為何基因測序代替不了基因晶片以及 PCR?

新一代基因測序技術在最近五年飛速發展,這吸引了不少人的目光,做為精準醫療的基礎, 之前市場上的報告都集中關注於基因測序。

於是原本紅火的基因晶片技術沉寂了不少。

早些 年,有人甚至預言,晶片技術面臨消亡。

誠然,在某些方面,新一代測序讓晶片失色,但就 很多應用而言,晶片仍然是不可取代的。

晶片和高通量測序是兩種重要的高通量基因組學研究技術,對於解釋基因組的結構和功能都 在發揮重要的作用。

一、概念介紹

基因晶片, 又稱 DNA 微陣列(DNA micro-array), 是把大量已知序列探針集成在同一個基片(如玻片、膜)上, 經過標記的若干靶核苷酸序列與晶片特定位點上的探針雜交, 通過檢測雜 交信號, 對生物細胞或組織中大量的基因信息進行分析。

高通量基因測序:一次對幾十萬到幾百萬條 DNA 分子進行序列測定,使得對一個物種的轉 錄組和基因組進行細緻全貌的分析。

基因晶片和基因測序都屬於分子診斷的範疇。

而分子診斷與化學診斷、免疫診斷一起構成了 大家熟悉的體外診斷行業。

體外診斷:體外診斷,即 IVD(In Vitro Diagnosis),是指在人體之外,通過對人體樣本(血液、體液、組織等)進行檢測而獲取臨床診斷信息,進而判斷疾病或機體功能的產品和服務。

分子診斷的所有技術都存在局限性,所以每一個技術都有存在的價值,但是基因晶片和基因 測序在集成化、自動化和高通量的代表性更強,發展前景最為看好。

2013 年之前 PCR(聚合 酶鏈式反應)在分子診斷領域占比最大,但是增速慢於基因測序。

基因測序是分子診斷領域 發展增速最快的子行業,預計 2016~2010 年的年複合增長率為 23%。

分子診斷:對患者體內遺傳物質的結構或者表達水平的變化進行檢測,進而為某些疾病的預防、診斷、治 療和預測提供信息和決策依據的診斷方法。

分子診斷約占全球體外診斷的 11%,目前全球市場規模約為 50億美元。

圖表 1: 分子診斷的技術體系

圖表 2:分子診斷技術分類以及代表性公司

圖表 3:基因檢測手段的應用範圍

二、技術比較

晶片是一個封閉的檢測系統,只能檢測已知的基因信息。

而測序是一個開放的發現系統, 可以發現新的基因信息。

晶片平台經過了近 20 年的發展,具有完整成熟的質控標準和分析手段;基因測序系統 的數據質控標準和分析方法有待更完善和標準化。

全基因組測序目前還是有隨機丟失的 問題,不能確保重要信息不會丟失。

晶片數據分析 PC 機即可完成,不存在 NGS 的海量數據分析負擔。

對於測序所產生的海 量數據,人們正在開發專門的計算方法,需要「高性能計算+高速網絡+高效能存儲」整 套解決方案。

與測序相比,晶片更便宜,也更快獲得結果。

三、很多人都會問:現在基因測序如此火,為什麼代替不了基因晶片以及 PCR 等技術?

雖然測序是主流技術,其功能強大且測序成本逐漸在降低,但是測序並不能取代其他檢測手 段,而且隨著基因檢測市場的進一步壯大,根據當前 PCR 和基因晶片的應用程度,未來基 因晶片甚至 PCR 還有進一步擴大的空間。

1.測序的成本和操作複雜度還是將持續高於 PCR 和基因晶片,醫院檢驗科通常將測序業務外包給第三方基因測序公司,很難即時得到測序檢驗結果,而 PCR 和基因晶片檢驗 科可以自己操作,能夠較快的得到結果,並且檢驗科能夠獲得更大盈利,所以對檢驗科 來說有較大的推廣動力。

2.對醫生而言只要能夠得到診斷依據,能夠指導用藥就可以了,某些單基因病、少數位點 的檢測並不需要整個基因序列,PCR 和基因晶片就能達到目的。

3.PCR(qPCR、DDPCR)能夠快速的,更加精確的對突變基因進行定量檢測。

4.基因晶片對片段微缺失微重複(CNV)具有較好的檢驗結果,而目前測序較難對 CNV 行準確的檢測(隨著技術的提高測序檢測 CNV 將會逐漸成熟)。

5.為獲得更加準確的結果,需要對目的片段進行深度測序,掃描次數可能高達 2000x，全基因組測序無法達到。

6.序列信息只是一方面,基因的其他信息還包括甲基化等,而且當前基因信息的解析還有 待提高,片面的追求全基因組信息意義不大。

7.對於非自身基因組所導致的疾病,例如外源病原體的檢測,B肝病毒、HPV 病毒等,還有 ctDNA 檢測等,也需要靶向捕獲測序技術。

四、晶片技術的獨特價值&待解決問題

獨特價值:

晶片能夠在單個實驗中同時分析數千個參數,是大樣本量應用的理想選擇。

例如一塊新生兒 篩查晶片每次能夠檢測 1000 個嬰兒的 80 種不同疾病,也就是一次進行 80,000 個檢測。

這 就意味著對於需要大量樣本、快速周轉、精確數據或經濟效益的基因組研究而言,晶片是完 美的選擇。

所以在臨床應用上,比如生殖健康(產前、胚胎植入前和產後)、腫瘤(實體瘤和血液腫瘤) 和移植的遺傳學分析,都是很好的例子,對它們來說時間、數據準確和經濟性都是很重要的。

