產(chǎn)前基因測序(Prenatal DNA Sequencing)，是《MIT科技評論》評選的2013年十大突破科技之一。外媒預(yù)測，隨著個(gè)體化醫(yī)療和分子診斷的蓬勃發(fā)展，qPCR、第二代測序(NGS)/第三代測序(3GS)、芯片、PCR、CE測序、數(shù)字PCR等純基因組技術(shù)相關(guān)儀器將產(chǎn)生最大的市場規(guī)模和技術(shù)進(jìn)展。而基因測序儀和PCR儀(包括qPCR和數(shù)字PCR)在過去的一段時(shí)間內(nèi)里已經(jīng)發(fā)生了技術(shù)上的飛躍。本文將最近半年內(nèi)基因測序儀和PCR儀領(lǐng)域推出的新產(chǎn)品新技術(shù)和市場機(jī)會集中展示給廣大用戶。
繼2012年初， Life Technologies公司推出了一款標(biāo)價(jià)僅為14.9萬美元，且能夠在24小時(shí)內(nèi)就可完成整個(gè)基因組測序的臺式測序儀Ion Proton之后，Oxford更是揭開了其納米孔測序平臺GridION的神秘面紗。該系統(tǒng)將使用帶有多個(gè)蛋白納米孔的陣列芯片來分析DNA、RNA和蛋白質(zhì)。Pacific Biosciences公司也于今年4月宣布推出行業(yè)內(nèi)準(zhǔn)確性最高和讀長最長的PacBio測序儀PacBio RS II。Illumina公司在2013年上半年也加緊了對多個(gè)核心測序平臺的改進(jìn)。包括針對HiSeq 2500試劑進(jìn)行改進(jìn)。以實(shí)現(xiàn)提升通量、讀長和現(xiàn)有儀器的速度。
數(shù)字PCR是生命科學(xué)領(lǐng)域最令人振奮的創(chuàng)新之一。Life Technologies公司于2013年6月正式發(fā)售QuantStudio™ 3D數(shù)字PCR系統(tǒng)。這臺儀器的核心是高密度的納米流體芯片，最多可產(chǎn)生20,000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，滿足了當(dāng)今大部分?jǐn)?shù)字PCR應(yīng)用的需求。Eppendorf 公司于2013年1月推出了Mastercycler nexus X1 PCR儀，仍體現(xiàn)其一貫倡導(dǎo)的環(huán)保理念。
基因測序儀：讀長更長，通量更高
新一代基因組測序技術(shù)可謂掀開了生命科學(xué)新的篇章，不僅促進(jìn)了許多研究方向的復(fù)蘇或蓬勃發(fā)展，也為大眾化基因組測序帶來了希望?；驕y序技術(shù)無可爭辯的成為當(dāng)今基因組學(xué)乃至整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的前沿技術(shù)。2013年伊始，《Nature Methods》雜志就預(yù)測，2013年我們將看到第一臺商業(yè)化的納米孔測序儀。會使人們會看到每個(gè)堿基的典型模式，還能檢測甲基化和羥甲基化的堿基，甚至還能對RNA進(jìn)行直接測序。這些極具顛覆性的技術(shù)的預(yù)測，無疑使我們對2013年的基因測序儀技術(shù)的發(fā)展更加期待。
在目前的測序儀中，一提起讀長，PacBio無疑令人矚目。從上市伊始，PacBio RS系統(tǒng)一直有著傲視群雄的讀長。最初是1,000 bp，之后是3,000 bp。2013年4月，Pacific Biosciences公司宣布推出新版本的PacBio測序儀：PacBio RS II。這款新的單分子實(shí)時(shí)(SMRT)DNA測序系統(tǒng)能帶來行業(yè)最高的一致準(zhǔn)確性和最長的讀長，且通量較之前的版本增加一倍?；诟锩缘腟MRT測序技術(shù)，使得PacBio RS II的平均讀長達(dá)5,000 bp，最長讀長超過20,000 bp。此系統(tǒng)提供了簡單快速、端對端的SMRT測序流程，適合傳染病、微生物、農(nóng)業(yè)和復(fù)雜遺傳病的研究。它讓科學(xué)家能夠快速經(jīng)濟(jì)地完成基因組組裝、揭示并了解表觀基因組，以及鑒定基因組變異。
