田暉進入半導體領域，為相機制造 CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器本質上是一種集成電路芯片，可以將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，用?a target="_blank">手機、相機、攝像機、監(jiān)控等產(chǎn)品。

2013 年，田暉進入一家名為 Genia 的公司，進入生物技術行業(yè)，負責高通量、高靈敏度芯片的研發(fā)和量產(chǎn)。2014 年，Genia 被羅氏收購，田暉隨之進入羅氏，擔任測序部副總裁。2016 年，田暉和聯(lián)合創(chuàng)始人 Igor Ivanov 創(chuàng)立了安序源。Igor Ivanov 同時擔任安序源的首席運營官，他曾在硅谷連續(xù)創(chuàng)辦幾家公司，其中一家成功在納斯達克上市，其余均被大公司收購，是一位成功的連續(xù)創(chuàng)業(yè)者。

問及為何要從半導體行業(yè)轉向生物行業(yè)，田暉告訴生輝，“基因測序能直接影響生命，而且有一個更廣闊的市場；測序技術是生命科學的底層技術，可以應用在很多方面；從半導體角度來說，打開了一個新的技術的應用點；從生命科學的角度來說，帶來了新的技術平臺?！碧飼熣J為自己是幸運的，因為最開始接觸的就是測序。

但是這一過程歷經(jīng)波折。

中國生物芯片研究起步較晚，始于 1997-1998 年，隨著生命科學的發(fā)展，生物芯片的研發(fā)才慢慢升溫。但是制作芯片的工藝流程復雜，對于環(huán)境的要求極高，所需的機器先進且昂貴。田暉也感慨道，“一般的公司是不可能自己來做半導體工藝的，因為太貴了，必須和半導體大廠合作”。

幾經(jīng)周折，安序源和以色列芯片巨頭高塔半導體達成合作，由高塔半導體為其開發(fā)了一套工藝?！芭c半導體大廠合作的門檻在于產(chǎn)量，小量訂單大廠是不接的，因為工藝開發(fā)有很高的機會成本，而且只有通過大規(guī)模量產(chǎn)才能收回。我們在初期的訂單量其實很小，但是高塔半導體看到高通量生物芯片代表了未來半導體應用的一個重要方向，我們的芯片需求量在不久的將來會呈指數(shù)級增長，而且他們也希望能為精準醫(yī)療做些貢獻，所以跟我們達成合作。有了這套工藝，我們也真正實現(xiàn)了高通量生物芯片的量產(chǎn)?！?田暉補充道，“高通量芯片搭載微流控部件才能實現(xiàn)整個測序流程。而且我們在一開始就是按照全流程自動化進行設計的，因此，微流控部件涉及的功能較多，過程復雜，我們花費了很多時間來找到技術上能滿足要求，并且能量產(chǎn)的合作伙伴?！?/p>

目前，安序源和牛津納米孔一樣，使用的都是集成電路生物芯片。但不同于牛津納米孔特殊工藝制作的千級通道芯片，安序源的芯片設計策略從一開始就適應高通量產(chǎn)品要求，在單次加載 DNA 讀數(shù)通量上遙遙領先市場。而且安序源技術基于傳統(tǒng)成熟半導體工藝，而非特殊定制化，已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，有效控制了成本。田暉表示，傳統(tǒng)集成電路芯片工藝需經(jīng)過改造才能實現(xiàn)生物芯片的量產(chǎn)，因為生物芯片需要在鹽溶液環(huán)境工作。改造的步驟涉及微陣列結構蝕刻，特殊金屬材料鍍層工藝，表面物化性質優(yōu)化等。雖然改造過程比較復雜，但是改造成功后，成本非常低。

圖 | 安序源生物芯片（來源：公司官網(wǎng)）

據(jù)田暉透露，安序源依托生物芯片不僅開發(fā)了四代測序儀，也將應用擴展到多種病毒聯(lián)檢、慢病監(jiān)測管理、輔助制藥研發(fā)等領域，并且已經(jīng)開始商業(yè)化。目前已有正在試用的研發(fā)伙伴和達成合作的客戶。

不止于四代

“利用高通量集成電路生物芯片這一底層技術，結合微流控、創(chuàng)新的生物化學、合成化學技術，我們要做一系列跨學科創(chuàng)新產(chǎn)品?！?田暉說道。測序儀是安序源主打的跨學科應用產(chǎn)品，它涵蓋蛋白工程、生物芯片、電子電路、人工智能等多個交叉學科。

測序儀的不斷更迭也是市場升級的過程，從研發(fā)向臨床的一個方向。在這個過程中，需要同時實現(xiàn)低成本、快速、小型化、長讀長、無結構性誤差。田暉表示，四代在小型化、速度和讀長方面已經(jīng)很不錯了，但是主要問題還是成本較高、準確率不夠。