同樣,在農業和食品行業,在分子標記輔助育種項目中,大量樣本必須快速高效地篩選。

事 實上,目前已有多款晶片支持農作物和牲畜的基因分型。

待解決問題:

基因晶片但要成為實驗室研究或臨床可以普遍採用的技術仍有一些關鍵問題亟待解決如:

1. 提高基因晶片的特異性;

2. 簡化樣品製備和標記操作;

3. 增加信號檢測的靈敏度;

4. 高度集成化樣品製備、基因擴增、核酸標記及檢測儀器的研製和開發。

上述問題不僅是當前和今後一段時期內國內外基因晶片技術研究的焦點,同時也是基因晶片能否從實驗室研究推向臨床應用的關鍵問題。

五、兩種技術的關係

在很多情況下,答案是測序和晶片似乎只能是對手。

而實際上,它們也能強強聯合,優勢互 補。

通過測序,不斷的來發現和解讀新序列,晶片才有可能應用這些新序列為靶向基因才進行檢 測。

以最近漸漸發展起來的 RNA 測序為例,當高通量測序被廣泛採用後,RNA 資料庫才開 始快速增長。

隨著測序結果反饋到資料庫,人們挖掘出新的 RNA 信息,產生 microRNA 晶片 用於後續研究。

基因晶片行業狀況

國外基因晶片發展狀況:

目前,國外已經有十多家從事 DNA 晶片研究的公司,他們的晶片技術雖然各具特色,應用 目的也不盡相同。

例如著名的美國基因檢測公司 23andMe 使用的就是基因晶片檢測,具體 是在 Illumina HumanOmni Express-24 format chip 基礎上改進而來,大約可以檢測 100 萬個SNP(基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的 DNA 序列多態性)。

全球知名的晶片公司有 Illumina、Affymetrix 公司等。

1. Affymetrix:

Affymetrix 成立於 1992 年,目前員工數為 1150 人,是全球基因晶片產業先行者,早在 1989年就研製了世界上首張基因晶片。

2016 年 3 月 31 日,Affymetrix 被 Thermo fisher(全球第 二大的基因測序龍頭公司)以每股 14 美元,總價格為 13 億美元的收購。

該項收購已在第二 季度末完成。

Affymetrix 專注於基因晶片業務,分為晶片製備、晶片掃描儀器、數據處理分析以及相關耗 材試劑幾個模塊。

2015、2014、2013 年對應的營收分別為 3.1、2.9 以及 2.9 億美金。

Affymetrix 目前有四大業務部門:遺傳分析(SNP 和 CNV 基因晶片等)、eBioscience(免疫診 斷)、基因表達(用於 mRNA 表達研究)以及生命科學試劑。

目前業務增速最快的是遺傳分 析部門,增速約為 40%,大部分收入來自細胞遺傳學產品的銷售,如 CytoScan 平台,以及Axiom 基因分型晶片產品。

這主要得益於在科研應用中生殖健康和腫瘤學的客戶群擴大以及 農業生物技術和生物樣本庫方面的收入開拓。

2. Illumina:

Illumina 成立於 1998 年,成立初期主要業務為基因晶片,但是當時晶片市場已經有 Affymetrix牢牢占據龍頭位置。

所以 Illumina 在 2006 年收購當時一家規模很小,但擁有新穎的基因測 序技術的公司 Solexa,依靠技術上的優勢以及不斷的研發創新,迫使當時市場上的測序競爭 對手 454 被羅氏收購併最終停產,迫使 Complete Genomics 從 2012 年就開始裁員和尋找買 主,最終被深圳華大基因收購。

目前 Illumina 以基因測序業務為主,基因晶片業務占比不高,2015、2014、2013 年基因芯 片業務占比分別為 14%、19%和 27%,對應的營收金額分別是 3.1、3.5 和 3.8 億美元。

可以看出營收金額和占比都在逐年降低,主要原因還是在於高通量測序技術的告訴發展以及成本的指數下降對基因晶片行業的衝擊,其次也與 Illumina 公司業務的發展策略的重心偏向於基 因測序有關。

但是不可否認,Ilumina 依然是晶片業務的龍頭公司。

Illumina 的基因晶片業務 與 Affymetrix 類似,分為晶片製備、晶片掃描儀器、數據處理分析以及相關耗材試劑幾個模塊。

Affymetrix 在基因表達譜晶片占市場優勢,因 affymetrix 的表達譜晶片上市時間最早,所以 知名度和用戶也是最多的,價格也是最貴的;但是 Illumina 憑藉自己開發的 GoldenGate 技 術和 infinium 專利技術一直在 SNP 晶片領域處於壟斷地位。

Illumina 和 affymetrix 的 SNP 芯 片都可用於 CNV 分析,但 illumina 晶片因覆蓋位點數量較多,所以在 CNV 分析中可提供更 高解析度的 CNV 數據。

所以兩個公司各有自己技術和產品的優勢來保證自己的行業龍頭地位。

國內基因晶片發展狀況:

相比基因晶片產業在國外已開發國家的高速發展,國內基因晶片市場明顯處於起步階段,還未 形成產業化,在分子診斷領域未得到廣泛應用,僅僅應用在生物信息等科研領域,市場規模 很小。

其原因一是國內基因晶片應用領域開發不足,下游目標用戶少,研發力度也略顯不足;二是單個基因晶片診斷成本較高,個別推廣對於患者無法承受。

但晶片的優勢體現在高通量 上,一旦實現晶片應用的規模化,則價格和精確性相對傳統方式優勢凸顯,國內才能迎來產 業的爆發點。

更多文章請關注公眾號：基因谷（jiyinguzixun）

基因谷：基因檢測領域最新技術進展、最新臨床應用、最新行業資訊。