基因测序产业 被低估的生化巨人.doc
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1、基因测序产业 被低估的生化巨人2014-05-22i投资作者: 谢伟玉 王胜 杜舟近年来,基因检测成为一个热门话题,在美股受到的认可度很高,特别是龙头Illumina,在截至今年3月的过去一年罗素3000成份股涨幅榜排第三名,其基因测序技术更是名列全球最聪明的50家公司之首。在国内,基因测序也早已出现,中国1999年参与人类基因组测序项目,并培育出华大基因这种全球知名的基因测序公司。本文试图探究全球和中国基因测序行业的发展和前景,我们认为基因测序产业在中国的发展空间巨大,A 股目前对这一领域存在低估,未来有望成为市场一大热点。一、基因测序的定义和技术:日趋成熟(一)什么是基因测序基因检测(DN
2、A sequencing,或称DNA 定序)是指分析特定DNA 片段的碱基序列,而每个碱基包含4种成分腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)与鸟嘌呤的(G),基因测序即如何解读这四个编码的含义及其排列方式,典型的识别技术包括全基因组关联分析(GWAS)。简单来说,基因测序行业就是利用仪器对基因进行测序,通过高科技的体检来预测患某种病的风险,从而提前采取措施。它被誉为防治遗传病最好的技术,只需采集几毫升血液或唾液,就可以预测其患癌症、白血病等疾病的风险,并提出相应对策。从分类来看,基因测序属于体外诊断行业(IVD),即通过对体液、细胞、组织等人体样本进行体外检测,用于防治疾病、预测遗传性疾病
3、等。IVD包括生化诊断、免疫诊断、分子诊断三个主要方式,以及微生物诊断、尿液诊断、凝血诊断、组织诊断、血液学和流式细胞诊断等其他方式,按其中分子诊断增长最快、技术要求最高,主要是指应用分子生物学的方法,检测受检个体的遗传物质或病毒、病原体的基因结构与类型,进而检测诊断遗传病、传染病、肿瘤等。分子诊断又可以进一步细分为核酸诊断(NAT)和生物芯片等,其中生物芯片因成本高、技术还不成熟而存在推广障碍;核酸诊断壁垒较低,主流技术是体外核酸扩增技术(PCR),而基因测序正是其未来的发展方向。对比全球和中国的体外诊断市场,中国过度依赖免疫诊断和生化诊断,对基因测序等分子诊断重视不够,而近年来分子诊断由于
4、基数低,年均增速高达20%左右,超过全球的平均增速10%,未来市场份额至少扩大1倍。从基因测序的意义来看,快速和准确地获取生物体的遗传信息对于生命科学研究一直非常重要,而这些信息都包含在基因组中,如何解密则成为关键。基因测序技术能够真实地反映基因组DNA 上的遗传信息,进而比较全面地揭示基因组的复杂性和多样性,因而在生命科学乃至医疗应用的重要性不言而喻。作为一种研究手段,随着成本的降低,基因测序正走出实验室,面向普通人,未来医用乃至家用是重要方向,科学家正逐步研究具体基因段的作用及其在医疗等领域的应用,并取得了一定成功。(二)基因测序行业的发展:步入应用阶段1975年至今,基因测序技术经历了第
5、一代桑格法、高通量新一代测序法、单分子测序法,其中第二代已比较成熟,在全球有广泛应用,而第三代正在研发中。第一代DNA 测序技术是指1975年由桑格(Sanger)和考尔森(Coulson)开创的链终止法、以及1976-1977年由马克西姆(Maxam)和吉尔伯特(Gilbert)发明的链降解化学法,他们都因此获得诺贝尔奖。此后几十年,桑格法不断改良而成为主流,两大技术突破在于:(1)1986年,开发了以荧光监测的自动化平台,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。(2)90年代,出现毛细管电泳技术,使高度平行的自动化检测成为可能,大大提高效率,
