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精准医疗的基石:基因测序行业分析报告

字号+ 作者:基因谷 来源:思宇研习社 2017-08-02 16:32 我要评论( )

自2015年1月20日,美国总统奥巴马在国情咨文中提出精

自2015年1月20日,美国总统奥巴马在国情咨文中提出“精准医学计划”后,一时间“精准医疗”成为覆盖全球的热门话题,并引得医药健康产业市场风起云涌。而基因测序作为整个精准医疗的基础以及目前发展得相对比较成熟的领域,更是受到了人们的广泛关注。

1、基因测序的定义

基因测序是一种新型的基因检测技术,它能快速准确获取生物遗传信息,揭示基因组的复杂性和多样性,在生命科学研究中扮演者十分重要的角色。同时,基因测序对临床医学也具有十分重要的意义和价值,很多疾病的机理研究和临床诊断与治疗逐渐依赖于基因测序技术。

基因是指能够产生有功能蛋白质或是RNA产物的DNA片段,其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。基因通常呈线性排列在作为遗传物质的长链DNA上,随着繁殖传递给后代。

基因测序是指通过测序设备对DNA分子的碱基排列顺序进行的测定,即测定和解读DNA分子中腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)四种碱基的排列顺序。

行研——精准医疗的基石:基因测序行业分析报告

基因测序技术从发展之初到现在,主要经历了以下三代演变过程:

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第一代基因测序:基因测序技术最早可追溯到20世纪50年代,1954年Whitfeld用化学降解法进行多聚核糖核苷酸测序,1977年Sanger发明了双脱氧核苷酸末端终止法,Gilbert和Gilbert发明了化学降解法,这些技术的发现标志着第一代测序技术的诞生。到目前为止,第一代测序技术已被广泛应用于生命科学研究工作,上世纪90年代在全球开展的人类基因组计划就是采用第一代测序技术,完成总长为30亿个碱基对的人类基因组测序工作,发现了大量与人类疾病相关的候选基因和药物作用靶点,极大地推动生命科学研究进展。

第二代基因测序技术,是利用一系列高通量测序技术(High-ThroughputSequencing)进行大规模的基因组DNA或RNA测序,能快速准确地获得基因组编码序列,满足极短时间内对基因组进行高分辨率检测的要求。高通量测序技术是对传统测序技术的一次革命性的改变,它又被称为下一代基因测序技术(NextGenerationSequencing,NGS),足见其划时代的进步和意义。其原理大致都是在荧光或者化学发光物质的协助下,通过读取DNA聚合酶或DNA连接酶将碱基连接到DNA链上的过程中释放出的光学信号而间接确定DNA或RNA的序列。

第三代测序技术是指在单个细胞、单分子水平上对基因组进行测序的一项新技术,主要包括:HelicoBioscience单分子测序技术;PacificBioscience单分子实时(Singlemoleculerealtime,SMRT)测序技术和OxfordNanopore纳米孔单分子测序技术3种。第三代测序为单分子测序,不同于NGS依赖于DNA模板PCR扩增,使DNA模板与固体表面相结合然后边合成边测序的方法,它不需要进行PCR扩增,直接将单链与六寡聚核苷酸探针杂交,由于探针与连接了基因组文库片段的纳米孔阵列相结合,因此通过检测每个孔离子电流的变化即可确定探针杂交在每个基因组片段上的位置。

2、基因测序行业产业链分析

2.1、基因测序行业产业链图谱

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国外基因测序产业链图谱

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国内基因测序产业链图谱

2.2、上游:测序设备由国外垄断,国产设备多方式突围。

根据整理的数据显示,目前共有7389台基因测序设备,分布在60多个国家中,其中Illumina公司的HiSeq2000、GA2x、MiSeq和NextSeq等测序平台占比为83.9%;ThermoFisher公司的SOLiD、IonTorrent和IonProton等测序平台占比为9.9%;Roche公司的454平台占比为5.3%。Illumina和ThermoFisher设备占比超过90%,上游基因测序设备制造已形成垄断。

尽管基因测序设备目前仍由国外垄断,但国内企业已经通过各种方式研发和生产基因测序设备。基因测序设备国产化主要有三种方式:

1)自主研发方式,如紫鑫药业同中科院合作开发的二代测序设备BIGIS系列产品,华因康开发的基因测序仪HYK-PSTAR-IIA;

2)收购国外企业的方式,如华大基因于2013年收购美国CompleteGenomics公司,获取CG公司基因测序设备知识产权;

