全世界都在問,到哪里去找持續(xù)高景氣行業(yè)?
我們已看見生成式AI釋放的巨大市場空間,同樣的邏輯,隨著技術(shù)進(jìn)步,基因測序行業(yè)成本降速超越摩爾定律,驅(qū)動廣泛的應(yīng)用場景打開,千億美元級市場正在被喚醒。
高景氣使得各路資本、創(chuàng)業(yè)企業(yè)開始躁動,引爆一場測序技術(shù)代際之爭,新入場者大力渲染第四代測序技術(shù)(納米孔測序)比第二代測序技術(shù)(NGS,高通量測序)更先進(jìn)的觀點(diǎn)。這是一種商業(yè)策略,營造后來居上的假象,以此吸引資本與公眾的關(guān)注度。
其實(shí),測序只有技術(shù)路線和適用場景的差異,不存在一二三四代的代際劃分,也沒有嚴(yán)格的替代關(guān)系。納米孔測序與高通量測序(NGS)各有優(yōu)劣,是一種平行競爭的關(guān)系。
正是多種技術(shù)路線并行促進(jìn)共同進(jìn)化,使基因測序蛋糕做得更大。NGS當(dāng)前占據(jù)接近80%市場份額,隨著技術(shù)邊界拓寬,仍將長期保持主流地位。納米孔測序應(yīng)用場景目前主要在科研方向,從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品化還有長路要走,中短期不具備與高通量、低成本、大規(guī)模應(yīng)用的NGS的一戰(zhàn)之力。
01
國產(chǎn)測序儀爭奇斗艷
基因測序涉及國家安全,在原本最有可能卡脖子的領(lǐng)域,幸好國產(chǎn)崛起。
基因測序儀技術(shù)門檻高聳,一度呈寡頭壟斷格局,2019年,Illumina、Thermo Fisher在全球的市場份額合計(jì)達(dá)到87.7%。
這意味著一旦測序儀、配套試劑進(jìn)口被管制或者產(chǎn)品提價,將對國內(nèi)基因測序行業(yè)產(chǎn)生較大的沖擊。
不過,這種局面不會出現(xiàn)了。2022年,華大智造在中國測序設(shè)備市場份額(按當(dāng)年新增銷售臺數(shù)計(jì)算)達(dá)39%,超過Illumina。
2023年2月20日,國際頂刊《nature》雜志在一篇文章中介紹當(dāng)下國際基因測序設(shè)備行業(yè)的分布情況,其中被提及的唯一一家中國基因測序設(shè)備企業(yè)華大智造,是目前市場上全球唯二產(chǎn)品能夠覆蓋高中低不同通量的公司之一,具備全球競爭力。
華大智造核心產(chǎn)品不僅能夠比肩Illumina同級產(chǎn)品,并在部分關(guān)鍵指標(biāo)上領(lǐng)先。2022年9月,Illumina發(fā)布突破性新產(chǎn)品NovaSeq X系列,而華大智造已分別在2018年和2020年發(fā)布針對高通量測序客戶需求的儀器DNBSEQ-T7和DNBSEQ-T10ⅹ4。DNBSEQ-T10ⅹ4的日通量高達(dá)17-18Tb,遠(yuǎn)高于NovaSeq X系列產(chǎn)品。同時,DNBSEQ-T7平臺針對數(shù)據(jù)交付實(shí)效性要求高的客戶,在同樣產(chǎn)出6T的通量水平下,比NovaSeq X系列產(chǎn)品速度更快。
今年2月,華大智造重磅發(fā)布超高通量測序儀DNBSEQ-T20ⅹ2,該產(chǎn)品同時刷新了業(yè)內(nèi)通量和單例成本紀(jì)錄。根據(jù)官網(wǎng)介紹,DNBSEQ-T20×2單次運(yùn)行通量為常規(guī)超高通量測序儀的4.5倍到7倍,每年可完成高達(dá) 5 萬人全基因組測序,且單個人全基因組測序成本降至低于 100 美元。
隨著整個市場、技術(shù)和供應(yīng)鏈的成熟,特別是國內(nèi)核心部件,如精密位移臺、光學(xué)部件和芯片技術(shù)的發(fā)展,國產(chǎn)納米孔測序儀新晉廠商相繼涌現(xiàn)。
國產(chǎn)測序儀開始爭奇斗艷。一些帶有商業(yè)目的的論調(diào)被放大并充斥市場,比如強(qiáng)行劃分測序技術(shù)的一二三四代,比如強(qiáng)調(diào)四代完爆二代三代測序、三代完爆二代一代測序,讓大家誤以為代際之間是替代關(guān)系。
