中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

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分子诊断研发与市场发展概况

时间:2018-05-29来源:未知 点击:

分子诊断是应用分子生物学 方法,通过检测受检个体或其 携带的病毒、病原体的遗传物 质的结构或含量的变化来为疾 病的预防、诊断、治疗提供信息 和依据的技术[1]。其检测对象主 要为核酸和蛋白质,以核酸分子 诊断为主。近年来,分子诊断由 于其技术优势和巨大潜能受到广 泛关注。

1 分子诊断的发展背景

分子诊断是伴随着分子生物 学和基因分析技术发展起来的。 在20世纪50年代以前,科研人 员对遗传物质的研究还停留在 个体或细胞水平。直到1953 年, James Watson 和Francis Crick 提 出DNA双螺旋结构模型,开启 了分子生物学发展的大门。1990 年,人类基因组计划正式启动, 极大推动了人们对人类基因组的 认识,大量疾病相关的基因被发 现,对这些基因的后续研究,使人们对相关疾病的分子机制有了 更加深入的了解。而随着高通量 测序技术的突飞猛进,越来越多 的基因组信息被用于与临床诊断 相关的工作中,由此,分子诊断 技术迅速发展起来。

2 分子诊断领域的技术研发

2.1 分子诊断技术的发展历程

分子诊断主要包括原位杂交(in situ hybridization,ISH)、聚合酶链 式反应(polymerase chain reaction, PCR)、基因芯片和基因测序(图1)

等,其发展大致经历了四个阶段。 第一阶段是20世纪80年代基 于原位杂交技术的遗传病诊断。荧 光原位杂交(fl uorescence in situ hybridization,FISH)技术最先在 美国用于产前诊断,1993年FISH技 术被美国医学遗传协会允许用于产 前辅助诊断。该技术可对异常基 因进行定位分析,目前广泛应用 于临床染色体异常的检测,但由 于其操作复杂且成本较高,应用 范围十分有限。

第二阶段是20世纪90年代 基于PCR技术,特别是实时定量 PCR和数字PCR的分子诊断。该 技术灵敏度高、操作便捷,但是 通量不高。目前PCR广泛应用于 感染性疾病、遗传病、肿瘤的临 床诊断中。实时荧光定量PCR在 临床中最为常用,而数字PCR的 准确性较高,已成为目前PCR技 术的研究热点。

第三阶段是基于基因芯片的 多指标、高通量基因检测。该技 术通量高、准确性高、灵敏度 高,但灵活度较低。目前基因芯 片技术主要应用于产前诊断和感 染性疾病、遗传病等的诊断。 第四阶段是基于基因测序技 术在无创产前检测(non-invasive prenatal testing,NIPT)、遗传性 肿瘤筛查及肿瘤个体化用药指导 等方面的应用。2017 年Illumina 公司推出该公司最新一代测序仪 NovaSeq,有望将人类全基因组 的测序成本从1亿美元降至100 美元。目前以单分子测序和纳米 孔测序为代表的第三代基因测序技术正走向应用。英国伯明翰大 学及诺丁汉大学利用纳米孔测序 仪MinION首次对人类基因组进 行了组装[2],成为纳米孔测序技 术的里程碑,这也标志着向最终 完成人类基因组测序迈出了一大 步。第三代测序技术的读长相较 第二代测序技术(NGS)有明显 优势,但由于其准确率还远不及 NGS技术,所以目前临床上使用 的主流测序技术依旧是NGS技术。

2.2 分子诊断主要技术的研发现状

1990年人类基因组计划启 动,随之原位杂交、PCR和基因 测序技术快速发展和应用,相关 研究论文量快速增长(图2,数 据来源为Web of Science数据库, 检索日期为2018 年1 月26日)。

人类基因组计划的实施,极大地推 动了基因组测序技术的发展,使测 序成本大大下降。因此,2000年 后,基因组测序技术相关的论文快 速增加。2005年,第二代测序技术 的出现引发测序技术新一轮的研究 热潮,论文数量持续高速增长。

