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分子诊断前沿科技概述

2021.6.29

按照常规分类，分子诊断技术主要分为两大类：核酸检测以及生物芯片。核酸检测技术具体包括聚合酶链式反应技术（PCR）、荧光原位杂交技术（FISH）以及基因测序技术；生物芯片主要包括基因芯片和蛋白芯片技术。

同时，分子诊断设备已越来越向数字化、自动化、高通量转型，基于杂交的检测技术逐渐被数字 PCR、下一代测序技术（NGS）和核酸质谱所取代，并且分子诊断所能应用到的范围也越来越广，不再局限于遗传病、传染性疾病、生殖健康的检测与诊断。

前沿技术代表：数字 PCR、四代测序、基因芯片、单细胞分析

数字 PCR

数字 PCR（digital PCR）是一种核酸分子绝对定量技术。不同于传统定量 PCR（qPCR），数字 PCR 采用绝对定量的方式，可不依赖标准曲线与参照样本而直接检测目标序列的拷贝数，检测极限可达单拷贝，相比于 qPCR 拥有更加出色的灵敏度、特异性和精确性。

图 | 各代 PCR 技术生命周期（来源：公开资料，CB Insights 中国整理）

数字 PCR 是 PCR 的下一代进化形式。初代普通定性 PCR 目前已经进入衰退期，基本已退出主流市场；二代荧光定量 PCR 是目前的主流技术，应用场景也最为全面，已形成良好的临床基础，处于成长至成熟阶段的时期，市场增速在 15%-20% 之间；以荧光定量为基础的 ARMS、HRM 等分化技术，现在正处于成长期，市场增速在 20% 以上；数字 PCR、多重 PCR 则属于新兴技术，该类产品可进行核酸定量，将是 PCR 领域未来的发力方向，在中国仍处于市场导入期，临床应用仍需进一步培育，市场增速在 15%-20% 之间。

图 | 各代 PCR 技术对比（来源：公开资料，CB Insights 中国整理）

中国数字 PCR 领域初创企业所选择的技术路线多为 ddPCR（droplet digital PCR），即基于微液滴平台的数字 PCR 技术。ddPCR 的工作原理是：首先通过微液滴生成仪将含待测样品均分到大量直径为微米级的 “油包水” 微液滴中，体积为皮升级，数量为十万到百万级。由于微液滴数量足够多，微液滴之间被油层相互隔离，因此每个微液滴相当于一个“微型 PCR 孔”，微液滴中只含有待测样品的单分子 DNA；针对这些单分子 DNA 在每个微液滴中进行 PCR 扩增反应，完成荧光标记和信号放大。

通过微液滴分析仪对每个微液滴荧光信号进行检测，有荧光信号的微滴判读为 1，意味着有一个初始 DNA 分子；没有荧光信号的微滴判读为 0，意味着没有初始 DNA 分子。根据泊松分布原理实现对核酸样本的绝对定量。

图 | 液滴式 ddPCR 简版工作原理（来源：新羿生物，CB Insights 中国整理）

四代测序

测序仪是测序行业“皇冠上的明珠”。基因测序产业链主要分为上游基因测序设备制造厂商，中游面向终端用户的测序服务机构及生物信息分析机构，下游基因测序服务的使用者，包括医疗机构、科研机构、制药公司和个人用户等。其中，产业链上游是技术壁垒最高的环节之一，也是玩家最少的部分。从全球来看，上游基因测序仪大多被欧美大厂所垄断，巨头主要包括 Illumina、Thermo Fisher 以及 Roche。

图 | 一代至四代基因测序对比（来源：SciPhi，CB Insights 中国整理）

中国主流二代测序仪长期被欧美厂商垄断。长期以来，中国的上游基因测序设备及耗材供应基本为外资企业所垄断，NGS 关键技术掌握在包括 Illumina 在内的欧美生产商手里。整个 NGS 液体活检行业对 Illumina 的测序仪及配套试剂依赖严重，从而导至了居高不下的检测成本。尽管目前华大智造势头迅猛，但由于更换全套体系存在巨大的迁移成本，对于使用 NGS 的液体活检厂商来说，换用测序设备需要将整个已经建成的核酸 NGS 体系全部推倒，然后在新的 NGS 平台上进行重新构建，所以目前国产测序仪的发展依然面临着巨大的压力。