事實(shí)上,國產(chǎn)納米孔測序儀雖可以實(shí)現(xiàn)超高讀長,達(dá)到10kb 到數(shù)百kb(千堿基對),但由于成本與準(zhǔn)確率上仍存在不足,目前還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用普及,而且在專利上需要突破的阻礙還很多。即便是全球納米孔測序儀龍頭Oxford Nanopore(ONT),優(yōu)勢在于讀長更長,但其單個堿基錯誤率在 1~10%左右,也高于高通量測序技術(shù)。
02
代際劃分不科學(xué)
測序技術(shù)路線分為四種,而不是四代的迭代關(guān)系。第一種是Sanger法,具備較長讀長和較高準(zhǔn)確率,但通量低、成本高;第二種是NGS,也就是高通量測序,也稱大規(guī)模并行測序,高通量、高準(zhǔn)確性,成本快速下降;第三種是PacBio測序(單分子熒光測序),準(zhǔn)確率高,超長讀長,但測序價格高企,應(yīng)用范圍受限;第四種是納米孔測序,2014年,ONT的首款商用設(shè)備MinION(便攜式測序儀)誕生,憑借U盤式、超長讀長、實(shí)時結(jié)果、按需測序的特點(diǎn)受到市場關(guān)注。
測序技術(shù)路線
按出現(xiàn)的先后順序強(qiáng)行以一二三四的代際進(jìn)行劃分,與四種技術(shù)路線并行存在、各有優(yōu)劣的現(xiàn)實(shí)不符,有誤導(dǎo)之嫌,特別是NGS與納米孔測序?qū)儆诟偁庩P(guān)系,而不是替代關(guān)系。
納米孔測序與NGS最直觀的差別,在于分別是長讀長測序、短讀長測序,可用打靶來解讀。
長讀長模式:在1000米的距離上按照直線布置10個靶子,用狙擊槍一槍射穿10個靶子,但10個靶子不在一條直線上時,將出現(xiàn)精度錯誤。
短讀長模式:在100米的距離上橫向布置10個靶子,10個人用沖鋒槍分別射擊,也是合計(jì)射擊1000米,也照樣都中靶。
而且沖鋒槍一個彈夾可能比狙擊槍一發(fā)子彈還便宜。
長讀長與短讀長,究竟哪個厲害?還是要看應(yīng)用場景。
以PacBio/ONT為代表的長讀長測序,在成本和精度上,與NGS還存在著較大差距。ONT的Simplex測序精度仍然在Q20(錯誤率1%)掙扎,價格依然在400-600美元/genome以上,是NGS成本的數(shù)倍。
長讀長測序應(yīng)用場景局限于基礎(chǔ)科學(xué)研究,NGS在臨床上的應(yīng)用已非常成熟,納米孔測序即使在準(zhǔn)確率提升之后進(jìn)入這個市場,想要完全替代原來的應(yīng)用成本太高,因此并不現(xiàn)實(shí)。
在人類健康領(lǐng)域,從無創(chuàng)產(chǎn)前篩查、單基因遺傳病篩查、腫瘤早篩、用藥檢測、藥物基因組學(xué)、mNGS,每一個領(lǐng)域NGS都是主流。這些應(yīng)用場景比拼的是序列(reads)數(shù),比拼特定靶點(diǎn)或靶序列的檢測準(zhǔn)確性,而不是能測多長。NGS可同時實(shí)現(xiàn)對數(shù)百萬條reads的深度測序,有甚者比如華大智造的T系列,可實(shí)現(xiàn)數(shù)十億條reads的深度測序。且NIPT、腫瘤液體活檢應(yīng)用目標(biāo)片段不到200bp,超長讀長根本用不上。
03
NGS可能永遠(yuǎn)不會被替代
一個有趣的趨勢是,納米孔測序與NGS都在向彼此的優(yōu)勢靠攏,共同促使測序技術(shù)趨于完美,測速成本降速超越摩爾定律,將帶來下游生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的爆發(fā)。據(jù)illumina在2023年JP Morgan醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)年會上發(fā)布的數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)2027年,全球測序應(yīng)用總目標(biāo)市場將達(dá)1200億美金,其中臨床市場比約80%。
自2010年P(guān)acBio第一款商業(yè)化機(jī)型PaciBioRS問世以來,以PacBio/ONT為代表的長讀長測序與以illumina/ MGI華大智造為代表短讀長測序(NGS)的商業(yè)戰(zhàn)爭,已持續(xù)13年。
但這不是一種你死我活的迭代之戰(zhàn),其實(shí)雙方都在吸納對方的長處,推動測序行業(yè)快速升級。
