“结构生物学”的创新利器——冷冻电镜行业深度研究报告！
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作者 | 智银资本
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一、冷冻电镜行业概况
1.1. 冷冻电镜定义及分类
在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术,就叫做冷冻电子显微镜技术,简称冷冻电镜(cryo-electron microscopy, cryo-EM)。
冷冻电镜技术作为一种重要的结构生物学研究方法，它与X射线晶体学、核磁共振一起构成高分辨率结构生物学研究的基础。这项技术获得2017年的诺贝尔化学奖。获奖理由是“开发出冷冻电子显微镜技术(也称为低温电子显微镜技术)用于确定溶液中的生物分子的高分辨率结构”，简化生物细胞的成像过程，提高成像质量。
1.2. 作用原理
冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的核心是透射电镜成像，其基本过程包括样品制备、透射电镜成像、图像处理及结构解析等几个基本步骤。
在透射电镜成像中，电子枪产生的电子在高压电场中被加速至亚光速并在高真空的显微镜内部运动。
根据高速运动的电子在磁场中发生偏转的原理，透射电镜中的一系列电磁透镜对电子进行汇聚，并对穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大。
之后在记录介质上形成样品放大几千倍至几十万倍的图像，利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。
透射电镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。
1968年，AronKlug发现中心截面定理，提出可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算机内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。
根据这一原理，利用透射电镜获得生物样品多个角度的放大电子显微图像，即有可能在计算机里重构出它的三维空间结构。
在冷冻电子显微学结构解析的具体实践中，依据不同生物样品的性质及特点，可以采取不同的显微镜成像及三维重构方法。
目前主要使用的几种冷冻电子显微学结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描重构技术等，它们分别针对不同的生物大分子复合体及亚细胞结构进行解析。
图表1：冷冻电镜作用原理
数据来源：智银医药数据库
1.2.1. 冷冻电镜单颗粒技术
对分散分布的生物大分子分别成像，基于分子结构同一性的假设，对多个图像进行统计分析，并通过对正、加和平均等图像操作手段提高信噪比，进一步确认二维图像之间的空间投影关系后经过三维重构获得生物大分子的三维结构方法。其适合的样品分子量范围为80~50MD，Zgao分辨率约0.3nm。
利用单颗粒技术获得三维重构的方法主要包括等价线方法、随机圆锥重构法、随机初始模型迭代收敛重构等方法。其基本目标是获得二维图像之间正确的空间投影关系，从而进行三维重构。
1.2.2. 冷冻电镜电子晶体学
利用电子显微镜对生物大分子在一维、二维以致三维空间形成的高度有序重复排列的结构(晶体)成像或者收集衍射图样，进而解析这些生物大分子的结构，这种方法称为电子晶体学。其适合的样品分子量范围为10~500kD，Zgao分辨率约0.19nm。
该方法与X射线晶体学的类似之处在于均需获得高度均一的生物大分子的周期性排列。不同之处是利用电子显微镜除了可以获得晶体的电子衍射外还可以通过获得晶体的图像来进行结构解析。
1.2.3. 电子断层扫描成像技术
通过在显微镜内倾转样品从而收集样品多角度的电子显微图像并对这些电子显微图像根据倾转几何关系进行重构的方法称为电子断层扫描成像技术。该方法主要应用于细胞及亚细胞器，以及没有固定结构的生物大分子复合物(分子量范围为800kD)，Zgao分辨率约2nm。
1.3. 发展历程
冷冻电镜技术是在20世纪70年代提出的， 光学显微镜利用可见光作为探针来观测微观物体，比如光学显微镜可以观察细胞。但对于细胞内的蛋白质分子，光学显微镜无法成像，为解决此类问题需要使用冷冻电镜参与。
1974年，Robert Glaeser首次发现冷冻于低温下的生物样品可以在真空的透射电镜内耐受高能电子束辐射并保持高分辨率结构。
1975年，Richard Henderson最早应用冷冻电镜和电子晶体学解析出一个膜蛋白结构。
1982年，Jacques Dubochet发明将生物样品速冻于玻璃态冰中的方法和装置，开发真正成熟可用的冷冻制样技术，可以制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，使得冷冻电镜成为实用的技术。
上世纪90年代，Joachim Frank领导课题组发明单颗粒冷冻电镜重构方法，有效降低图样中的噪音。结合三维重构与傅里叶变换，可得到蛋白质更为精细的三维结构。
2013 年加州大学旧金山分校（UCSF） 的研究员程亦凡和David Julius得到膜蛋白TRPV1 的3.4埃的三维结构，结果发表在《Nature》上。此后生物科学领域的研究者应用冷冻电镜（Cryo-EM）这项技术发现了更多科研成果，丰富了蛋白质、DNA、RNA等重要分子的晶体结构和它们之间相互作用和反应机理的资源库。
