行业|基因测序仪——在技术更迭中找寻突破垄断之路
一、背景
1、基因测序技术
基因是DNA分子上的一个功能片段，是遗传信息的基本单位，是决定一切生物物种最基本的因子。基因测序是指通过测序设备对脱氧核糖核酸(DNA)的碱基排列顺序进行测定，从而解读DNA的遗传密码，为生命科学研究、临床诊断和治疗等提供指导的过程。
基因测序是一种新型基因检测技术，能够从血液或唾液中分析测定基因全序列，预测罹患多种疾病的可能性，个体的行为特征及行为合理，如癌症或白血病，运动天赋，酒量等。基因测序相关产品和技术已由实验室研究演变到临床使用，与精准医疗和大数据息息相关，可以说基因测序技术，是下一个改变世界的技术。
基因测序仪的技术壁垒较高，同全球市场格局相似，我国基因测序仪市场被Illumina公司以70%以上的份额垄断，导致其它新兴公司介入该市场尤为困难。
目前基因测序仪在技术上正面临由二代技术向更高水平三代技术的更迭，但由于新兴的三代技术目前存在准确率不高的问题，产品技术的更新换代尚未完成。国内相关公司若能抓住契机，率先突破技术问题，或可打破市场垄断，开辟出基因测序仪国产化的道路。
2、基因测序产业链
基因测序全产业链划分为上游的测序仪器与试剂耗材市场，中游的基因测序服务市场和下游的生物信息学分析市场。中下游市场面向群体包括医院、药厂、科研机构以及消费者等，可分为医疗和非医疗两个领域。
测序仪器与测序的试剂耗材通常是配套使用的，因此基因测序仪是测序产业链的起点也是关键环节，它为整个中下游测序服务提供最基本的测序支撑。
基因测序产业链
二、基因测序技术发展
测序技术是基因测序仪器的核心所在，迄今为止已历经几代的发展。
基因测序技术发展
1、第一代测序技术
早在1954年，Whitfeld等就提出了测定多聚核糖核苷酸链的降解法，但由于操作复杂等原因，该方法并没有被广泛应用。在1977年，Sanger等提出了经典的双脱氧核苷酸末端终止测序法。此后，在Sanger法的基础上，80年代中期出现了以荧光标记代替放射性同位素标记、以荧光信号接收器和计算机信号分析系统代替放射性自显影的自动测序仪。另外，90年代中期出现的毛细管电泳技术使得测序的通量大为提高。
Sanger法测序原理
除此之外，这一时期还出现了一些其他的测序方法，如焦磷酸测序法（pyro sequencing）、连接酶测序法（sequencing by ligation, SBL）、杂交测序法（sequencing by hybridization,SBH）等。其中焦磷酸测序法即为后来Roche公司454技术使用的测序方法，连接酶测序法即为后来ABI公司SOLiD技术使用的测序方法。
2、第二代测序技术
进入21世纪后，以Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa技术和ABI公司的SOLiD技术为标志的第二代测序技术诞生并成为市场的主流。与第一代技术相比，第二代测序技术不仅保持了高准确度，而且大大降低了测序成本并极大地提高了测序速度。第二代测序技术的核心思想是边合成边测序（Sequencing by Synthesis），即通过捕捉新合成的末端的标记来确定DNA的序列，具体合成测序过程因为技术平台的不同而有一定差异性，其各有优缺点。以下将以国外龙头公司的相关产品为例对二代测序产品进行介绍：
2006 年，Illumina公司收购Solexa公司，获得新一代高通量测序技术并把该技术发展成为市场上的主流技术，目前提供HiSeq4000、HiSeq3000、HiSeq2000、MiSeq等测序系统。Hiseq是一种基于单分子簇的边合成边测序技术，基于专有的可逆终止化学反应原理，实现自动化样本制备和大规模平行测序，其文库片段的扩增是通过桥式PCR来实现。MiSeq系列以边合成边测序技术为基础，通过可逆终止方法对数百万个片段同时进行大规模平行测序，具有测序速度快，数据准确率高的优点，可实现300bp×2的测序长度，应用广泛。但是，基于DNA模板扩增，这两种在组装高GC含量基因组时尤其受限，最重要是较短的测序读长不利于组装基因组。
二代技术方法原理