6、建立了高通量Sanger 测序方法,并在此基础上开展人类基因组计划,降低测序成本并提高效率,为基因测序未来的商用和医用奠定基础。特别值得一提的是,1990年至2001年开展人类基因组跨国计划,这是史上最大的生物学计划,于2001年发布了人类基因组草图。桑格法的缺点也很明显:(1)技术上,由于“生物学偏好”,某些染色体无法通过桑格方法复制分析;(2)成本高,测出1kb碱基要花1美元,那么测10亿个碱基的基因组要花1000万美元,一般实验室难以承担大型测序计划;(3)测序速度慢,至少要几周。(4)处理和分析能力有限,基因组拼接上有局限。新一代测序技术(Next-Generation Sequenc
7、ing)应运而生,采用了循环芯片测序法,意在降低成本、促进测序技术在医学和其他领域的应用。2004年,454公司生产出第一台商业化新一代测序仪基因组测序仪20,开创了边合成边测序的先河,此后454公司被Roche公司收购,2006年推出第二代的基因组测序仪FLX,迎来第二代测序技术的高峰。代表技术除了Roche公司的454 技术,还有illumina公司的Solexa技术以及ABI公司的SOLid技术。新一代测序技术有两大特点:(1)超高速且高通量。短时间内从样本基因中取得大量的数据然后进行分析,平均每天能产出500Mb,是人类基因组测序效率的1000倍。(2)准确度提高且成本降低。第一次人类
8、基因组测序耗时13年,成本为27亿美元;到2008年11 月,基因组测序仅用一两周,花费10万美元,更具有突破性的进展在于:今年,Illumina宣布新仪器可将全基因组序列的测序成本降到1000美元以下,这将是新的一个里程碑,基因测序获得广泛应用将不再是梦,将极大拉动市场需求。更令人欣慰的是,成本降低和测序能力增强同时进步,90年代初,自动化测序每天完成1万个碱基对的测序,单位成本是10美元,90年代中期,毛细管测序的应用将每天监测的碱基对提高至1.5万个,2005年更增至100万个以上,单位成本降至1美元。2010年每天测序的碱基对增至250亿个,检测速度上千倍提高,单位成本从0.01美元降
9、至0.000001美元。新一代技术的主要缺陷在于测序片段长度短,均明显短于传统技术;而且准确率低,平均来看只有传统技术准确率的十分之一,主要因为由于测序样本较短,要对片段进行扩增,这样会增加错误率。因此,在新一代测序技术迅猛发展的同时,第三代测序技术也在实验室研制中。与前两代技术相比,他们最大的特点是单分子测序,不需要扩增这一环节,大大降低了错误率。主要代表是Helicos 公司的Heliscope单分子测序仪, Pacific Biosciences公司的SMRT技术和Oxford Nanopore Technologies公司正在研究的纳米孔单分子技术。三代测序技术都有其优势和局限,要做特
10、定目的的基因分析应用,必须进行合理评估以选择合适的测序平台、配合使用。虽然第二代和第三代平台有很大的通量,但基于桑格技术的毛细管电泳测序仍是超高精度测序的黄金标准,是唯一能提供从头测序、从头组装技术的技术。中国基因测序技术起步较早,但前期发展较慢,近年来发展迅速。从20世纪80年代发展至今已有30多年,也经历了三个阶段:(1)80年代,利用DNA分子杂交技术进行遗传病的基因诊断,最早报道的是1983年,中国医学科学院等单位完成对地中海贫血的产前基因诊断,但还停留在大学和研究所阶段,没有进入临床实验室;(2)90年代以来,基于核酸扩增技术(PCR)的基因诊断,用定量PCR 和实时PCR来检测多种
