基因測序行業專題報告：NGS引領測序行業黃金十年納米孔突破未知更進一步（58頁）.pdf

《基因測序行業專題報告：NGS引領測序行業黃金十年納米孔突破未知更進一步（58頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《基因測序行業專題報告：NGS引領測序行業黃金十年納米孔突破未知更進一步（58頁）.pdf（58頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、 NGS 引領測序行業黃金十年，納米孔突破未知更進一步 基因測序行業專題報告 2020 目錄 全球基因測序行業宏觀市場長期向好 . 1 基因測序領域資本市場日趨成熟 . 7 頂級 VC 們在基因測序領域的新關注點 . 14 NGS 引領基因測序黃金十年 . 20 新的選項第四代納米孔測序 . 30 測序行業頭部公司介紹 . 45 oPnQqRnNtOoPoRtRrMoOrObRaO8OtRrRoMoOfQpOqRlOqQpM9PpOsNuOtRsRNZnNnP 1 將未見之物可視化或探測不可探測之物的技術的每一次突破，都能掀起新一波科學新 發現的狂潮。而高通量和可負擔得起的 DNA 測序技術的

2、迅速出現，無疑是過去十年 生命科學發展的關鍵推動力。在此中，基因測序儀可以被認為是人類族群在向生物世 代強力探索與推進進程中的“核能發動機”。 全球基因測序行業宏觀市場長期向好 2020 年全球基因測序市場規模預計將達 138 億美元。根據 BCC Research 的數據， 2018 年全球基因測序市場規模為 117 億美元，預計從 2010 年到 2018 年，全球市 場的復合年增長率將保持在 10-30% 之間，預計 2020 年全球市場規?？蛇_ 138 億美 元。 測序技術和生物信息學的迅速發展已使人們能夠鑒定與疾病風險增加相關的基因變 異，隨著 NGS、納米孔測序等測序技術的廣泛應用

3、，人類已經可以在單個診斷平臺上 同時測試多種基因，從而進一步擴大了基因測序在臨床診斷應用中的效用。和個人生 活最為貼近的例子是，更快、更成熟的突變鑒定已經可以為腫瘤的個性化診療提供更 高效準確的參考信息，并可進一步鑒定針對其進行藥理治療的癌癥靶標或途徑。此 2 外，以 NGS 為共同基礎的全球規模的基因測序項目的出現也為腫瘤學精確醫學的進一 步發展提供了更新、更全面的知識基礎。 圖 | 全球基因測序市場規模（單位：億美元）及同比增速走勢（來源：BCC Research，CB Insights 中國） 每一代測序技術均脫胎于科研需求。到目前為止的 4 代測序技術均誕生于科學研究的 工具及方法論，

4、其后再逐步發展完善演進成為成熟的產品或者研究體系，進而實現商 業化并在各種實際應用場景中落地生根、開花結果。 目前科學研究仍是基因測序的主流應用場景，脫胎于科研而反哺科研。由于 Sanger 測序技術和 NGS 在全球科研機構中極高的接受度，2019 年基因測序在科學研究板塊 的應用占據了全球基因測序市場超過一半的份額。此外，在測序行業前沿科學領域資 3 金和投資項目的增加也反過來促進了科研實體對基因測序產品的需求，從而造就了更 大的市場份額。 應用層面的市場份額占比也已超過 1/3，商業應用落地持續發展推進。臨床研究、醫 院診所及生物醫藥公司這三個應用層面的終端使用客戶在全球基因測序終端份額

5、中的 占比分別為 16%、13% 和 9%，三者相加占到了 38% 的市場份額，超過了 1/3。這 也意味著測序技術在商業應用領域的落地也取得了相當的進展，隨著測序技術的不斷 成熟完善、更多的使用場景被開發，預計這一趨勢在未來將會持續上揚。 圖 | 全球測序行業終端用戶分布占比（來源：Grand View Research，CB Insights 中國） 人口紅利推動下，2020 年中國基因測序行業市場規模有望達到 138 億人民幣。根據 賽迪顧問的數據，從 2010 年開始至今，中國整個基因測序行業的市場規模一直處在 4 高速發展的階段，中位同比增速超過 40%，考慮到中國的人口數量帶來的巨

6、大紅利， 基因測序產業在中國潛力巨大，預計在 2020 年市場規?？梢赃_ 138 億人民幣。 圖 | 中國基因測序市場規模（單位：億人民幣）及同比增速走勢（來源：賽迪顧問，CB Insights 中國） 政策支持方面，十三五規劃以來，中國政府為加快推進生物技術與生物技術產業發 展，打造國家科技核心競爭力和產業優勢，對于生物產業，尤其是基因測序領域，加 大了產業扶持力度，先后推出了多項相關政策、規劃等產業指導，重點相關政策列舉 如下： 5 6 圖 | 2020 年中國基因測序行業相關重大政策一覽（來源：公開資料整理，CB Insights 中國） 7 基因測序領域資本市場日趨成熟 巨量資本的注入

7、給整個基因測序行業的發展帶來了強大的推動力。自 2013 年以來， 面向基因測序初創公司的全球融資經歷了快速、持續的增長。在過去的 7 年中，全球 資本對初創基因測序公司的投資資金增長迅猛，2019 年的投資金額相比于 2013 年增 長了 6 倍。 圖 | 全球基因測序領域投融資額及投融資交易數量走勢統計，統計數據截至 2020 年 8 月 10 號（來源：CB Insights 中國） 全球基因測序領域公司的融資交易數量正在減少，但在創紀錄的大輪融資中資金依然 保持強勁。從 2013 年到 2017 年，基因測序領域公司每年獲得的資金增長了 6 倍 8 多。在隨后的 2017 年、2018