3)合作开发的方式,如贝瑞和康和Illumina合作开发的基因测序仪NextSeqCN500。

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2.3、上游:新技术不断涌现,但技术还未成熟

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2.4、中游:国内测序服务竞争趋于白热化

基因测序上游设备制造环节目前处于国外垄断状态,且进入技术门槛非常高,一般企业难以从上游设备制造环节切入市场。相较于上游设备制造环节,中游的基因测序服务在技术门槛上相对要低一些。近几年,尽管卫计委和药监局对基因测序临床应用市场加强了管理,但消费级基因测序服务企业层出不穷,目前已有超过150家企业和机构从事基因测序相关业务。国内提供基因测序服务的机构呈现逐年增长的趋势,随着测序服务机构数的增长,测序服务市场的竞争也将趋于白热化。而整个测序服务行业的竞争加剧,在一定程度上也将驱动测序服务价格下降。

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2.5、下游:科研机构为基因测序主要应用机构

GEN研究报告也显示,目前科研机构是基因测序服务的主要应用机构,占比为64.0%,其次是生物科技公司,占比为17.0%。目前基因测序的应用主要还是以基础研究为主,临床及健康管理方向还未得到广泛应用。一方面,基因数据分析和解读上仍有较大限制,基因数据的解读目前很大程度还停留在基因水平,而不是精确的基因突变水平,同时基因数据未能同病患生理体征、生活习惯检测和微观环境等多维度数据进行综合分析;另一方面,目前测序技术周期较长(以周为单位)和成本较贵(以万为单位)。随着基因测序技术的更新迭代和医疗大数据的兴起,未来基因测序将在临床和个人健康管理上得到广泛应用。

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3、基因测序行业需求分析

3.1、生殖健康领域产品相对成熟,市场仍有较大发展空间

基因测序技术在生殖健康领域的应用可分为胚胎植入检查、产前检查和新生儿疾病筛查。基因测序技术在生殖健康领域的应用较早,同时卫计委和CFDA在2014年也加强了对相关产品的监管,目前生殖健康基因测序产品已开始逐步成熟。我国二胎政策的放开,高龄产妇和新生婴儿的数量将有一定的增长,同时对于产前检查和新生儿疾病筛查的需求也会增长。此外,我国不孕不育率呈逐年上涨趋势,对于胚胎植入前基因测序服务的需求也将增长。伴随基因测序技术的成熟,生殖健康基因测序服务的渗透率也将增长,行业仍有较大的发展潜力和空间。

3.2、肿瘤诊断治疗应用为基因测序最具潜力的应用市场

肿瘤是机体在各种致癌因素作用下,局部组织的细胞在基因水平上失去对其生长的控制增生所形成的新生物。《2014年世界癌症报告》数据显示,全球癌症病例预计癌症新增病例会从2012年的1400万,递增至2025年的1900万,到2035年将达2400万。

Illumina公司预测基因测序全球总市场容量为200亿美元,肿瘤诊断与治疗应用方向为120亿美元,占比为60%,是基因测序最大的应用市场。同时,麦肯锡预测基因测序技术在肺癌、肠癌、乳腺癌和前列腺癌等领域的渗透率将高于20%。

肿瘤诊断和治疗是基因测序最具发展潜力的应用市场,主要原因有:1)全球癌症发病率逐步攀升,癌症负担正在不断加重,8个死亡病例中就有1个就是癌症,特别对中国而言,人口老龄化的不断增加,环境污染和食品安全问题日益恶化,都使癌症的负担尤为突出;2)由于肿瘤具有显著的个体差异性,传统医疗方式在肿瘤治疗上具有非常大的局限性,而基因测序能够提供病患个体差异信息,并为肿瘤治疗提供指导,能够提高用药的安全性和有效性。

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3.3、全球基因测序市场将超110亿美元,复合增长率超20%

数据显示,全球基因测序市场规模呈逐年增长的趋势,2007年全球基因测序市场规模为7.9亿美元,到2014年市场规模为54.5亿美元,预计2018年全球基因测序市场规模将超过110亿美元,年复合增长率为21.1%,市场增长迅速。

基因测序服务和上游基因测序耗材和试剂是带动市场规模快速增长的主要因素。随着基因测序技术的成熟,基因测序成本呈逐年下降趋势,测序成本的下降,将提高基因测序服务的渗透率,进而推动市场快速发展。基因测序需求增长的同时,也增加了对基因测序耗材和试剂的需求,因此在基因测序服务增长的同时,也带动了测序耗材和试剂的增长。

