4月12日，科技創(chuàng)新情報(bào)SaaS服務(wù)商智慧芽旗下智慧芽創(chuàng)新研究中心正式發(fā)布《醫(yī)藥生物系列報(bào)告之四——基因測序前沿技術(shù)洞察報(bào)告》（以下簡稱“報(bào)告”）。該報(bào)告結(jié)合基因測序相關(guān)的國內(nèi)外公開資料/文獻(xiàn)、專利文獻(xiàn)、企業(yè)官方資料等，詳細(xì)介紹了基因測序的基本情況，并分析研究了納米孔測序技術(shù)發(fā)展、納米孔測序企業(yè)競爭格局以及納米孔測序技術(shù)未來展望等。
報(bào)告顯示，全球納米孔測序技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)專利量共約8.8千件。從整體趨勢上看，自 2011年起，相關(guān)技術(shù)專利量呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢，2019年專利申請量達(dá)到頂峰，近兩年專利申請略有回落。孔蛋白和控速蛋白作為納米孔測序技術(shù)的核心技術(shù)，目前對納米孔的研究熱度高于機(jī)動(dòng)蛋白。此外，納米孔測序領(lǐng)域的主要技術(shù)掌握在美英中三國。其中，美國是該領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔疃嗟膰遥l(fā)展速度最快，而近幾年中國則在納米孔測序技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。與此同時(shí)，美國、歐洲是當(dāng)前納米孔測序技術(shù)應(yīng)用最廣泛的目標(biāo)市場。未來，中國在政策、市場與技術(shù)的三方驅(qū)動(dòng)下，有望引發(fā)市場格局重新洗牌，從行業(yè)上游彎道超車，搶占更大的基因測序市場。
第四代基因測序技術(shù)——納米孔測序技術(shù)發(fā)展
基因測序技術(shù)的出現(xiàn)對生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到了革命性的作用，該技術(shù)能夠直接對人體或病原微生物進(jìn)行檢測、定量及突變位點(diǎn)分析，彌補(bǔ)了細(xì)胞形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)、微生物與免疫學(xué)的短板，加深了對疾病（尤其是惡性腫瘤）的分子機(jī)制理解，在疾病診斷和治療方面有著重要作用。
其中，納米孔測序技術(shù)被認(rèn)為是第四代測序技術(shù)。在經(jīng)歷三大細(xì)節(jié)革新后：首先是單分子DNA從納米孔通過；其次是納米孔上的酶對于測序分子在單核苷酸精度的控制；最后是單核苷酸的測序精度控制，成就了現(xiàn)今的納米孔測序儀的研制。2014年，牛津納米孔科技有限公司推出了首款商業(yè)化產(chǎn)品。
納米孔測序技術(shù)基本原理是將一個(gè)納米孔（Reader）固定在電阻膜上，在跨膜電場作用下，利用一個(gè)機(jī)動(dòng)蛋白（Motor/控速蛋白/動(dòng)力牽引蛋白）牽引DNA單鏈從負(fù)極向正極移動(dòng)時(shí)通過納米孔，由于納米孔的直徑非常細(xì)小，通常僅可以讓單個(gè)堿基通過，因此不同堿基通過納米孔時(shí)對電流的干擾不同，通過捕獲電流變化來識(shí)別和確認(rèn)堿基序列，從而實(shí)現(xiàn)測序（如圖1）。
圖1：納米孔測序基本原理（資料來源網(wǎng)絡(luò)，智慧芽整理）
值得一提的是，第一代Sanger雙脫氧終止法測序技術(shù)誕生后，建立了測序界的四項(xiàng)黃金標(biāo)準(zhǔn)，即測序結(jié)果高精度、高通量、長片段和低費(fèi)用。截止目前的測序技術(shù)尚無法同時(shí)達(dá)到四項(xiàng)黃金標(biāo)準(zhǔn)的要求，而納米孔測序技術(shù)的誕生被認(rèn)為是最有望實(shí)現(xiàn)測序界黃金標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)之一。
美英中三國掌握納米孔測序核心專利