从分子诊断相关技术论文来 看(表1),美国、中国、德国、 英国和日本的发表论文量较多, 其中,美国的论文量更是遥遥领 先。基因测序技术是目前全球分 子诊断技术研究的热点,相较其 他三项技术,各国基因测序相关 研究均呈增长态势,其中美国和 中国的增速较高(图3)。

基础研究的发展促进了分子 诊断的应用发展。美国和中国是 分子诊断专利布局的重点地区 (图4,数据来源为Innography专 利数据库,检索日期为2018 年1 月27日)。在四项技术中,美国 的专利申请量皆为全球第一,中 国次之。其中,我国PCR相关专 利的申请量最接近美国。

专利强度是专利价值判断的 综合指标。Innography将专利强 度为80% ~ 100%的专利归为核 心专利。依据核心专利数量将各 国进行排名(图5),美国四项技 术核心专利数量依然遥遥领先, 我国PCR和基因芯片技术分居全 球第五位。





3 分子诊断行业的市场现状

近年来,分子诊断在遗传性 疾病的预 防、肿瘤等重大疾病 的诊断和预防中表现出巨大的 潜力。

美国市场调查与咨询公司 MarketsandMarkets 2017年发布 的研究报告[3]显示,全球分子诊断市场有望从2016年的65.4 亿 美元增长到2021年的101.2亿美 元,预计增速高于体外诊断整体 增速。未来五年,全球的分子诊 断市场将快速增长。

分子生物学技术的发展,特 别是测序技术的发展,以及越来 越多的生物标志物的发现是推动 分子诊断市场发展的根本动力。 此外,感染性疾病的高发、癌症 发病率的上升,以及精准医疗和 伴随诊断的发展,均驱动分子诊 断市场蓬勃发展。

3.1 主要技术、产品和服务

基于技术,分子诊断的细分 市场主要有:原位杂交、PCR、 基因芯片和基因测序。在以上技 术中,PCR技术是分子诊断领域 应用最广泛的技术,占据最大的 市场份额;测序技术在分子诊断 领域的应用发展迅猛,市场增速 最快[3],其中第二代测序技术是 目前测序技术领域的主流技术。

基于产品和服务,主要有试 剂和试剂盒、设备和服务及软件 三个分子诊断细分市场。得益于 自动化和高通量技术的发展,预 计试剂和试剂盒市场在未来五年 内将高速增长[3]。

截至2017年12月30日, 美国 FDA共批准了29个临床分子诊断 产品(图6),从产品相关技术来 看,PCR技术是目前市场占比最 大的一类,共有14个临床分子诊 断产品获批,而基因测序技术直 到2016年才有第一个产品获批, 2017年有4个产品获批, 其中, F1CDx是可针对所有实体瘤进行 全面基因组分析的平台,并且可 用于五种类型肿瘤的伴随诊断, 突破了以往伴随诊断一种检测对 应一种药物的“一对一”模式, 在全球诊断领域具有里程碑式的 意义(表2)。

目前,国内拥有基因测序仪 且获得国家食品药品监督管理 总局(CFDA) 批准的企业共6 家(表3),分别为华大基因、达 安基因、华因康、博奥生物、贝 瑞和康以及安诺优达。获批的测 序仪在临床上皆仅限于CFDA批 准的体外诊断试剂和软件的配合 使用,主要用于产前诊断。2017年1 月13 日,CFDA批准了达安 基因生产的DA8600测序仪在肿 瘤和遗传性疾病等人体基因位 点的检测,这是目前我国首台 获得CFDA批准的可用于肿瘤 和遗传性疾病临床检测的高通 量测序仪。BGISEQ-50是华大 基因于2016年推出并于2017 年 年底获得CFDA批准的测序仪。 BGISEQ-50适用于无创产前筛 查、植入前胚胎染色体筛查、染 色体异常检测、未知病原体快速 检测等临床应用以及RNA表达谱 测序等科研领域。