2017年，Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson因“开发低温电子显微镜用于溶液中生物分子的高分辨率结构测定”而获得诺贝尔化学奖。
2019年Sartori-Rupp等基于冷冻电镜观察神经元细胞中的隧道纳米管，相关成果发表于Nature杂志，发现隧道纳米管 (TNT) 是长而富含肌动蛋白的膜状突起，为揭示膜和细胞骨架相关蛋白在这一重要生物过程的形成和功能中可能发挥的特定作用。
2021年11月底，联邦理工学院、洛桑大学和日内瓦大学开设了Dubochet成像中心（DCI），一方面以最佳方式应用低温电子显微镜技术，另一方面进一步发展。在首次鉴定SARS-CoV-2 Omicron变体不到一个月后，DCI的研究人员就能够确定其结构，识别绕过个别疫苗的关键突变，并为新的治疗方法提供见解。
图表2：冷冻电镜历史演进
数据来源：智银医药数据库
1.4. 冷冻电镜常见种类
1.4.1. 冷冻透射电镜
冷冻透射电镜(Cryo-TEM)通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备，将样品冷却到液氮温度(77K)，用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。通过对样品的冷冻，可以降低电子束对样品的损伤，减小样品的形变，从而得到更加真实的样品形貌。
一台冷冻透射电镜的价格在600万美元左右，价格极其昂贵。冷冻透射电镜(Cryo-TEM)的优点主要体现在以下几个方面：
（1）加速电压高，电子能穿透厚样品
（2）透镜多，光学性能好
（3）样品台稳定
（4）全自动，自动换液氮，自动换样品，自动维持清洁
图表3：冷冻透射电镜
数据来源：智银医药数据库
1.4.2. 冷冻扫描电镜
扫描电镜工作者都面临着一个不能回避的事实，就是所有生命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。很多动植物组织的含水量达到98%，这是扫描电镜工作者最难对付的样品问题。
冷冻扫描电镜(Cryo-SEM) 优点主要体现在以下几个方面：
克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。这种技术还被广泛地用于观察一些“困难”样品，如那些对电子束敏感的具有不稳定性的样品。各种高压模式如VP、LVESEM的出现，已允许扫描电镜观察未经冷冻和干燥的样品。
冷冻扫描电镜仍然是防止样品丢失水分的最有效方法，它能应用于任何真空状态，包括装于扫描电镜的Peltier台以及向样品室内冲以水汽的装置。具有冷冻断裂的能力以及可以通过控制样品升华刻蚀来选择性地去除表面水分(冰)等。
图表4：冷冻扫描电镜
数据来源：智银医药数据库
1.4.3. 冷冻蚀刻电子显微镜
冷冻蚀刻电镜技术是从50年代开始发展起来的一种将断裂和复型相结合的制备透射电镜样品技术，亦称冷冻断裂或冷冻复型，用于细胞生物学等领域的显微结构研究。
冷冻蚀刻电镜的优点主要体现在以下几个方面：
（1）样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活体状态
（2）样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构，进而可研究细胞内的膜性结构及内含物结构
（3）冷冻蚀刻的样品，经铂、碳喷镀而制备的复型膜，具有很强的立体感且能耐受电子束轰击和长期保存。
缺点：冷冻也可造成样品的人为损伤；断裂面多产生在样品结构最脆弱的部位，无法有目的地选择。
图表5：冷冻蚀刻电镜
数据来源：智银医药数据库
1.5. 冷冻电镜产业链分析
1.5.1. 上游行业垄断
冷冻电镜行业的上游主要为核心零部件物镜、目镜、支架等提供厂商。这类公司存在如日本电子、日立、FEI均较高的专业壁垒，并且需要制造业在内的诸多学科及领域的人才，因此，资本和人才的门槛极高，专利及技术壁垒也极深，其关键竞争力在于底层自研的技术能力。
现阶段产业链上游均仅能依靠进口。透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一，国内没有一家企业生产透射式电镜。
目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家，分别是日本电子、日立、FEI。荷兰的FEI公司已经被美国赛默飞世尔科技公司收购，而后者在冷冻电镜市场占有率一家独大，与冷冻电镜配套的相机设备制造商也主要是美国Gatan公司，换言之美国基本垄断冷冻电镜制造市场。
1.5.2. 中游细分市场分析
1）冷冻电镜细分市场
冷冻电镜包含在高端电镜市场内，高端电镜中标数据来看，2018年中标36台/套中标金额超10亿元，2019年中标40台/套，金额再次突破10亿元。
图表6：2019年高端电镜统计
数据来源：智银医药数据库
其他耗材配件如快速冷冻装置、冷冻电镜载网样品盘等耗材，均不涉及冷冻电镜核心技术壁垒。
北京中镜科仪技术有限公司生产的快速冷冻装置，针对开展低温电镜技术（Cryo-Electron Microscopy）研究，可采用先进的Vitrobot Mark IV System，利用本装置可将溶液中的纳米尺寸的颗粒状材料，制备成包埋在玻璃态薄冰层中（Vitrified Iceembedded）的样品。
本装置广泛应用于生物大分子的三维重构以及纳米药物和表面活性剂表征等领域。它是一款数字式自动化快速冷冻制样设备。ZJKY-CP是该公司开发的简易快速冷冻装置，具有操作简单，灵活方便，性价比高等优点。