2007 年Roche公司推出了Genome SeqencerFLX（GS-FLX）测序平台，建立在454焦磷酸测序原理上的一种高通量测序。比起其它二代测序平台，具有较长的读长。目前GS FLX测序系统样品序列片段读长已超过400bp，而最新的454技术最长读长能达到1kb,平均读长700bp，而且不需要荧光标记的引物或核酸探针，也不需要进行电泳，具有分析结果准确、快速、灵敏度较高等优点。然而，454方法的测序成本比其他新一代测序平台高，并且与其他第二代测序平台相比，无法准确测量同聚物的长度会导致结果不准确，但该技术在基因组从头测序、转录组分析等领域仍有着广泛的应用。
第二代测序技术的突出点是以高通量、低成本为主，然而，第二代测序的较短读长不利于生物信息学分析，而且，扩增PCR前后的DNA分子片段数目比例有偏差，这对基因表达、尤其是对大量表达的基因影响会更大。这些缺点在一定程度上制约了第二代测序技术的应用和发展，推进第三代单分子测序技术应运而生。
3、第三代测序技术
鉴于一代和二代测序存在依赖于模板扩增以及序列读长限制等的缺点，为了补充和进一步完善测序技术，近几年研发出最新一代的测序方法——单分子测序技术(Single-molecule sequencing)，主要包括Heli⁃cos公司的真正单分子测序技术（tSMSTM）、Oxford Nanopore 公司的单分子纳米孔测序技术、Pacific Biosciences（PacBio）公司的单分子实时测序技术（SMRT）等。
SMRT测序方法是目前最被看好的三代测序方法，具有超长读长、测序时间短、无需模板扩增和直接检测表观修饰位点等特点，不仅在小型基因组中的已有良好应用，在大型基因组，甲基化研究，及RNA直接测序测等领域也越来越发挥优势，但SMRT测序的低准确率备受争议，SMRT测序的错误率大约是15%，碱基错测率约1%。
SMRT方法原理
由于3代测序技术各有优缺点，应用的领域也不尽相同，因此第一代测序技术仍未被淘汰。目前的测序市场是3代测序技术并存的局面，第三代测序进入壁垒最高，而且技术还不成熟，目前只有Pacific Biosciences、Oxford Nanopore Technologies 等少数几家公司拥有相对成型的技术。
三、基因测序仪产业格局
1、全球市场格局
测序的试剂和耗材通常需要与测序仪配套使用，垄断了测序仪市场也就意味着同时垄断了测序试剂和耗材。因此测序行业上游竞争的核心还是在于测序仪的竞争。此前，全球的测序仪市场被Illumina、Life Technologies（2012 年被Thermo Fisher 收购）和Roche 三家公司瓜分，长期于寡头垄断的局面，其中又以Illumina的市场份额最大。Illumina通过对技术的不断更新换代及与相关公司进行垄断性技术合作，蚕食剩余市场份额，逐渐形成其在测序仪市场的霸主地位。至2016年，Illumina的市场份额已增长至84%。
2013年与2016年全球测序仪市场分布对比
通过观察当前市场上主流的二代产品及公司的发展趋势可以看出，产品研发的模式主要存在自主研发和外延并购两种。在产品研发的初期，企业多以自主研发为主，待市场逐步走向成熟后企业之间的并购逐渐增加，如2006 年Illumina 收购Solexa、2007 年Roche 收购454 Life Sciences、2010 年Life Technologies 收购Ion Torrent 等。正是由于这种发展模式，第二代测序技术发展初期出现多家强力企业相互竞争的局面，而发展到一定程度以后，随着优秀产品的不断壮大以及重大并购事件的发生，测序仪产品的行业集中度不断增加，导致强者逾强，在短期内，Illumina等公司的行业垄断地位很难被打破，其它新兴公司也很难介入该市场参与竞争。
2、国内市场格局
测序仪市场准入壁垒很高，全球市场长期被国外几家大的测序仪生产所垄断。虽然我国对基因科技的研究并不落后于发达国家，但我国的基因测序相关产业，长时间处在基因测序产业链的中下游，直至华大于2013年收购美国的测序仪上市公司CG，我国的基因测序相关产业才开始真正布局上游。
近年来，我国的测序企业突围的模式主要有3 种：（1）并购国外的测序仪生产企业，在其核心技术的基础上迚行改造升级，推出自主品牌的测序仪，以华大基因为代表。（2）自主研发，以华因康基因、紫鑫药业等公司为代表。然而，无论是并购还是自主研发得测序仪，跟市场上主流进口癿测序仪相比还是存在诸如性能差、成本高等弊端。（3）与国外知名测序仪生产企业合作，在其测序仪原型的基础上加以改造，形成具有特殊用途的自主品牌的测序仪，由于主要是在国外相关技术上进行一些改进，该系列产品通过CFDA较为容易，代表公司是贝瑞和康、达安基因和博奥生物等。目前国内共有9款基因测序仪通过CFDA认证。以下将对相关公司的代表性产品进行具体介绍：