PacBio測序儀：PacBio RS II
Illumina公司在2012年第三季度推出了HiSeq 2000的升級版——HiSeq 2500。它是Illumina第一臺特有兩種運(yùn)行模式的測序系統(tǒng)，包括快速運(yùn)行和高產(chǎn)量運(yùn)行模式，可使用一個(gè)或兩個(gè)流動槽，相當(dāng)靈活。圍繞著HiSeq 2500提升通量、讀長和現(xiàn)有儀器的速度，并降低運(yùn)行成本的要求，Illumina公司在2013年上半年加緊了對多個(gè)核心測序平臺的改進(jìn)。這一核心就是針對HiSeq 2500試劑進(jìn)行改進(jìn)。HiSeq 2500試劑改進(jìn)后將帶來行業(yè)最高的日通量，并降低全基因組測序的價(jià)格。有了快速運(yùn)行模式下對2x250 bp讀長的支持，HiSeq 2500能夠在快速模式中產(chǎn)生300 Gb，且從樣品到數(shù)據(jù)不到3天。這些改進(jìn)預(yù)計(jì)將在2013年下半年實(shí)現(xiàn)。
Life Technologies公司也于2013年5月宣布了Ion PGM™ 測序儀的性能提升。據(jù)Life Technologies介紹，Ion PGM™ 如今有著“最簡單快速的流程，最低的成本，以及最高的靈敏度，適合多個(gè)基礎(chǔ)和臨床研究應(yīng)用”。此次性能提升源自多個(gè)因素，前期的樣品制備自動化，新的Ion PGM™ 半導(dǎo)體芯片，以及軟件的改進(jìn)。此外，重新設(shè)計(jì)的Ion PGM™ 測序儀在價(jià)格上也低了30%，這要?dú)w功于電子產(chǎn)品制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
另一家主流測序儀公司羅氏公司繼去年底推出一款能顯著改善其GS FLX+系統(tǒng)上長讀取鳥槍法測序性能新的軟件包(v2.8)之后，今年上半年正加緊研發(fā)v2.9版本軟件，這一軟件將實(shí)現(xiàn)超長讀取的擴(kuò)增子測序。預(yù)計(jì)該軟件將于今年推出。此次改進(jìn)將讓研究人員發(fā)現(xiàn)更多復(fù)雜的遺傳變異，并揭開隱藏在基因組、轉(zhuǎn)錄組和宏基因組樣品中難以測序的區(qū)域下的生物學(xué)秘密。
測序新秀Oxford Nanopore Technologies公司總是給我們更多驚喜，便攜式的測序系統(tǒng)MinION于去年年末展出。這款儀器只有U盤大小，價(jià)格低于900美元。這款產(chǎn)品有望帶來高達(dá)100 kb的讀長，而原始錯(cuò)誤率大約在1%左右。立即引發(fā)了市場轟動。不止如此，Oxford更是揭開了其納米孔測序平臺GridION的神秘面紗。該系統(tǒng)將使用帶有多個(gè)蛋白納米孔的陣列芯片來分析DNA、RNA和蛋白等。該陣列芯片放置在一次性的cartridge內(nèi)，cartridge隨后上樣到節(jié)點(diǎn)(node)內(nèi)。用戶可根據(jù)需要，連接若干個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)，組成一個(gè)可擴(kuò)展的測序平臺。我們或許有幸在今年下半年盼望到第一臺商業(yè)化的納米孔測序儀的誕生。
新一代測序儀市場：預(yù)計(jì)每年增長16%
測序技術(shù)革新推動了測序儀乃至整個(gè)基因組學(xué)儀器的市場規(guī)模，當(dāng)然這也得益于分子診斷，個(gè)體化醫(yī)療的蓬勃興起，DNA測序技術(shù)已經(jīng)在臨床,法醫(yī),CDC等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。據(jù)外媒報(bào)道，2012年全球基因測序市場產(chǎn)值為13億美元，2017年將增長至27億美元，增速為16.3%。DeciBio生命科學(xué)市場研究公司曾發(fā)表報(bào)告說：“新一代測序儀市場預(yù)計(jì)每年增長16%”。