图表7：北京中镜科仪技术有限公司快速冷冻装置
数据来源：仪器信息网、智银医药数据库
Agar Scientific/牛津仪器生产的冷冻电镜载网样品盘可在低温下，安全保存或转移已制备的冷冻电镜样品；每个圆盘内有12个位置，可放置12个带钉形腿的圆形冷冻TEM样品盒，或24个不带钉形腿的圆形冷冻TEM样品盒；每个圆盘上皆有数字标识位置，易于检索及定位样品；每个圆盘都设计有独特的双耳空间，方便镊子夹取样品，避免划伤样品表面。
图表8：牛津仪器冷冻电镜载网样品盘
数据来源：仪器信息网、智银医药数据库
泰德派勒生产的冷冻样品盒用于存放低温玻璃化冷冻电镜样品。适用于存储和转移的冷冻装置如FEI Vitrobot，Gatan CP3，Leica EM 6P以及其他低温玻璃化系统制备的玻璃化冷冻电镜样品。
2）含水冷冻样品制备市场
含水冷冻样品制备是目前冷冻电镜发展瓶颈问题之一，1980年，Durocher等设计发明了第一台手动快速投入式冷冻制样设备。目前商品化代表性冷冻制样设备主要有德国Leica公司的EMGP、美国Thermo Fisher Scientific公司的VI robot MakNV和美国Gaitan公司的Mod. 930。
荷兰Creosols公司最新推出了新型Videojet全自动样品制样设备，可结合现有的Titan Koras系列电镜境每次处理12个样品的存储盒直接处理样品，节省了大量的人力，提高了冷冻样品制备的可重复性。目前，国内唯一的相关国产设备厂商是由中镜科仪技术有限公司研发，其手动快速冷冻装置ZC-2008售价远低于进口产品，因温湿度控制和自动化方面的不足，仅有浙江大学等少数几个用户。
3）图像探测设备市场
直接电子探测相机是提升冷冻电镜分辨率的另一个重要技术突破。与传统的CCD相机相比，直接电子探测器（Direct Detection Devices， DDD）具有电子计数功能，使得探测器具有更高的量子探测效率，大大提升图像的信噪比和采集照片帧率（目前最快K3 相机每秒采集 1500 帧），从而消除因漂移造成的图像模糊。
目前可以提供直接电子探测相机的厂商 有Direct Electron公司、Gatan公司和Thermo Fisher Scientific公司。EMDB数据库统计结果显示，使用Gatan公司DDD解析的电子密度图占总量的 70%，Thermo Fisher Scientific公司占 27%，Direct Electron公司仅占 3%。以 2018 年为例，利用Gatan公司K2 相机发表的结果占 74%，利用Falcon Ⅲ相机发表的结果占 9%，利用FalconⅡ相机发表的结果占 12%，Thermo Fisher Scientific公司发表的结果占 21%，而DE公司占 5%。
4）数据处理相关软件及算法
发布在EMDB上的数据，冷冻电镜数据处理使用的软件主要有Relion、cryoPARC、Spider、Eman、Imod、Frealign和Imagic等，其开发者全部来自国外。但值得肯定的是，在冷冻电镜技术数据处理相关软件及算法开发方面，我国已取得了一些世界领先的成果。
中国科学院生物物理研究所章新政课题组提出了突破埃瓦尔德球效应分辨率极限的分块重构方法，并使用该方法将尺寸约 120 nm的HSV-2 病毒核衣壳重构分辨率从 4 A提升到 3.1 A。
2017 年，中国科学院生物物理研究所孙飞课题组开发了可以很好地弥补缺失的信息生物电子三维断层重构的软件算法ICON。
2018 年，清华大学李雪明等开发了新型单颗粒三维重构软件THUNDER，并将电子工程领域的粒子滤波算法引入到THUNDER中，对数据解析分辨率有显著提高。
但总的来说，目前我国在冷冻电镜数据处理软件及算法的开发上还处于初级阶段，与国际水平还有很大的差距。
5）自动化数据收集软件
SeriaEM、Leginon、UCSFImage4和EPU（只兼容Thermo Fisher Scientific相机）是目前使用最为广泛的自动化数据收集软件。清华大学雷建林教授领衔开发了AutoEMation，并获得了一系列重要结果，比如物镜球差矫正技术结合相位板数据收集。但总体而言，我国自动化数据收集软件仍处于研发起步阶段。
1.5.3. 下游市场需求分析
冷冻电镜行业的下游以生物、材料、化学等应用领域为主。
（1） 结构生物学领域：利用冷冻电镜可为分子量巨大的难以结晶的蛋白或复杂的复合物样本提供新型的结构解析解决方案。通过三维重构软件可对样品进行图像处理三维重构。大分子的三维重构依赖于对数以万计的颗粒图片进行平均，这个过程中数据需要经过多步处理，需要调用适当的计算资源。
（2） 药物靶点结构领域：冷冻电镜可用于解析新型结构，正在为越来越多的难结晶、甚至不可结晶的靶点进行解析，如分子量更大、更动态的蛋白质和蛋白质复合物。冷冻电镜也显著降低了对细胞内复合体的研究难度，如病原体的核糖体、染色质修饰复合体和转录机器。例如冷冻电镜技术近期解析了一种与线粒体体RNA聚合酶复合体相关的first-in-class抑制剂的结构。
2018年美国200种最常用处方药的靶点相关结构数据。72%的靶点在PDB数据库中含有结构信息。细分而言，这些结构信息是通过X射线晶体学技术(42%)、冷冻电镜技术(15%)或两者结合(15%)而确定的。通过冷冻电镜技术解析的靶点涵盖了许多跨膜蛋白，如离子通道(GABAA、CaV、NaV和KATP)、激活态的G蛋白偶联受体(GPCRs)和转运体蛋白(5-羟色胺转运体、NaCl转运体)。
图表9：处方药靶点信息来源
数据来源：智银医药数据库