11、DNA 和RNA 病原体载量,开始进入临床实验室;(3)1999年中国参与国际人类基因组计划至今,以第二代高通量测序为主,一些医院已采用基因测序,开始进行临床试点。从技术水平来看,中国基因测序技术整体仍落后于发达国家,不过华大基因等龙头不少技术处于世界领先水平,复旦大学、中科院、清华大学、联合基因有限公司、军事医学科学院等单位已在基因芯片技术方面取得了较大突破,如乙肝基因芯片检测步入实用阶段,能早期诊断、预防和治疗的“肿瘤基因芯片诊断试剂盒”已研制成功,而紫鑫药业等公司生产的基因测序仪也已达到第二代测序技术,并成功解决其测序片段长度短的缺陷。制度反而成为国内基因测序技术发展的最大不确定性。基因
12、测序技术在中国尚未取得临床体外诊断应用许可,尚处于试点期。今年2月9日,国家药监总局和卫生计生委叫停了基因测序的临床应用,但紧接着3月6日,卫生计生委又迅速开放了临床应用试点,政府态度出现明显改变,有利于行业的健康发展。不过,国外亦不乏对基因测序技术加强监管的案例,美国采用了有效兼顾监管和鼓励创新的“实验室开发诊断试剂监管模式”(LDT),即在实验室内部研发、验证和使用,以诊断为目的进行体外诊断实验,取得临床实验室改进修正案(CLIA)标准相关认证后,检测结果即可用于指导临床诊疗,预计中国未来也可能参照这种模式。二、基因测序的广泛应用:破译生命密码21世纪是生物技术的世纪,也是基因的世纪。随着
13、基因技术的不断突破和成本不断降低,通过检测基因来检查健康状况甚至预测疾病,进行保健和治疗,将帮助人们从被动预防治疗走向主动预知健康,这是一次医学史上的全新改变。基因测序最直接的应用是个性化医疗,即通过检测来明确病因(尤其是遗传病和传染病)、准确告知使用哪种药物治疗及其副作用、甚至通过修正基因来治病,此外也有助于普及医疗知识、达到预防保健的效果。基因测序可以检测任何人身上的基因,检测其患某种病的发生概率、易感性和抗药性,从而告诉患者如何预防,对于已查出的病,医生可以对症下药、并根据个人情况而适用不同剂量以增强疗效并最小化副作用。从临床应用来看,全基因组测序(WGS)主要应用于肿瘤、癌症、传染病、
14、自身免疫病和器官移植,目前白血病、肺癌、乳腺癌、胰腺癌等均已被测序,未来更多疾病也将被测序。在中国,基因检测试剂也被逐渐应用于各大医院(见下表)。单从癌症来看,基因测序是治疗癌症的第一步,进而研究导致癌症的致病基因和驱动突变,进而攻克癌症。现在,每年用传统疗法治疗癌症要花费超过800亿美元,其中75%是没效果的,造成巨大浪费,而基因疗法有的放矢,潜在市场极其巨大,例如,基于基因疗法的靶向治疗癌症的范围和效果过去几年已明显加速。随着测序技术的飞速发展,基因测序的成本不断降低,操作程序简化、测序速度加快,基因测序仪已经走出研究所和实验室,走进了医院乃至家庭,未来将不断推广,在应用领域和范围方面还有
15、广阔的市场空间。例如,2010年期,Complete Genomics 公司(2013年被华大基因收购)就开始提供低成本的全基因组测序“邮购”服务,每月对上千个人类基因组进行测序;Ion Torrent 公司被生命技术(Life Technologies,后被赛默飞公司收购)收购后,推出小型的“桌面”测序仪,技术突破在于这是第一种使用半导体进行测序,专门用于医用测序,如对细菌性病原体快速测序,预估某抗生素对细菌是否有效,当年更重要的一项技术突破在于使用晶体管测序,为未来研发手机大小的便携式测序仪奠定基础。除了医用,基因测序的商用也发展迅速,2007年开始,基因解码(DeCodeGenetics
16、)、23和我(23andMe)两家基因技术公司已开展商业化的全基因组测序,收费995美元/人次,随后基因导航(Navigenics)公司也加入,收费2500美元/人次。颠覆医疗一书对基因测序结果有形象描述,作者埃里克托普披露基因导航公司对其基因测序的结果,得到他患某种病的几率是否高于常人。而实际情况是,他确实已患上骨关节炎,而他患老年痴呆症的概率是常人的2.2倍,是因为他携带了可能导致该病的apoe4基因,此外,他患脑瘤、腹主动脉瘤、心房颤动的风险也在升高。可见,基因测序结果对于每个人的意义在于,如果患黑素瘤的风险高,那么你应避免阳光暴晒;如果患糖尿病的风险高,那么你要多锻炼和减肥;如果患静脉