過去幾年，測序儀的市場一直被羅氏，Illumina和Life Technologies所占據(jù)，測序領(lǐng)域的巨人華大基因所擁有的新一代測序平臺就依托羅氏公司的454 GS FLX+ System，Illumina公司Hiseq 2000和Life Technologies公司的Ion Torrent。而其所擁有的Hiseq 2000測序儀更是高達(dá)128臺。讓華大選擇Hiseq 2000的原因，無疑是其所具有的高通量和低成本。雖然新型測序企業(yè)不斷涌現(xiàn)，但這種三足鼎立的局面，在未來幾年內(nèi)仍無法打破。
新一代測序儀的市場規(guī)模
(其中2012年為實(shí)際發(fā)生，其余年份為預(yù)測數(shù)據(jù)。)
據(jù)專家預(yù)測，新一代測序儀的市場規(guī)模2016年預(yù)計(jì)達(dá)到22.5億美元，增長驅(qū)動力主要來源于試劑和儀器成本下降。展望未來，為遺傳變異而進(jìn)行的人類基因組重新測序，以及癌活檢的重復(fù)測序和表達(dá)分析都將繼續(xù)推動該技術(shù)被采用。同時(shí)，圍繞新應(yīng)用計(jì)劃的發(fā)展，如甲基化和miRNA的從頭發(fā)現(xiàn)和更實(shí)惠的開發(fā)平臺，將是增長驅(qū)動的關(guān)鍵。
我們還應(yīng)注意到，在新一代測序技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，以ABI 3730測序儀為代表的第一代測序儀，由于價(jià)格低廉，先期市場應(yīng)用廣泛，仍然在基因鑒定，BAC等的測序中發(fā)揮重要作用，短期內(nèi)仍無法被新一代測序儀所替代。
PCR技術(shù)趨勢：樣品量更少，靈敏度更強(qiáng)
今年是PCR誕生三十周年，生命科學(xué)的蓬勃發(fā)展促使這項(xiàng)分子生物學(xué)技術(shù)在三十年的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了顛覆性的變化，從第一臺PCR儀的誕生，到耐熱性DNA多聚酶被發(fā)現(xiàn)，再到熒光定量PCR技術(shù)的建立，再到如今開發(fā)的數(shù)字PCR系統(tǒng)。三十年前的科研工作者無法想象今天PCR技術(shù)的變化，然而，如今的PCR技術(shù)仍然不斷的發(fā)生著一個(gè)又一個(gè)飛躍。
與其說生命科學(xué)的發(fā)展推動者PCR的創(chuàng)新，不如說PCR新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)促進(jìn)了生命科學(xué)的進(jìn)步。DNA擴(kuò)增已經(jīng)成為了生物學(xué)研究的基礎(chǔ)?；蚪M測序，分子診斷，基因芯片……這些活躍的新興技術(shù)都離不開PCR的革新。
數(shù)字PCR是生命科學(xué)領(lǐng)域最令人振奮的創(chuàng)新之一。與傳統(tǒng)定量PCR技術(shù)不同的是數(shù)字PCR不依賴于擴(kuò)增曲線的循環(huán)閾值(CT)進(jìn)行定量,不受擴(kuò)增效率的影響,也不必采用看家基因和標(biāo)準(zhǔn)曲線,具有很好的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性,可以實(shí)現(xiàn)絕對定量分析。
Life Technologies公司于2013年6月正式發(fā)售QuantStudio™ 3D數(shù)字PCR系統(tǒng)。這款儀器外形小巧，流程簡單，適用于需要對目標(biāo)DNA分子進(jìn)行絕對定量的實(shí)驗(yàn)。簡單的流程，再加上基于芯片的方法，大大減少了手工操作的步驟，同時(shí)也降低了樣品污染和DNA損失的風(fēng)險(xiǎn)。一旦樣品上樣到芯片上，系統(tǒng)在1分鐘內(nèi)即可返回初步的數(shù)據(jù)。儀器的核心是高密度的納米流體芯片，最多可產(chǎn)生20,000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，滿足了當(dāng)今大部分?jǐn)?shù)字PCR應(yīng)用的需求。