（3） 膜蛋白领域：不管是传统的药物，还是新型处方药，很多药物靶向针对GPCRs、离子通道和转运体蛋白。然而，利用X射线晶体学手段来解析膜蛋白的结构非常困难。尽管脂质立方结晶在GPCR领域取得了一些进展，但在结晶过程中，GPCR蛋白通常需要进行热稳定突变，或融合其他蛋白进行改造，以促进晶体的形成。并且，为了获取某种改造后的稳定的构象，还需要对克隆构建、实验方法及条件进行大量繁琐复杂的筛选。相比之下，冷冻电镜结构可以直接用来解析经过去污剂或纳米盘处理后的在生化上性质稳定的膜蛋白，并获得处于或者接近生理状态的蛋白的结构。冷冻电镜的在解析庞杂的膜蛋白的结构中能力势不可挡，并且已有大量的高分辨率结构被成功解析。长久以来膜蛋白一直都是获批药物的热门靶点，它们的结构也只是近期才被冷冻电镜揭示。
（4） 生物领域：冷冻电镜技术在开发抗体疗法、小分子药物和诊断方面的工业应用将会越来越多。冷冻电镜已经取代了X射线晶体学，为新药研制提供方向。虽然冷冻电镜推广缓慢的原因是这项工作操作技术难度较大，个体的技能与设备状态以及实验人员的操作都会影响实验结果。但如今冷冻电镜工作流程中许多步骤都已经自动化，显著提高了判断速度和易用性。
2020年年初，新型冠状(2019-nCoV)病毒疫情席卷全球，冷冻电镜技术在解析病毒结构、推测其侵染人体细胞的路径等传播原理发挥了重要作用，为人类攻坚疫情防护、研发疫苗提供了重要的理论依据。
（5） 材料领域：锂枝晶是锂电池中最大的安全隐患，但锂元素非常活泼、对环境敏感的特质使得从原子层面解析锂枝晶的生长机理成为一个极具挑战的课题。传统的TEM电子束能量很高，会严重损坏枝晶结构，受到冷冻电镜观察敏感生物材料的启发，崔屹教授等人使用冷冻电镜技术首次获得了锂枝晶原子分辨率级别的结构图像。与传统电镜观察到的不规则形状不同，高分辨的冷冻电镜照片中显示的锂枝晶是呈长条状的完美六面晶体，其生长行为显示其有明显的<111>优先取向，也就是说，锂枝晶生长过程中可能发生"拐弯”，但是并不会形成晶体缺陷。
图表10：材料领域冷冻电镜应用
数据来源：智银医药数据库
图表11：电池领域冷冻电镜应用
数据来源：智银医药数据库
二、全球冷冻电镜行业市场情况
2.1. 全球电子显微镜市场规模
近年来随着全球对生命科学、材料研究的探索和研究持续深入，以及对半导体需求不断扩大等，推动了高校、科研院所、半导体工业等领域对电子显微镜的需求。全球电子显微镜行业市场规模呈不断增长趋势。
2016年全球电子显微镜行业市场规模为23.61亿美元，至2019年涨至26.82亿美元。2020年受全球安全卫生事件影响，全球电子显微镜行业规模保持了持续增长趋势，但增速有所放缓，约为27.84亿美元，较2019年增长3.1%。
图表12：电子显微镜市场规模
数据来源：智银医药数据库
从电子显微镜细分产品规模来看，当前电子显微镜的需求主要以扫描电子显微镜为主，占比电镜市场规模的74%左右，2020年约为20.5亿美元;而透射电镜则由于技术水平和价格高、操作难度大，分辨率可达原子级别，主要对样品晶体结构进行分析等，应用市场还尚未完全打开和释放，故总体规模还较小，2020年约为7.14亿美元，占全球电镜的26%左右。
根据日本电子预测，未来全球电子显微镜将保持5.85%的复合增速保持快速增长，到2026年全球电子显微行业市场规模将超过38亿美元。
2.2. 全球透射电镜市场规模
2020年至2024年全球透射电子显微镜（TEM）市场规模预计将增长3.597亿美元，复合年增长率接近10％。2020年的同比增长为8.31％，2020年预计为3.509亿美元。
亚太地区是2019年最大的透射电子显微镜市场，亚太地区将贡献63％的市场份额。半导体工业数量的增加、纳米技术的发展、广泛的工业化以及研发投资的增加等因素是该地区透射电子显微镜市场增长的原因。中国、日本和韩国是亚太地区透射电子显微镜的关键市场。
其增长原因主要由于医疗研究需求的不断增长，透射电子显微镜市场一直在稳步增长。这种显微镜提供高磁离子和高分辨率的图像，在鉴定各种微生物和细胞结构方面受到高度重视。
此外，材料科学需求的增长也对市场的增长产生了积极影响。开发更轻、更强的金属、用于皮革、能源生产和机械等领域的需求越来越大。这种需求导致了透射电子显微镜的广泛应用，因为它对新开发材料的结构和成分有更高的可见性，还可观察结构中任何可能的缺陷。
二维图像无法显示三维结构和纳米物体功能之间的关系。对理解物体结构和功能之间关系的需求与日俱增，推动了对三维结构分析技术的需求，如中子能谱、电子显微镜成像和X射线衍射。透射电子显微镜广泛应用于物理和生物科学的结构分析，包括三维物体到二维图像的投影。
未来五年，对先进材料和生物样品的三维分析需求的不断增长将推动对透射电子显微镜的需求。从高级材料到生物样品的3D分析需求不断增长是推动透射电镜市场增长的主要趋势。
新型透射电子显微镜的发展将是透射电子显微镜市场的关键趋势之一。市场供应商越来越关注于开发新型的透射电子显微镜，例如反射电子显微镜（REM），扫描透射电子显微镜（STEM），低压电子显微镜（LVEM），冷冻电子显微镜（Cryo-EM）和液相电子显微镜（LP-TEM）。
其中冷冻电子显微镜（Cryo-EM）有助于克服与生物分子有关的挑战，例如与高真空条件的相容性差以及传统透射电子显微镜中使用的强电子束。
2.3. 全球冷冻电镜市场
2021年全球冷冻电镜市场销售额达到了3.8亿美元，预计2028年销售额将达到5.9亿美元，年复合增长率（CAGR）为5.7%（2022-2028）。2021年市场价值为7.3亿美元，到 2029 年市场价值将增长到14.1亿美元。
图表13：冷冻电镜市场价值预测
数据来源：智银全球项目数据库
2.3.1. 全球企业竞争发展格局