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3.4、中国基因测序市场增长率超20%,为增长最快国家之一

4、基因测序行业发展趋势

4.1、行业巨头向产业链两端延伸

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从近几年的市场动作来看,行业巨头有向产业链两端延伸的趋势。

(1)1999年华大基因从基因测序服务切入市场,目前已发展成为全球最大的基因测序机构;2013年华大基因收购CompleteGenomics,开始向产业链上游延伸,2014年华大两款基因测序仪获CDFA批准;此外,2015年华大基因发布基因组数据分析云计算平台——BGIOnline,涉足数据分析环节。

(2)罗氏从制药起家,通过收购的方式在基因测序产业链上游中游布局:罗氏分别于2007年、2014年收购了454LifeSciences和GeniaTechnologies,布局上游;2014年罗氏通过收购美国Ariosa诊断公司布局无创产前诊断领域,涉足中游测序服务;此外,2014年罗氏收购生物信息公司Bina,实现了全产业链的布局。

(3)Illumina由基因测序设备起家,现阶段开始向产业链中游延伸:Illumina分别在2012年和2013年收购了BlueGnome和VerinataHealth,开始涉足产业链中游测序服务环节,此外Illumina在2016年初宣布成立新公司Grail,布局肿瘤检测;并于2012年推出了测序云计算平台——BaseSpace。

对华大基因而言,设备和试剂耗材成本占比非常高,其对上游的议价能力非常低,其发展受制于国外上游企业。因此,为降低对国外上游企业的依赖,华大基因通过收购方式向产业链上游延伸。而对罗氏和Illumina等巨头而言,中游测序服务未来有较快的发展数度和非常大的市场空间,因此巨头纷纷布局测序服务和数据服务环节。

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4.2、设备小型化,基因测序应用领域将进一步拓宽

2012年OxfordNanopore公司在美国人类遗传学会(ASHG)年会上展示了MinION真机,MinION是一款小型基因测序设备,其体积小巧,大小同普通优盘相仿。2013ASHG年会上OxfordNanopore公司开始启动MinION的试用计划,一年后,基因组生物学技术进展大会(AGBT2014)上,OxfordNaopore公布了MinION的首批测序数据。

现阶段限制基因测序技术广泛应用的因素主要有:

1)基因测序设备大型且昂贵,目前illumina公司的HiSeq2000是使用最广的基因测序设备,其售价在65-69万美元,设备大型且昂贵导致基因测序设备相对集中分布,而设备的集中分布又不利于基因测序技术的广泛应用;

2)基因数据分析技术壁垒高筑,现阶段基因数据分析具有较高的技术壁垒,因而行业也分化出专门提供基因数据分析服务的企业,而数据分析的专业化,也将降低基因测序技术应用的技术门槛,将拓宽基因测序的应用范围;

3)基因测序的运转周期比较长,从送样到报告时间以周为计,同时对样品“质”和“量”的要求也比较高。

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5、基因测序行业投资建议

5.1、肿瘤诊断治疗最具投资价值

肿瘤诊断治疗和数据服务是基因测序行业最具投资价值细分领域。肿瘤诊断治疗方向具有投资价值体现在以下几方面:

1)肿瘤市场空间广阔,预测数据显示,2020年全球癌症发病人数将超过1650万,癌症死亡人数将超1000万,假设癌症相关基因测序的费用为1万人民币,并且在癌症病患中的渗透率达到60%,全球市场空间将接近1000亿元人民币;

2)肿瘤基因检测需求强,付费意愿较高,肿瘤是基因疾病,同时针对肿瘤的早期筛查、用药指导和监控方面的基因检测的替代产品非常少,因此具有较强的需求和较高的付费意愿高。

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5.2、生育健康市场远未饱和,仍具投资价值

新生儿出生缺陷不仅给家庭带来了沉重的负担,而且已经成为严重影响我国经济发展和人口素质的重要问题。一些特定的遗传性疾病往往在出生一定时间后才会表现出明显症状,因此初生儿早期的基因筛查能够帮助尽快在医学上进行早期干预,达到及早发现、及早治疗的效果。

目前基因测序技术在生育健康领域的主要应用包括无创产前诊断、植入前胚胎遗传学诊断、遗传病诊断等方面,这几个领域的国内市场渗透率都不高,市场远未饱和,具备较高投资价值。

作者:陈向前,北京航空航天大学生物医学工程在读博士,研究方向是机器人手术导航、医学图像处理等

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