QuantStudio™ 3D數(shù)字PCR系統(tǒng)
羅氏公司于2013年6月發(fā)布新的軟件升級，包括適用于LightCycler® 96的高分辨率熔解分析和定量基因檢測模塊以及適用于LightCycler® Nano系統(tǒng)的新支持特征。LightCyler® 96實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀是羅氏公司于去年年底推出，它的突出特點(diǎn)是使用2×96根等距玻璃光纖，使得用戶徹底告別普通qPCR儀器檢測的邊緣效應(yīng)。最新推出的高分辨率熔解分析模塊將特別適合人類遺傳病研究的應(yīng)用。它實(shí)現(xiàn)了已知和未知基因突變的快速檢測。而新的定量檢測模塊實(shí)現(xiàn)了目的基因存在或缺失的直接檢測和驗(yàn)證。LightCycler® Nano熒光定量PCR儀于2011年上市，此次新發(fā)布的特征包括先進(jìn)的基因表達(dá)分析，支持導(dǎo)入外部的標(biāo)準(zhǔn)曲線。它還為高分辨率熔解實(shí)驗(yàn)提供了增強(qiáng)的分析方法。
Eppendorf 公司于2013年1月推出了Mastercycler nexus X1 PCR儀，Mastercycler nexus X1 PCR儀模塊采用銀作為導(dǎo)熱材料，可以實(shí)現(xiàn)5度/秒的升溫速度，并具有極佳的溫度均一性和溫控精確性， Mastercycler nexus X1延用了Mastercycler nexus直觀簡便的中文操作界面，并具有日程預(yù)約、E-mail提醒等功能。Mastercycler nexus X1的設(shè)計(jì)符合Eppendorf近來倡導(dǎo)的環(huán)保理念，體積小巧、節(jié)能環(huán)保，并且實(shí)現(xiàn)超靜音運(yùn)行。
Mastercycler nexus X1 PCR儀
縱觀PCR技術(shù)的發(fā)展趨勢，在下半年或是不遠(yuǎn)的時(shí)間內(nèi)，我們有望看到PCR技術(shù)在以下方面取得突破。
首先，微流體技術(shù)開發(fā)了一種全新的單細(xì)胞基因表達(dá)檢測方法，推動了微流體PCR朝著單分子分析方向發(fā)展。尤其是用于單細(xì)胞捕獲制備的芯片及用于單細(xì)胞基因表達(dá)的芯片的開發(fā)，使得在技術(shù)平臺上可以進(jìn)行單細(xì)胞表達(dá)分析，未來這一技術(shù)有望進(jìn)一步推動微流體在PCR上的應(yīng)用，使得未來的PCR使用的樣品量更少，靈敏度更強(qiáng)。
其次，能夠用于絕對定量的數(shù)字PCR還處在起步階段。數(shù)字PCR工作流程比傳統(tǒng)qPCR簡單得多，靈敏度和精確性也更好。在尋找罕見突變時(shí)數(shù)字PCR尤其適用。但數(shù)字PCR不可回避的不足是的通量比較低，而傳統(tǒng)的qPCR通量更高，未來研究人員對于如何能通過dPCR增加通量，使得數(shù)字PCR設(shè)備中的微流控能在一天時(shí)間內(nèi)完成從幾十萬到上百萬的反應(yīng)的研究是數(shù)字PCR領(lǐng)域可以預(yù)見的突破。
第三，隨著PCR的普及，具有環(huán)保理念的PCR產(chǎn)品也是未來的發(fā)展方向，體積小巧、節(jié)能環(huán)保，超靜音運(yùn)行將是未來主流PCR的共性特征。
qPCR市場：6%的年復(fù)合增長率
由于數(shù)字PCR帶動了高增長的技術(shù)領(lǐng)域，DeciBio生命科學(xué)市場研究公司預(yù)測該技術(shù)的復(fù)合增長率將飆升至90%，隨之帶來的qPCR市場將有一個(gè)6%的年復(fù)合增長率，市場規(guī)模將在2016年節(jié)節(jié)攀升至29.5億美元，而普通PCR市場年復(fù)合增長率僅為1%，普通PCR的市場增量不被看好。