1）赛默飞（仪器销售额：63.3亿美元）
赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)，是全球科学服务领域的领导者(纽约证交所代码:TMO)。主要客户类型包括医药和生物公司，医院和临床诊断实验室，大学、科研院所和政府机构，以及环境与工业过程控制装备制造商等。
赛默飞世尔科技借助于：Thermo Scientific、Life Technologies、Fisher Scientific和Unity™ Lab Services四个首要品牌，帮助客户解决在分析化学领域从常规的测试到复杂的研发项目中所遇到的各种挑战。
其中，Thermo Scientific能够为客户提供一整套包括高端分析仪器、实验室装备、软件、服务、耗材和试剂在内的实验室综合解决方案。Fisher Scientific为卫生保健，科学研究，以及安全和教育领域的客户提供一系列的实验室装备、化学药品以及其他用品和服务。
Thermo Fisher Scientific将努力为客户提供最为便捷的采购方案，为科研的飞速发展不断地改进工艺技术，提升客户价值，帮助股东提高收益，为员工创造良好的发展空间。
在电子显微镜领域，赛默飞于2020年推出全新的Thermo Scientific Tundra冷冻电子显微镜，持续巩固自身在冷冻电镜领域的领先地位。
图表14：赛默飞仪器信息
数据来源：智银全球项目数据库
2）日本电子（仪器销售额：6.48亿美元）
日本电子株式会社，简称是JEOL，是世界顶级的科学仪器生产制造商。JEOL面向中国及全球，生产销售各型扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子探针、扫描探针显微镜、X射线荧光光谱仪、核磁共振设备、质谱仪、电子自旋振动设备、半导体制造检查装置等。
产品运用覆盖了材料科学、生命科学等学术技术领域，在无机、有机化合物、金属材料，土壤，矿产，医药，精细化工，电子材料，生物样品等的定性和定量分析鉴定上广受推崇。
在中国国内，众多重点实验室、科学院部门、科研所、大专院校、医疗机构、政府机构和企业单位都有JEOL的产品。
JEOL的产品包括半导体、工业和医疗设备，但其65%的销售额来自C&EN追踪的科学和计量设备。该公司生产电子光学、测量和分析仪器。自安捷伦科技于2014年退出业务以来，该公司一直是大型核磁共振仪器的两家制造商之一，另外一家则是布鲁克。
在透射电子显微镜的市场上，日本电子是世界上的三家透射电镜供应商之一，它生产电子显微镜的历史算得上是非常悠久，它的前身是1949年5月在东京成立的日本电子光学实验室有限公司，成立同年就推出了第一代透射电子显微镜—JEM-1透射电子显微镜。
日本电子株式会社（JEOL Ltd.）2022年2月18日正式公布新一代200KV冷场发射冷冻电镜CRYO ARM™ 200 II (JEM-Z200CA)， 主要用于蛋白质的单颗粒分析，该电镜已于2022年1月陆续发货。CRYO ARM™ 200 II (JEM-Z200CA)不但配置了冷场发射电子枪，镜筒内的欧米伽能量过滤器等日本电子的独门绝技，还专门研制了一款高分辨极靴。
3）日立高新（仪器销售额：6.13亿美元）
日立高新，曾经以持有高水准技术而驰名世界，日立高新技术是一家着重于高精度技术及生物工艺学的最尖端技术方面的开发，不仅以由该最尖端技术孕育而生的半导体制造装置和医疗机械等的开发、制造、销售事业为中心，并经营被在广泛经济领域中使用的各种高新技术产业机器、信息系统、电子产品、尖端机能材料。
图表15：高端透镜产品
数据来源：智银医药数据库
2.4. 冷冻电镜市场增长的驱动因素
2.4.1. 生物学领域作用
冷冻电镜技术的迅速发展推动了结构生物学的进步，在开发抗体疗法、小分子药物和诊断方面的工业应用将会越来越多。其中，单颗粒冷冻电镜技术在重构蛋白、RNA方面优于传统技术。
就如何快速解析RNA分子的冷冻电镜结构，经过不断地尝试得到一种可以准确并快速获得高分辨率的纯RNA分子结构的突破性方法——Ribosolve，破解了RNA分子结构解析的难题。相关研究成果于2020年7月3日发表在《自然方法》（Nature Methods）杂志上。Ribosolve为RNA及类似结构的解析提供了新的研究方向，打破了传统技术在结构解析方面的限制。
单颗粒冷冻电镜技术在解析膜蛋白和大型蛋白复合物结构方面已成为首选方法。具有原子级别分辨率的冷冻电镜结构清晰地展示了氨基酸侧链中的每个重原子（如C、N、O和S），并隐约可以看到氢原子的存在和位置。
图表16：生物学领域冷冻电镜成像
数据来源：智银医药数据库
最近对SARS-CoV-2相关蛋白的结构表征证明了冷冻电镜的无限潜力。在病毒爆发后的几个月内，利用冷冻电镜可以极快的速度解析了新冠病毒刺突蛋白的几种构象，以及它与人源血管紧张素转换酶或许多中和人源抗体片段的复合物的结构。最近获得FDA批准的用于治疗COVID-19的再利用药物瑞德西韦(Remdesivir)与SARS-CoV-2 RNA聚合酶结合的结构也已被冷冻电镜解析。鉴于X射线晶体学一直是病毒RNA聚合酶结构测定的传统方法，对新冠病毒的冷冻电镜结构解析是一个颠覆性的创新，凸显了冷冻电镜的高时效性特点在快速反应研究中的应用。
2.4.2. 材料领域
斯坦福大学崔屹教授团队使用冷冻电镜稳定光束敏感的金属有机框架，以在分子水平上产生主-客体相互作用的近原子分辨率显微图像。该研究为颗粒生长和气体吸附动力学提供了分子尺度的见解。此外，冷冻电镜揭示的原子表面结构提供了对有机金属框架材料生长机制的进一步理解。该研究说明，冷冻电镜为材料领域研究众多主-客体相互作用提供了契机。