17、血栓的风险高,那么你要多走路并服用少量阿司匹林来预防;如果患心脏病和心房颤动的风险高,那么你出现胸闷、心跳加快时就应及时看医生。如果通过基因检测在患病前就预知患病概率高,可以有效帮助人们采取措施去避免患病,具有重大意义。从应用范围来看,基因测序技术除了应用于医学、生物学、古基因学、地质学、环境科学等科研领域,而且广泛应用于与DNA相关的领域,如商品检疫、法医鉴定、新药开发、生物农业乃至能源、环境、食品、健康、IT等领域。从市场空间来看,光肿瘤治疗这一目标市场就高达110亿美元,而主要目标市场至少在230亿美元以上。具体来看几个典型应用领域:(一)繁殖健康。对那些即将成为父母的人们,基因检测可以
18、确定其是否有遗传疾病或者基因缺陷,会否遗传给下一代,并可对婴儿状况进行检测。预计繁殖和遗传病在美国的市场空间达到20亿美元,而美国以外的市场可以达到50亿美元。此外,基因测序技术还可以应用到试管婴儿和器官移植,潜在市场非常巨大。(二)农业。这几年,转基因农作物的争议从没有间断过,但是世界人口膨胀的事实无法改变,科学家预测,在50年内人们需要的食物总量要翻一番,依赖现有资源难以满足迅速增长的需求。尽管仍有争议,如何在对人体无害的前提下,提高低成本的转基因农作物的质量和产量,成为未来解决这一问题的方向之一。例如,华大基因利用高通量的基因操作和快速、可控、高效的全基因组分子育种技术(包括“手工克隆”
19、、显微注射、单精注射等),提供基因克隆、载体构建、植物遗传转化、分子鉴定、功能筛选、生物育种等服务,降低成本且提高效率和质量,实现规模化生产,从而促进农业发展。三、基因测序的市场格局:三国演义近几年来,随着基因测序技术的进步,基因测序行业进入高速发展时期。根据研究机构BCC今年2 月的测算,全球的基因测序产品2012年达到35 亿美元,2013年估计为45亿美元,2018年预计达到117亿美元,这五年的复合增速高达21.2%,远超过体外诊断市场5.1%的增速(EvaluateMedTech 2012年预测),可见基因测序市场的发展潜力和空间很大。从组成部分来看,全球基因测序市场的增长点从基因测
20、序仪转到基因测序服务。未来几年,预计增长最快,将超过器械销量,工作流产品增速也较高。而中国由于发展相对滞后,未来几年的增长点还在于基因测序仪和配套设备的研发和销售。从区域来看,由于基因测序起步于美国,美国目前占比最大,不过近年来在亚洲崛起,特别是中国将成为全球增长最快的市场。TechNavio分析机构统计的2012年全球基因测序设备和服务市场数据显示,美国占64.4%,欧洲、中东、非洲(EMEA)占23.42%,亚太地区只占12.18%。不过亚太地区尤其是中国和印度的增速最快,以占基因测序市场70%的新一代测序市场为例,2012年至2017年中国和印度的复合年均增速均介于20%-25%,为全球
21、各国基因测序增长最快的市场。尽管过去几年基因检测产业在我国发展较慢,基因检测试剂市场预计不到7.8亿美元,这是根据2013年体外检测试剂约为155亿元、而分子试剂占比为5%推断而得。2012年底,国务院发布的生物产业发展规划明确提出发展细胞治疗、基因治疗等新技术与装备,培育基因测序、分析测试和生物信息等专业服务企业,并建立国家人类重大疾病相关基因资源库,建设常用中药材和的基因库、重要农林生物基因信息库。不过随着中国收入增加、健康意识的提升,接受基因检测的人数有望加速增长。目前,中国基因测序重点集中在北京、上海、深圳,未来一方面扩大已有城市的覆盖面,另一方面有望延展到二三线城市。从人均需求来说,
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