3.2 全球市场分布与主要企业

分子诊断市场从地理区域上 可划分为北美、欧洲、亚太地区及 其他地区。2016年,北美占据了全 球分子诊断市场的最大份额,紧随 其后的是欧洲[3]。由于监管环境的 不同以及癌症、遗传性疾病等发病 率的增加,亚太地区具有极大的市 场潜力,该地区分子诊断市场将会 以最快的速度增长。此外,美国和 欧洲不仅占据了全球市场的较大份 额,全球分子诊断市场的主要供应 商同样来自欧美的制药/生物技术 公司或跨国集团。

目前全球分子诊断技术和产 品的开发公司主要有瑞士罗氏、 荷兰凯杰、美国豪洛捷、美国雅 培、德国西门子医疗、美国碧 迪、西班牙基立福、法国梅里埃 等公司。

罗氏是全球制药和诊断领域 的领导者,其诊断业务在2016 年 营收约为115亿美元,排名位于 全球体外诊断(IVD)市场之首。

其中分子诊断业务主要涉及基因 测序、血液筛查和液体活检产 品。1991年,罗氏最早获得PCR 技术的专利,并且进行了仪器试 剂一体化整合,在高效率、高度 集成自动化方面具有显著优势, 罗氏因此在血液筛查领域具有领 先地位。赛默飞世尔、贝克曼等 公司使用PCR技术都需要向罗氏 支付专利使用费。2016年罗氏在 诊断业务方面的并购基本围绕测 序业务展开,包括5.65亿美元收 购Ariosa Diagnostics、2800万欧元 收购Signature Dignostics、9600万 美元收购CAPP Medical、4.45亿 美元并购Kapa Biosystems,3.5亿 美元收购GeneWeave Biosciences, 这一系列的并购显示了其在测序 领域和分子诊断领域的重点布局。

凯杰是全球领先的样本制备 和分析技术的供应商。分子诊断 领域主要产品有检测宫颈癌主要 病因高危型HPV的digene® Hybrid Capture® 2 (HC2) High-Risk HPV DNA Test试剂;检测各种病原 体核酸的artus®和care荧光定量 PCR系列试剂;检测肿瘤靶向治 疗相关的基因突变的therascreen® 系列试剂等,其中该公司的HPV 检测试剂是宫颈癌主要病因高危型HPV检测的“金标准”。

豪洛捷Gen-Probe分子诊断技 术属于全球领先技术,该公司一 方面具有基于先进的RNA技术的 核心产品,包括Aptima试剂,可 用以检验衣原体和淋病两种最常 见的细菌性传染疾病(STD)、阴 道毛滴虫等寄生性传染病以及 HPV等。另一方面豪洛捷拥有自 动化全封闭一体式平台PANTHER 系统,已获美国FDA批准,能不 断加载各种新的检验项目,提供 更多安全快捷的检测,其特异性、 灵敏性以及准确率远胜一般的检 测手段。

雅培专注于疾病的早期发 现、诊断、治疗检测全过程。 2002年, 雅培收购Vysis公司, 进入分子诊断领域。基于分子诊 断技术,雅培开发了各种病毒诊 断工具,包括基于DNA分子测 序技术的病毒耐药分析产品、基 于实时荧光定量PCR技术的病毒 载量检测产品、基于实时荧光定 量PCR平台的病毒分型产品。目 前雅培分子诊断仪器包括 FISH前 端自动化VP 2000全自动玻片处理 系统、FISH后端自动化BIOVIEW DUET自动化影像扫描及图像分析 系统、Abbott M2000病毒载量检 测系统玻片处理系统。

2015年, 西门子公司将医 疗业务独立出来成立西门子医疗 (Siemens Healthineers), 包含影 像诊断和体外诊断两大业务。西 门子医疗拥有包括免疫诊断、生 物诊断、分子诊断等在内的IVD 产品线。其分子诊断仪器主要有 VERSANT® kPCR PCR 仪。2016 年,西门子医疗收购分子诊断公司 NEO New Oncology AG,希望在分 子诊断领域实现更快速的增长。