報(bào)告顯示，納米孔測序全球累計(jì)相關(guān)專利申請約8800件。整體來看，納米孔測序技術(shù)發(fā)展呈線性增長趨勢，其中2011年相關(guān)專利申請量較2010年專利申請量出現(xiàn)明顯增長（如圖2）。究其原因，很可能是2011年左右納米孔測序技術(shù)取得重大技術(shù)突破。公開資料顯示，2012年牛津納米孔科技公司首次公開系列納米DNA測序和蛋白質(zhì)分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并對其后續(xù)發(fā)布產(chǎn)品GridION和MinION的軟件及硬件系統(tǒng)進(jìn)行了概述；其公開數(shù)據(jù)包括已經(jīng)使用納米孔測序技術(shù)完成的數(shù)百萬個(gè)堿基序列，這也是自納米孔測序理論誕生以來，世界上首次公開納米孔測序數(shù)據(jù)。此后納米孔測序技術(shù)專利申請量持續(xù)保持快速增長的發(fā)展勢頭。
圖2：過去20年全球納米孔測序技術(shù)相關(guān)專利申請與授權(quán)量演變（數(shù)據(jù)來源：智慧芽）
進(jìn)一步分析納米孔測序技術(shù)專利申請人（專利權(quán)人）所在國家/地區(qū)：美國在該領(lǐng)域技術(shù)產(chǎn)出遙遙領(lǐng)先于其他國家，專利申請總量達(dá)4700多件，英國和中國緊隨其后，英國專利申請總量約1200多件，中國專利申請總量1000余件；其他國家如瑞士、德國、日本、比利時(shí)、韓國、加拿大等國雖然也有技術(shù)儲(chǔ)備，但是明顯數(shù)量較少（如圖3）。
圖3：過去20年納米孔測序技術(shù)實(shí)力TOP10國家（數(shù)據(jù)來源：智慧芽）
比較三大技術(shù)強(qiáng)國（美國、英國、中國）技術(shù)發(fā)展趨勢可知，美國技術(shù)產(chǎn)出略早、專利申請總量最高，但英國專利平均專利增長率最高（如圖4）。近十年來美國在該領(lǐng)域年平均專利申請量約388件、英國在該領(lǐng)域年平均專利申請量約108件，中國在該領(lǐng)域年平均專利申請量約92件；但是從平均專利增長率來看，英國在該領(lǐng)域研究產(chǎn)出增速最快（平均專利增長率為146%），中國研究產(chǎn)出增速稍遜于英國（平均專利增長率123.5%），美國最低（平均專利增長率為100.8%）（平均專利增長率定義為年專利申請量除以前年專利申請量的均值）。
圖4：過去20年納米孔測序技術(shù)中美英三國歷年專利申請量對比（數(shù)據(jù)來源：智慧芽）
中國市場潛力巨大，有望從行業(yè)上游彎道超車
利用納米孔研究出新型的快速、準(zhǔn)確、低成本、高精度及高通量的DNA測序技術(shù)是后人類基因組計(jì)劃的熱點(diǎn)之一。
從納米孔測序技術(shù)路線發(fā)展趨勢來看，生物納米孔在一定時(shí)期內(nèi)仍將是主流，短期內(nèi)（預(yù)計(jì)3-5年之內(nèi)）較難有成熟的固態(tài)孔技術(shù)出現(xiàn)，主要原因包括固態(tài)孔技術(shù)本身還不成熟，且存在過孔檢測的速度控制問題。而從納米孔測序技術(shù)的應(yīng)用場景來看，除DNA測序外，納米孔的無須標(biāo)記、無須放大的單分子檢測技術(shù)還可以在RNA檢測、蛋白質(zhì)檢測等各種重大疾病的生物標(biāo)志物檢測方面得到應(yīng)用。
從納米孔技術(shù)測序的商業(yè)化應(yīng)用來看，還面臨著巨大挑戰(zhàn)，如提高通道的選擇性和靈敏度、控制DNA穿越速度及提高信噪比等。目前僅有英國牛津納米孔科技公司一家商業(yè)化成功，但其產(chǎn)品也存在迭代較慢/精度等問題，導(dǎo)致未完全打開市場，此外大多數(shù)海外企業(yè)也仍處于研究開發(fā)階段。但值得一提的是，隨著中國基因測序領(lǐng)先企業(yè)齊碳科技的新產(chǎn)品即將正式推向市場，一方面有望從根本上改變我國基因測序設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，降低單次測序成本，讓即時(shí)檢測的基因測序技術(shù)走進(jìn)千家萬戶，同時(shí)有望引領(lǐng)中國基因測序上游領(lǐng)域彎道超車，這或?qū)H基因測序儀生產(chǎn)制造巨頭造成沖擊，從而引發(fā)整個(gè)市場格局重新洗牌。