图表17：材料领域冷冻电镜应用
数据来源：智银医药数据库
2.4.3. 储能电池领域作用
斯坦福大学崔屹教授团队使用原子分辨率冷冻电镜和电子能量损失光谱，来直接观察硅负极上固态电解质界面相的结构和化学，揭示其在第一个循环过程的演变。该研究结果强调了冷冻电镜的重要性，因为传统技术无法捕捉对钙钛矿太阳能电池稳定性和性能有重要影响的形貌和结构的纳米级变化。
图表18：储能电池领域冷冻电镜应用
数据来源：智银医药数据库
2.4.4. 催化领域作用
日本技术研究协会Hidekazu Sugimori等人通过低温扫描电子显微镜和低温透射电子显微镜，研究了催化剂油墨中溶剂蒸发诱导的催化剂层结构形成过程。结果显示，催化剂油墨含有数百纳米至数微米大小的Pt/C催化剂颗粒聚集体，以及直径约为3nm的棒状Nafion颗粒。
图表19：催化领域冷冻电镜应用
数据来源：智银医药数据库
三、中国冷冻电镜行业市场情况
3.1.1. 中国冷冻电镜市场规模
中国自2009年清华大学购入第一台冷冻电镜后，如今已经建立了以清华大学、南方科技大学领衔的世界领先的冷冻电镜实验室。经过10余年的发展，中国已经拥有了超过50台各种型号的冷冻电镜，其中清华大学、南方科技大学、中科院、北京大学、复旦大学等多家高校与科研机构也都配备了高端的冷冻电镜。但从电镜制造来看，中国尚无制造冷冻电镜设备的能力。
2019年统计中，赛默飞包揽了冷冻电镜14套中标项目，统计中不包含120kv产品及相关冷冻双束电镜，主要指200kv和300kv冷冻电镜。从中标类型来看，300kv冷冻电镜相比200kv需求相对更多，300kv冷冻电镜为生物结构分析设备主要核心机型，而200kv冷冻电镜常与300kv配套，用于样品中等分辨率解析和冷冻样品筛选。
从冷冻电镜采购单位来看，中科院物理所、清华大学、山西高等创新研究院、湖北大学四家单位选择了300kv与200kv冷冻电镜配套采购。而300kv冷冻电镜中，与2018年相同，KriosG3i依旧为热门型号。200kv冷冻电镜方面，Glacios成为热门型号。
同时，冷冻电镜的火热也带动了一系列冷冻电镜周边产品或服务市场，如实验室改造方面，湖北大学国家重点实验室冷冻电镜室环境改造项目、复旦大学冷冻电镜平台建设工程、四川大学冷冻电镜平台室内装饰工程项目等三个采购项目总中标金额超过千万元。
数据处理系统等方面，复旦大学冷冻电镜数据处理及存储配套计算集群采购中标公告、南方科技大学冷冻电镜超算集群与数据平台运维与培训服务采购项目、清华大学冷冻电镜存储系统2019年度扩容采购项目等三个采购项目总中标金额超过两千万元。
2021年中国采购冷冻透射电镜10套，总金额约3.1亿元。数量与金额相比去年略有上升。采购单位方面，在北京怀柔建设的国家重大科技基础设施——多模态跨尺度生物医学成像设施项目在2021年采购5套冷冻电镜（3套为300kV）！山东大学冷冻电镜中心建设项目则采购了2套300kV冷冻电镜。中标品牌方面，赛默飞依旧强势300Kv-Krios G4、200kV-Glacios成为其主打产品，总中标金额近3亿元。日本电子中标型号为JEM-Z200CA。
图表20：2021年高端电镜统计
数据来源：仪器信息网、智银医药数据库
3.1.2. 中国企业竞争发展格局
如上文所述，国内冷冻电镜设备制造技术发展较晚，暂无成熟企业。但随着国内冷冻电镜应用的不断扩大，国内逐步形成冷冻电镜服务市场竞争格局。
1） 佰翱得
无锡佰翱得生物科学有限公司由“中国企业500强”之一的双良集团与多名拥有国际药企工作经历的海归科学家联合创立。自 2009年成立以来，公司致力于为全球创新药物研发机构提供“以复杂蛋白制备为基础，以结构生物学为核心竞争力”的新药早期研发CRO服务，促进基于结构的药物研发（Structure-Based Drug Discovery， SBDD），打造结构生物学领域的国际品牌。
佰翱得现已建立了蛋白表达与纯化、生物分析与筛选、结构生物学、药靶蛋白库等生物平台技术，拥有X-射线衍射仪、300KV冷冻电镜等先进科研设备，具有国际知名的蛋白样品制备和生物结构解析技术，组建了由经验丰富的领军人才带领的强大的队伍，是目前全球超前的一家具备从基因到冷冻电镜解析结构的全方位服务能力的标杆企业。
此外，佰翱得正与无锡国际生命科学创新园携手共建国际前沿的源头创新药孵化器，打造两个创新中心，进一步为创新药公司提供丰富的服务内容。其中的冷冻电镜创新中心以”复杂蛋白单颗粒结构解析（SPA）“和”Micro ED小分子结构和晶型鉴定“为核心；而药靶蛋白创新中心则以膜蛋白研究、虚拟筛选、和苗头化合物筛选为核心。这两个中心将向国内外的创新药公司和科研院所开放，以高质量的服务为源头创新客户创造价值。
2) 青云瑞晶
青云瑞晶创办于2019年，目前拥有超过3000万元人民币的研发实验平台，包括冷冻透射电子显微镜、蛋白质表达纯化&结晶、结构生物学、化合物固态研究等领域的先进实验设备。公司与北京大学成立了药物发现联合研究中心，2021年获得姑苏领军人才称号、入选默克加速器。
青云瑞晶自建了全球唯一的高通量MicroED测试平台。在MicroED和冷冻电镜单颗粒领域，青云瑞晶具有全球领先的技术水平，曾在相关领域以第一作者和通信作者身份发表超过多篇Nature、Science和Cell的文章。创始团队来自瑞典斯德哥尔摩大学和北京大学MicroED技术的发明团队，该技术入选Science杂志2018 年度全球十大科技突破技术，其利用电子取代X射线，极大增加了衍射效率，进而提升了信号强度，从底层物理层面大幅提升数据获取能力。