3.3 应用领域

2016年,感染性疾病细分市 场占据了全球分子诊断最大的市 场份额。技术的革新和市场的发 展使分子诊断技术的应用领域拓 宽至疾病易感性检测、肿瘤早期 诊断、肿瘤个性化治疗和预后评 估、药物基因组学检测、出生缺 陷检测和司法鉴定等领域[4]。

以NGS技术为代表的基因测 序技术目前已在NIPT领域有了大 规模的应用,在肿瘤检测领域的应 用正在兴起。在国内,NIPT是分 子诊断最成熟的应用。我国无创产 前检测主要是针对13、18、21号 染色体的三体检测,分别对应帕套 综合征、爱德华氏综合征、唐氏综 合征三种染色体疾病。截至2018 年1月31日,CFDA共批准了国内 5家公司的8款NIPT相关产品(表 4)。 2014年,华大基因将其领先 全球的无创产前技术转移给意大利 Bioscience Genomics医药实验室,成 为少数的中国基因技术输出案例。 液体活检因其非侵入性的取 样方式,较传统活检技术大大降 低了对患者的伤害,成为临床诊 断的关注焦点。利用液体活检技 术,临床医师可以在影像学技术 还未能发现病灶时就在外周血或 其他体液中,检测到肿瘤细胞和 肿瘤相关遗传物质(包括ctDNA、 循环RNA等),进而可探明肿瘤 相关遗传物质中的突变,为癌症 的治疗和监测提供依据。

2018 年1 月18 日,CFDA批 准了厦门艾德生物医药科技股份 有限公司自主研发的新产品Super- ARMS® EGFR基因突变检测试剂 盒(多重荧光PCR法)的注册, 该产品用于体外定性检测晚期非 小细胞肺癌患者血液ctDNA中 人类EGFR基因突变状态,筛选 适合接受一代至三代EGFR靶向 药物治疗的患者。这是我国首个 以伴随诊断试剂标准获批上市的 ctDNA检测试剂盒,开启了肿瘤 液体活检的新里程。而美国首个 获得FDA批准的同类产品为罗氏cobas®EGFR Mutation Test v2,获 批时间为2016 年6 月1日, 比中 国提前约一年半。

4 分子诊断行业的发展前景

分子诊断将来有望普遍应用 于人群健康筛查与体检、重大疾病 预警与诊断、公众分子基因档案建 立等领域。随着医疗模式的转变, 越来越多的人开始关注预防,这将 会刺激分子诊断市场不断发展。

分子诊断在肿瘤的早期发现 和诊断中具有巨大的应用前景。 目前肿瘤的治愈率仍不高,主要 原因就是早期诊断及根据化疗药 物敏感性正确选择药物存在较大 困难。到医院确诊的癌症患者多 为晚期或已有远处转移。分子 诊断技术通过检测基因本身突 变和表达异常,能反映癌前启动 阶段的变化,对于肿瘤早期发现 具有重要意义,甚至可在患者临 床症状出现以前预测肿瘤的易 感性。

近年来,我国的基因组学相关 产业监管环境经历了宽松期(2014 年前)、停止期(2014年2月)、部 分放行期(2014年6月~ 2014年年 底)和鼓励发展期(2015年至今)。 随着我国医疗改革的深入, 居民健康意识的增强,分子诊 断市场发展迎来了机遇。同时, 2016年1月5日国务院印发《关于 实施全面两孩政策改革完善计划 生育服务管理的决定》,二孩政策 落地,预计仅无创产前检测领域每 年新增的检测量就将带来7 亿元 的市场收入[5]。随着肿瘤相关研 究的深入,分子诊断将逐渐打 开肿瘤诊断与监测治疗这一巨 大的市场。