qPCR市場規(guī)模
(其中2012年為實(shí)際發(fā)生，其余年份為預(yù)測數(shù)據(jù)。)
目前，全球體外診斷 (IVD) 市場規(guī)模約為520億美元，預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)到700億美元?；趯?shí)時(shí)熒光定量分析的分子診斷檢測已經(jīng)是臨床實(shí)驗(yàn)室中不可缺少的一部分。分子檢測是診斷學(xué)市場發(fā)展最快的一個(gè)領(lǐng)域，因而隨著檢測技術(shù)的更新改善，實(shí)時(shí)熒光定量分析儀性能的提高，qPCR儀的市場在下半年乃至未來幾年都會迎來較大的上漲空間。
也應(yīng)注意到，受全球金融危機(jī)的影響，來自生物、醫(yī)療、科研等行業(yè)的需求也隨之有所回落，因而導(dǎo)致下游企業(yè)對實(shí)時(shí)熒光定量分析儀的需求也有所回落。另外，受金融危機(jī)持續(xù)影響，各國紛紛采取措施保護(hù)本國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，保護(hù)本國生產(chǎn)企業(yè)，通過提高關(guān)稅或者改變產(chǎn)品的市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)等方式來實(shí)現(xiàn)事實(shí)上的國際貿(mào)易壁壘的目的。
同時(shí)，分子診斷行業(yè)迎來了大發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，分子診斷是全球體外診斷市場中發(fā)展最為迅速的一部分，其占體外診斷的比例已經(jīng)從1995年的2%增長到了2009的10%，年增長速度達(dá)到10%以上。我國的分子診斷市場發(fā)展更為迅猛。2010年我國體外診斷市場規(guī)模為20.7億美元(約合136.8億元)，其中5%的份額為新興的分子診斷占據(jù)。雖然目前國內(nèi)分子診斷的比重并不大，但其年均增長速度是全球的2倍。PCR儀是分子診斷領(lǐng)域不可缺少的組成部分，在未來的一兩年內(nèi)，qPCR儀市場在全球?qū)⒂?%左右的增長，在我國，實(shí)時(shí)熒光定量分析儀市場的增量預(yù)計(jì)可達(dá)到10%左右。
另外，未來隨著分子診斷業(yè)的發(fā)展，PCR儀無疑將更加重視滿足臨床診斷實(shí)驗(yàn)室的特定需求，并且將會更加關(guān)注于是否取得體外診斷 (IVD) 醫(yī)療器械認(rèn)證。
2013年上半年，對于國內(nèi)實(shí)時(shí)熒光定量分析儀企業(yè)也擁有一些利好信息，2013年，《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，制定了2013—2015年，生物產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年均增速保持在20%以上的發(fā)展目標(biāo)，標(biāo)志著我國生物產(chǎn)業(yè)已步入快速發(fā)展期。
國家衛(wèi)生主管部門、國家衛(wèi)生部門臨床檢驗(yàn)中心以及國家食品藥品監(jiān)督管理局提倡用戶選擇國內(nèi)儀器。因?yàn)檫x擇儀器價(jià)格只有國外的三分之一左右并且性能接近的國產(chǎn)儀器，能為國家節(jié)省大量的外匯，同時(shí)能促進(jìn)國產(chǎn)儀器的技術(shù)進(jìn)步，民族產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如今國內(nèi)的實(shí)時(shí)熒光定量分析儀廠商在不斷的進(jìn)步之中，隨著越來越多的一流人才加入到生物技術(shù)領(lǐng)域中，相信未來國內(nèi)實(shí)時(shí)熒光定量分析儀企業(yè)會將國外廠商的壟斷局面打破。（編輯：喬峰）