此外，它还是一家专业的CRO（研发服务提供商）。公司拥有高标准的实验室、先进的设备，和丰富经验的博士硕士研究人员，在结构生物学，药物固态研究和新材料结构表征，三个业务板块，为客户提供先进高效的解决方案。公司自主开发了MicroED结构解析平台，结合冷冻电镜单颗粒（CryoEM-SPA）及同步辐射单晶X射线衍射（XRD），为客户解决难点问题。
针对冷冻电镜行业青云瑞晶提供从基因合成、蛋白表达到冷冻电镜结构解析的一站式定制化服务，拥有专业的蛋白生产、纯化团队和电镜专家团队；公司自拥有200kV冷冻电镜平台，配备Vitrobot冷冻机器人，同时与国内外多家机构深度合作，拥有充足的300kV冷冻电镜商业机时。
图表21：青云瑞晶冷冻电镜工作流程
数据来源：青云瑞晶
3) 晶泰科技
晶泰科技是一家量子物理与人工智能赋能的药物研发公司，通过提高药物研发的速度、规模、创新性和成功率，致力于实现药物研发的行业革新。作为一家立足中美、服务全球的企业，晶泰科技始终坚持探索最优解决方案，以充分利用前沿的研发与计算资源，最大化满足客户与合作方的需求。
晶泰科技的智能药物研发平台将基于云端超算数字化研发工具与先进的实验能力进行整合，形成高精度预测与针对性实验相互印证、相互指导的研发系统。作为全球先锋人工智能药物研发公司之一，晶泰科技已建立起一整套量子物理干实验室与先进湿实验室紧密结合的研发迭代流程，挑战传统研发的效率瓶颈，赋能新药研发实现创新速度与规模的突破。
晶泰科技基于自由能微扰计算（FEP），与云计算平台深度结合，打造了一套独特的XFEP平台与流程，用于批量完成候选分子与靶点间亲和力的高精度评估，从而在进入小分子与靶点结合活性的湿实验研究之前，有效去除假阳性分子。晶泰科技的XFEP基于增强采样算法、严谨的数据统计分析方法、和晶泰科技独有的高精度分子力场（XForce Field）建立。多项前瞻性与回顾性研究显示，XFEP预测值和实验中得到的数据存在显著相关性，官能团替换和骨架跃迁计算上的预测误差（mean unsigned error） 均低于1.0 kcal/mol。XFEP由晶泰科技百万核心的计算平台支撑，利用多云GPU加速，可以在一天内完成数百个分子的XFEP计算，并有效降低计算成本，从而显著提高药物发现成功率，加速新药研发的进程。
图表22：晶泰科技冷冻电镜工作流程
数据来源：晶泰科技
3.2 AI+冷冻电镜赛道融资分析
对AI+冷冻电镜赛道的已进行融资的企业进行分析，其冷冻电镜赛道国内A轮融资情况如下:
图表23 同赛道国内企业A轮融资
数据来源：智银医药数据库
通过分析发现近年来冷冻电镜及AI计算在中国制药行业逐渐展露手脚，此赛道内相关公司均得到融资且该类公司目前均处于发展阶段。现阶段新型实验技术对于药企的新药研发具有十分重要的作用，预计在不久的将来对此技术的需求将保持高位，特别是在在新型药物研发需求不断增加情况下，也将冷冻技术数据后续处理服务及结构解析作为重要需求。
3.2. 德锐特科技公司简介
苏州德锐特科技成像技术有限公司成立于2014年，聚焦于冷冻电镜+计算化学+AI，致力于赋能FIC新药研发。作为专注于冷冻电镜计算的一站式服务商，德锐特拥有的客户遍布中国、美国、欧洲的200多家全球顶级知名大学、研究所、药企和CRO等，近3年累计销售额超5000万人民币，已成为冷冻电镜计算领域全球品牌第一。
其项目亮点在于：
1、公司是专注于冷冻电镜技术和计算化学为基础的SaaS+CRO服务商，服务全球Biotech企业，加速新药研发;
2、公司客户遍布全球200多家顶级知名大学、研究所和药企，近三年累计销售额超过5000万元，冷冻电镜计算领域，全球品牌第一，自2022年公司销售进入快速增长周期，预计三年内突破亿元规模，行业内最具商业化能力的公司。
3、创始人是冷冻电镜成像技术的先驱和发明人之一，团队配置完美且合理。
4、公司SaaS及CRO服务覆盖靶点发现到先导化合物优化所有需求。
3.3. 德锐特科技公司发展历程
目前可大体分为两阶段：
第一阶段为生物计算平台的研发阶段：从2014年起将国外较为成熟的冷冻电镜技术引入国内，同时依凭此技术开发生物计算平台，目前冷冻单颗粒数据处理系统发展较为成熟。
第二阶段为服务拓张阶段，与多家名企合作，布局全球：开发新的商业模型，打造新药研发专用生物计算SaaS平台，同时基于SaaS平台提供新型CRO服务，旨在打造全球冷冻电镜计算服务第一品牌。
3.4. 德锐特科技公司核心优势
Single Particle 致力于打造新药研发筛选前期服务一站式平台，为目标客户提供冷冻电镜数据解析的每一个环节，服务涵盖从硬件、操作系统到软件应用的全流程。
3.4.1. 计算服务
德锐特single particle团队具有几十年冷冻电镜与计算化学经验，能够为顾客提供专业的服务与技术支持。
立足冷冻电镜，部署全球最大的结构生物学专用云超算平台,针对分子模拟+量子化学打造一站式计算平台，并可提供CRO服务全新自由能计算算法+AI药物设计和筛选平台。
3.4.2. 技术壁垒
德锐特采用自有知识产权的耐辐照CMOS芯片和电子计数成像方法，可逐步实现从零件到整体的转化，实现下一代电镜相机的商品化，突破国内冷冻电镜制造的卡脖子技术。德锐特通过冷冻电镜获取的数据可以结合SaaS平台,实现全球首创的全自动冷冻电镜数据收集和处理。
3.4.3. 市场先机
冷冻电镜技术在国内较为新颖，目前只有4家公司提供冷冻电镜技术，可以抢占市场先机。同时德锐特single particle 提供结构解析方式与实验外包服务，市场前景较为广阔。
图表25：德锐特科技公司核心服务
数据来源：德锐特single particle、智银全球生物医药项目库
3.5. 德锐特科技公司商业模式