（1） 华大基因BGISEQ系列
华大基因BGISEQ-500
华大基因在2014到2016年间分别推出了自主测序仪BGISEQ-1000、BGISEQ-500和BGISEQ-50，在2017年又发布两款高通量测序系统MGISEQ-2000 及 MGISEQ-200，其中BGISEQ-1000和BGISEQ-500已经获得CFDA批准。
(2)贝瑞基因NextSeq CN500
贝瑞基因NextSeq CN500
这款测序仪由贝瑞基因和illumina合作开发，是一款为满足中国临床需求而设计制造的产品，已经在2015年获得CFDA批准。NextSeq CN500采用illumina边合成边测序的技术原理，在保证数据精准度的同时，可一次处理96个NIPT临床样本。
(3)达安基因DA Proton
达安基因DA Proton
达安基因DA Proton是由Life Technologies公司技术授权国产化的测序仪，于2014年获得CFDA认证。DA Proton使用的是半导体芯片，可在几小时内提供人类基因组、人类外显子组或整个转录组信息，较其它测序技术更快速，能够充分满足无创产前检测早期、快速、低成本的要求。
(4)博奥生物BioelectronSeq 4000
博奥生物BioelectronSeq 4000
BioelectronSeq 4000是由博奥生物集团与美国Thermo Fisher公司合作在国内研发、生产的新一代高通量测序仪。该款测序仪也采用半导体芯片测序技术，能够通过生物电子芯片对核苷酸聚合反应中的酸碱度信号进行检测，用于人脱氧核糖核酸（DNA）测序，以检测基因的序列变化。该测序于2015年获CFDA批准，适合用于医院独立开展基因检测工作。
(5)安诺优达NextSeq 550AR
安诺优达NextSeq 550AR
NextSeq 550AR是一款桌面测序仪，由安诺优达和illumina合作开发。NextSeq 550AR由安诺优达在中国独资进行研发生产、应用开发以及注册报批。该设备采用了Illumina最新研发的双通道“边合成边测序(SBS)”技术和经典的“可逆末端终止子”专利技术，同时具备临床和学术应用延展性，包括PGS、液体活检、FFPE测序、遗传病检测等都可以在此测序平台上进行试剂盒的开发和注册。该产品于2017年获CFDA批准。
(5)华因康HYK-PSTAR-IIA
华因康HYK-PSTAR-IIA
华因康的HYK-PSTAR-IIA成为我国首个通过创新医疗器械特别审批程序的基因测序仪，于2014年12月获得CFDA的医疗器械注册证。HYK-PSTAR-IIA测序仪采用了光学检测技术，其中核心的生化反应以及相关试剂等方面都拥有自主知识产权。与目前大多数科研型测序仪不同的是，HYK-PSTAR-IIA测序仪是专门定位为临床应用的，因此更重视测序周期、精确度和临床的适用性。
(6)中科紫鑫BIGIS
中科紫鑫BIGIS
BIGIS整合了一系列机电控制、微流体、光学和软件控制系统，可广泛应用于医药健康领域、动植物研究领域、检验检疫及其它基因组学相关领域。利用该系统对海洋中温菌新种Glaciecola mesophila进行了全基因组测序和分析，研究结果已发表于《Science China Life Sciences》杂志，获得了国内外同行的认可。围绕该系统已申请或正在申请国家专利二十余项，初步实现了保护性专利集群。
(7)瀚海基因GenoCare
瀚海基因GenoCare
与前面的测序仪都不同，GenoCare是一款三代测序仪，由南方科技大学与瀚海基因联合开发。由于准确度有待提高，三代测序在临床的应用一直略显鸡肋。GenoCare是目前全球唯一用于临床应用的第三代基因测序仪。
据公司方面称，其技术已达世界领先水平，一旦产品量产并商用，全基因测序费将由目前二代的1000美元锐降至100美元，测序时间周期也将大幅缩短——从二代的1个星期缩短至1天。
国内相关企业正在努力进行技术创新，创造出高质量的新型国产测序仪。能否抓住产品更新换代的契机，率先进行突破，打破行业垄断，开辟出基因测序仪国产化的道路，我们拭目以待！
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作者：史超
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