图 | 全球十大测序公司 2017 年营收（来源：SciPhi，CB Insights 中国整理）

四代测序是中国企业在测序仪领域弯道超车的机会。在中国，位于产业链上游的公司屈指可数。上游的高价垄断严重限制了中下游的发展，对于市场议价极不利好。随着基因测序行业的发展，中下游提供各种基因测序产品和服务的公司层出不穷，全球基因测序市场以前所未有的速度发展，引领技术革新是走出基因测序下游产业竞争红海的关键，国产替代已成一大趋势。而四代测序则是中国企业弯道超车欧美传统巨头的一大机会。

基因芯片

基因芯片是微阵列技术的一种，主要是采用杂交测序原理定性或定量测量生物体核酸。据公开数据显示，2019 年全球基因芯片市场规模达到 970.2 亿元，其中中国基因芯片市场规模达到 45.1 亿元。预计在 2020-2025 年全球基因芯片市场年均复合增长率达 11% 左右，到 2025 年将达到 1821.4 亿元。中国基因芯片近几年需求也持续扩大，市场规模保持高增速。

图 | 基因芯片原理（来源：3D-Gene）

基因芯片按领域分类主要有用于基因组研究的 SNP 和 CNV 芯片，用于 mRNA 表达研究的基因表达谱芯片，用于肿瘤检测等领域的 microRNA 芯片以及 LncRNA 芯片和 DNA 甲基化芯片。相比于分子诊断领域的其它技术，基因芯片具有通量适中、灵敏度高特异性强等优势，但不能用于扩增序列，检测结果会有假阳性的情况。随着技术的革新，目前的基因芯片可以快速高效地获取空前规模的生命信息，应用场景更加丰富，高质量高密度的基因芯片层出不穷。

图 | 基因芯片与其它分子诊断平台对比（来源：公开资料，CB Insights 中国整理）

单细胞分析

单细胞分析技术（Single Cell Analysis ，SCA）是近年来发展迅速、广受资本关注的又一项可以应用于分子诊断领域的技术。其主要目的在于通过对单个细胞的研究，更好地认识到细胞异质性，并对疾病进行更为全面的解读。已应用到的基础研究型场景包括癌症、免疫学、神经病学、干细胞等；临床应用包括无创产前诊断、体外受精、循环肿瘤细胞（CTCs）等。除分子诊断外，单细胞分析在新药开发领域也值得期待。

单细胞测序技术早在 2011 年就被《自然方法》杂志列为年度值得期待的技术之一，在 2013 年被《科学》杂志列为年度最值得关注的六大领域之首。从 2013 年到 2019 年 Pubmed 发表的有关于单细胞分析技术文献数量来看，呈逐步上升的趋势。

图 | 2013-2020 年 Pubmed 单细胞分析技术文献数量（来源：Pubmed，CB Insights 中国整理）

单细胞测序是基于高通量测序（NGS）方法，检测单细胞基因组、单细胞转录组、单细胞表观基因组及单细胞蛋白组，提供细胞间差异的高分辨率视图，从分子水平揭示细胞奥秘。其中，单细胞转录组测序（Single-cell RNA-sequencing, scRNA-seq）是目前应用最为广泛且相对成熟的单细胞测序方法之一。单细胞测序的主要流程包括单细胞制备、单细胞分离和文库制备、测序和初级分析，以及数据可视化和解读。

图 | 单细胞测序流程（来源：Illumina，CB Insights 中国整理）

目前，在全球单细胞基因测序领域技术较为领先的公司是 10x genomic 公司。在 2016 年公司推出的 10x Chromium Single Cell Gene Expression Solution 平台整合了仪器、试剂盒以及信息学软件，全面对接了 Illumina 测序仪，可实现大量单细胞的快速标记、测序和分析，获得单细胞水平的基因表达图谱以及差异情况，成为了单细胞测序的一个里程碑。该公司在 2019 年于美国纳斯达克上市，首日股价涨逾 40%，目前市值为 121 亿美元。

图 | 单细胞测序试剂输送系统（来源：10x Genomics 官网）

除单细胞测序以外，质谱流式细胞技术也可以通过定量检测单细胞表面的蛋白标志物，用于单细胞层面上的分析。其继承了传统流式细胞仪高速分析的特点，同时具有质谱检测的高分辨能力，是流式细胞技术的一个新的发展方向。除了检测常规蛋白外，质谱流式细胞技术还可用于蛋白翻译后修饰、蛋白降解产物、细胞存活率、细胞大小、mRNA 转录子表达量、DNA 合成速率以及蛋白酶活性等的测定。