公司以冷冻电镜服务和计算化学出发，构建SaaS平台+CRO服务；同时自研电镜相机，进行硬件设备销售并实现自有电镜运用及开发，以期搭建早期药物筛选管线。
3.5.1. 冷冻电镜计算与服务
树立冷冻电镜服务领域世界领先品牌，构建结构生物学SaaS平台+CRO服务，赋能FIC新药研发。
3.5.2. 透射电镜设备
自研冷冻电镜成像专用CMOS芯片，实现冷冻电镜相机研发和产品化，重构下一代冷冻电镜世界格局。
3.5.3. 早期药物研发筛选
立足丰富科研数据，搭建自有早期药物筛选管线，拓展新的商业布局。
3.6. 德锐特科技公司未来规划
产品发展方面，未来公司计划引入国际新款CPU，在欧洲设立办公室，进一步扩大海外市场。引入冷冻电镜技术及算法开发人才，不断优化自己的产品。自主研发、海外收购、国内收购三条路线并行，丰富冷冻电镜开发产业链。
在市场战略中，目前以高校科研合作为主，2022年-2023年拓展国内自主终端渠道，增加线上自媒体销售模式，与更多药企巨头展开合作，为其提供服务。2023年后强化海外实验室建设及销售渠道，打造全球品牌知名度。
近年来冷冻电镜技术在中国制药行业逐渐展露手脚，新型实验技术对于新药研发具有十分重要的作用，预计在不久的将来对此技术的需求将保持高位，特别是在在新型药物研发需求不断增加情况下，也将冷冻技术数据后续处理服务及结构解析。目前各类技术正逐步走向规范化及恰当应用，另外，中国拥有丰富的患者群体以供临床经验积累和临床试验开展，因此未来的中国市场具有相当强劲的增长可能。
四、国内冷冻电镜市场现状与挑战
4.1. 以科研院所为主，侧重非临床及临床前研究
通过现有冷冻电镜建设及使用单位单位进行分析，高校占到总数的 50%，中国科学院占到总数的 20%。从学科分布来看，学科分布广泛，如材料科学和化学领域（中国科学院化学研究所和长春应用化学研究所）、药物研发设计筛选领域（中国科学院上海药物研究所）、精准医学领域（上海精准医学研究院和北京大学医学部）、病毒研究领域（中国科学院武汉病毒研究所）都使用冷冻电镜开展相关研究。
从成果上讲，现有论文成果更加侧重非临床和临床钱研究，主要研究内容除 30nm染色质外，还包括剪切体、疱疹病毒衣壳、人源γ分泌酶、线粒体呼吸体、人源 26S蛋白酶体、核糖核酸P全酶、捕光复合体、胰腺ATP敏感性钾通道、分子伴侣等生物学领域成果。
4.2. 成本较高、专利技术壁垒高
冷冻电镜是极为精密且昂贵的仪器，需要大量的费用和人力成本来搭建、维护与操作。这一特性在很大程度上限制了冷冻电镜的发展，并将冷冻电镜的机时资源集中在了那些受政府资金扶持的大型机构上。因此，在科研界中，冷冻电镜资源的获取门槛极高。然而，这一门槛正在被逐渐降低：许多国家级设施都启动了冷冻电镜人才培养计划，以降低冷冻电镜运维的人力成本。一些大型制药公司也开始进行内部投资，设立最先进的冷冻电镜设施。此外，冷冻电镜设施的可复制性远超晶体学极其昂贵的同步加速器和线性加速器，使得该技术更有发展前景。随着100kV电子束技术的发展，未来可能会出现性价比极高的冷冻电镜，增加其在药物发现领域中的应用场景。
样品的制备是该技术的一大瓶颈。想要获得蛋白质的三维结构，实验者要花很长的时间来收集足够多的数据。冷冻电镜一直都价格不菲，几乎所有高质量的蛋白质结构都是用Titan Krios冷冻电镜解析的。该仪器价格超过六百万美金，每天的运营成本就超过几大千美金。冷冻电镜集多个学科技术于一体，生产壁垒高，在全球范围内，仅有赛默飞世尔旗下FEI公司、日本电子、日本日立三家企业具有生产能力，其中，赛默飞世尔全球市场占有率最高。
由此来看，未来我国冷冻电镜行业发展面临巨大挑战。大量存在于冷冻电镜制备、使用的技术壁垒导致现在出现大量市场缺口。德锐特将立足于本身的技术冷冻电镜和计算化学技术，结合SaaS、CRO、人工智能和云计算，对新药研发做出贡献。
4.3. 未来应用和发展广阔
在未来，冷冻电镜在药物发现和开发方面的应用将进一步受益于该技术的全面自动化。在载网准备方面，一些自动化工具正在出现，以解决不可重复性和样品浪费的难题。这些技术的改进不仅会提高自动化的程度和可及性，还可能解决冷冻电镜载网制备中的其他难题，如减少颗粒在空气及水中的暴露程度。此外，机器学习方法和深度神经网络也是提高颗粒筛选速度和准确性的关键]。这些自动化方法甚至有望在未来成为冷冻电镜的核心技术，从而推动冷冻电镜在药物发现领域的发展。
主流硬件和软件的改进也有望提高冷冻电镜在SBDD领域的可及性。例如，更高效的检测设备能显著提高冷冻电镜的产能。在一个标准的数据收集过程中，老式的检测器相机可以每次收集1个影像，每小时产生50个影像，而较新的检测器可以每次收集9-16个影像，每小时可以产生超过200个影像，进而转化为每24小时收集的数百万颗粒投影数据。此外，虽然今天许多最高分辨率的结构是用300kV冷冻电镜获得的，但这些机器非常庞大，且前期和维护成本昂贵。在许多情况下，对于单颗粒分析中使用的薄样品，200kV的显微镜可能就足够了，甚至100kV的显微镜也可以用来获得分辨率高达3.4 的结构。德锐特将利用冷冻电镜成像专用CMOS芯片、高速相机等最新技术，助力冷冻电镜的开发与升级。
4.4. 总结
冷冻电镜技术具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象广泛等特点，越来越多的科学家开始把冷冻电镜技术作为研究的一个新方向。同时基于冷冻电镜技术，新药发现和计算方面也迎来突破。将采集数万张至数百万张高分辨率冷冻电镜图片，由特定的算法程序进行数据整理，实现3D重构和靶点筛选，为未来新药公司提供丰富的服务内容。德锐特将在未来冷冻电镜新的技术方法的开发中发挥重要的作用，成为该技术的进一步完善与成熟的力量之一。