長讀長測序還有較大優(yōu)化空間,PacBio最新推出的Revio系統(tǒng)可將基于HiFi的人類全基因組測序推進(jìn)至1000美元時代,不及上一代產(chǎn)品成本的1/3。納米孔測序過去三年左右準(zhǔn)確率已經(jīng)做到95-97%,甚至單次測序準(zhǔn)確率達(dá)到99.5%,但在客戶端穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)還需要幾年時間。
而NGS以更快的速度攻克納米孔測序所謂的代際優(yōu)勢,這意味著其主流地位將更加穩(wěn)固。
讀長優(yōu)化上,Illumina推出合成長讀長技術(shù)Infinity,可將傳統(tǒng)短讀長測序產(chǎn)生的DNA片段組裝為合成的長read(高達(dá)10kb讀長)。華大智造推出無分隔長片段讀取技術(shù)stLFR, 可獲得橫跨300kb基因組區(qū)域的信息,實(shí)現(xiàn)測序高精度與長讀長優(yōu)勢相結(jié)合。
成本優(yōu)化上,2022 年 9 月,Illumina Novaseq X 將運(yùn)行成本降至一個基因組 200美元;2023年 2月,華大智造DNBSEQ-T20×2,進(jìn)一步將單個人全基因測序成本降低至 100 美元,實(shí)現(xiàn)全球最佳規(guī)模成本。
速度優(yōu)化上,華大智造DNBSEQ-G99是目前全球中小通量測序儀中速度最快的機(jī)型之一,在SE50的測序模式下僅需3小時即可完成測序工作。
便攜優(yōu)化上,華大智造推出DNBSEQ-E25,占桌面積僅0.1 平方米,保持高通量優(yōu)勢,運(yùn)行速度快,大大降低測序門檻。DNBelab C4 便攜式單細(xì)胞系統(tǒng),無需電源,不需安裝和維護(hù),只需輕輕一拉便可實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞液滴生成,堪稱“可裝進(jìn)口袋的單細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室”。
所以,NGS持續(xù)進(jìn)化,在臨床市場的基本盤更加穩(wěn)固,難以被撼動。長讀長測序從未占得上風(fēng),市場占有率不到10%,在臨床商業(yè)轉(zhuǎn)化上偏少。
ONT2022年?duì)I收約1.99億英鎊(含新冠檢測營收5180萬英鎊),核心測序業(yè)務(wù)增長16%,與2021年接近翻倍的情形相比,直接降低一個數(shù)量級。
商業(yè)化多年的Pacbio仍未盈虧平衡,2022年?duì)I收約為1.28億美元(不到illumina 1/30),同比下降1.69%,凈虧損3.14億美元。
華大智造2022年?duì)I收42.3億元人民幣,核心測序業(yè)務(wù)增長37.7%。
我們看見NGS與納米孔測序交織發(fā)展,各有所長,甚至有互相融合的跡象,短讀長測序的優(yōu)勢也吸引到長讀長測序廠商PacBio參與。PacBio在2022年10月推出高精度短讀長測序平臺Onso,將NGS解決方案測序精度推高到恐怖的Q50(錯誤率0.001%),這在對測序質(zhì)量有高要求的應(yīng)用場景,比如腫瘤MRD(Minimal Residual Disease)檢測中至關(guān)重要。
憑借國內(nèi)制造業(yè)成本優(yōu)勢以及工程師紅利,國產(chǎn)測序儀已在全球破局。華大智造技術(shù)逐步比肩Illumina,并與Illumina在美國、部分歐洲國家實(shí)現(xiàn)專利和解,海外成長之路已鋪平。2022年,華大智造在美國、巴西、英國等地新設(shè)5家本地子公司,將加速收獲全球市場份額。
想要在千億美元市場分一塊蛋糕,與其空喊口號強(qiáng)調(diào)三代四代,不如踏踏實(shí)實(shí)打磨技術(shù),突破專利壁壘,拓展應(yīng)用場景。
一個良性的行業(yè)生態(tài),應(yīng)該是不同技術(shù)路線的企業(yè)通過競爭,取長補(bǔ)短,共同搭建國產(chǎn)自主的基因測序核心技術(shù)體系,共同分享行業(yè)高景氣度,催生更多具有世界級競爭力的國產(chǎn)測序儀企業(yè)。
來源:阿基米德Biotech ,作者阿基米德君