如何實現(xiàn)這五大指標，田暉也給出了自己的答案。首先要降低成本，通過提高同時檢測 DNA 的通道數(shù)，和使用比較通用的、大規(guī)模量產(chǎn)的 CMOS 工藝生產(chǎn)的芯片；其次精度方面，不應局限于納米孔直接物理測序的方法，還可以借鑒以前做的很成功的生物化學流程。

“只有超越現(xiàn)有四代測序的水平，才可能完成大范圍取代二代，完成測序行業(yè)的升級換代。所以，目前市場上四代測序產(chǎn)品應該是我們的起點，而不是終極目標。只有做到超過當前四代測序產(chǎn)品的通道數(shù)和精度，才能具有市場競爭力”。

據(jù)悉，安序源的四代測序儀是在納米孔的基礎上，結合了生物材料，包括生物酶等，以此來提高測序儀的容錯率。田暉解釋道，“單獨使用未經(jīng)修飾的納米孔直接測序經(jīng)常被認為是一種物理測序方式，它容易受到布朗運動等過程的影響，導致測序的準確度降低。我們在納米孔的基礎上加上了比較成熟的、經(jīng)過驗證的生化部件之后，在很大程度上突破了這類物理測序本身的局限?！?/p>

2019 年，安序源的生物芯片已發(fā)展成熟，并發(fā)布了第一款測序儀。但在后期運行調試過程中發(fā)現(xiàn)，儀器的機械和液路部分經(jīng)常出現(xiàn)問題。田暉解釋道，“生物芯片的功能實現(xiàn)需要儀器的支持，包括電學、機械、液路三個方面，缺一不可。” 所以在今年年初，安序源美國研發(fā)中心重新設計了最重要的芯片 / 儀器接口部分，10 月份開始，已在中國小批量生產(chǎn)，進行儀器調試驗證，與合作方一起開發(fā)新的應用。

測序是精準醫(yī)療的基礎，在微生物檢測、腫瘤、產(chǎn)前診斷等領域都有應用。在田暉看來，四代的測序成本和精度超過二代之后，不僅可以搶占現(xiàn)有的測序市場，還可以打開一個更大規(guī)模、更廣泛的應用空間。測序儀智能自動小型化后，除了可以用于人類疾病早篩外，還可以檢測環(huán)境中的微生物和環(huán)境中食品的污染，甚至每家每戶都可以擁有一個家用型的測序儀，這將是一個 to C 的市場。

目前，安序源在中美兩地布局有研發(fā)中心。田暉告訴生輝，在美國的研發(fā)達到一定規(guī)模，比較成熟后，會轉到中國做生產(chǎn)和應用開發(fā)，“未來，美國主要是做前端的研發(fā)，同時會逐漸將美國的研發(fā)轉移回中國，未來一兩年的重點是在中國把產(chǎn)品化做出來，也會大幅度提高在中國的研發(fā)能力。”

談及近期的發(fā)展計劃，田暉表示，首先要和合作對象共同調試測序儀，優(yōu)化流程，開發(fā)更多的應用；其次，今年將完成 GMP 廠房建設，用于試劑、微流芯片及儀器的生產(chǎn)；最后，要擴建團隊，以此支撐多產(chǎn)線的研發(fā)與量產(chǎn)。目前，安序源在中美兩國有數(shù)十人的核心全職團隊，每個專業(yè)領域有帶頭人負責統(tǒng)籌規(guī)劃以及與其他部門對接，并大量外包具體工作，“我們的核心團隊成員都是獨當一面的行業(yè)精英，精簡的人員和扁平化的公司結構不僅節(jié)約成本，還能使效率最大化。而將部分研發(fā)與生產(chǎn)外包，我們得以借力，省時省力而且拓寬了團隊的研發(fā)范圍”。

據(jù)了解，自成立以來，安序源已完成 2 輪累計數(shù)千萬美元的融資，投資方包括華潤、力合、 松禾、聚明、清源等。田暉也向生輝透露目前正在新一輪融資中。

采訪的最后，田暉告訴生輝，“我們不僅要做測序儀，也希望安序源能夠成為大健康產(chǎn)業(yè)的一個工具平臺，通過半導體、生物芯片、微流控等高科技，為精準醫(yī)療和新型制藥、檢測行業(yè)提供高通量的篩查設備，也可以提供底層技術支持?！?/p>

原文標題：獨家專訪丨低成本高精度實現(xiàn)高通量并行測序，這家初創(chuàng)依托自研芯片想做“不止于四代”

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責任編輯：haq