8、 年里雖然交易數量持續增加，但總融資自此穩定在每年 40 億美元左右。盡管 2020 年的融資總額有望超過 2019 年，但今年迄今為止(YTD) 的數據表明，投資成交量正在放緩，預計將降至 2016 年的水平。 圖 | 基因測序行業融資額最大融資數量最多的應用領域是無可爭議的 Healthcare，數據統計時 間區間為 2015 年 1 月至 2020 年 10 月（來源：CB Insights 中國） Healthcare 領域 7 筆巨量融資推高 2020 年全球總融資額。根據 CB Insights 中國 的數據，今年預期的總融資額相較于 2019 年仍然會保持超過 4 億美元的增長，

9、預計 總量將超過 4.4 億美元，這很大程度上要歸功于今年成交的 7 筆巨額融資（單筆交易 價值超過 1 億美元），這也是迄今為止巨量融資交易發生頻次最高的一年。 2020 年迄今為止基因測序領域最大的一輪融資是向中國測序設備制造商華大智造投 資的 10 億美元，主要投資方為 IDG Capital、CPE 和 GoldStone Investment 等， 該輪融資使華大智造獲得了 40 億美元的獨角獸估值。 9 其余在 2020 年獲得巨額融資的企業為：Encoded Therapeutics，這家公司使用計算 方法篩選 DNA 以尋找基因治療目標，目前正在進行首次臨床試驗（D 輪融資 1

10、.35 億 美元）；Sema4，一家生殖健康和腫瘤篩查公司（C 輪融資 1.21 億美元，目前估值 11 億美元）；DNAnexus，一家基因組數據分析平臺公司（F 輪融資 1 億美元），其 在 2020 年還獲得了 Karius、Kallyope 和 Tempus 的投資；其余獲得巨量融資的公 司還有傳染病液體活檢公司 Karius、精準醫療技術公司 Tempus 等。 圖 | 種子輪和天使輪交易的占比下降，而中期交易的占比在上升（來源：CB Insights 中國） 投資者變得更為青睞頭部成熟后期公司。根據 CB Insights 中國 的數據，近五年來基 因測序領域種子輪和天使輪的融資交

11、易的占比總體呈下降趨勢，已經從 2016 年的 44 下降到 2019 年的 27，再加上 2020 年預計的總交易數量可能由 2019 年的 238 筆下降至 2020 年預計的 149 筆，以及超大規模單輪融資的增加，表明投資者正 在將資金集中在更成熟的后期公司的更大交易上。 10 從 2015 年至 2020 年的基因測序領域公司 IPO 或并購退出前的融資總額的走勢來 看，前四年維持相對平穩的狀態，而在 2020 年這一數值幾乎是往年平均總額的三 倍，并購退出前融資總額達到了驚人的 23.7 億美元。 圖 | 基因測序領域公司 IPO 或 M&A 退出前融資總額（來源：CB Insig

12、hts 中國） 巨量資本的哺育下基因測序行業的良性生態已在構成。從全球基因測序領域融資總額 最高的 10 家公司來看，腫瘤早篩公司 GRAIL 以 20 億美元的融資額一騎絕塵，緊隨 其后的二代測序儀制造商華大智造的總融資額超 12 億美元，納米孔測序技術開創者 牛津納米孔（Oxford Nanopore Technologies，ONT）位居第三。融資額前 10 的 企業中有上游測序儀制造商，也有類似于 23andMe 這樣直接面向消費者提供基因測 試的中下游應用商，整個基因測序行業的良性生態已在逐步構成。 11 圖 | 全球基因測序領域 10 家融資額最高的公司（來源：CB Insight

13、s 中國） 中國已成為美國之外最大的基因測序投資目的地 過去的幾年中，美國是全球基因測序領域最大的投資熱土，但隨著初創公司尋求改善 遺傳數據的多樣性，資本開始對位于美國之外（Outside the United States，OUS） 的基因組測序公司的投資有了顯著增長。而對 Covid-19 基因測試的需求則進一步加 快了資本流動趨勢，目前中國為除美國之外在基因測序領域融資交易成交數量最多的 國家。 對基因數據多樣性的需求開始推動資本望向美國之外。精準醫療的實現依賴于基因組 學技術，但到目前為止，距離實現真正的精準醫療還有很長一段路要走。在某種程度 上這是由于基因組數據集缺乏多樣性，目前的數

14、據組成嚴重偏向來自于歐洲的樣本， 12 但是整個歐洲的人口卻整體開始走上負增長的道路，因此收集和分析來源更多，更多 樣的基因組學數據將是精準醫療真正落地的關鍵因素。在美國以外的其他國家，出現 了許多初創基因組公司有望促成基因數據多樣性的最后閉環，嗅到了趨勢的資本紛紛 跟進。 圖 | 除美國之外（OUS）其余國家基因組學相關投融資交易數量占比分布，統計數據截至 2020 年 8 月 10 號（來源：CB Insights 中國） 中國是除美國之外基因組學市場最成熟的國家。全球流向 OUS 基因組學初創公司提 供的總資金增長迅速，自 2015 年以來增長了近 7.5 倍，預計今年將達到 2.4 億

15、美 元。自 2020 年初迄今，OUS 公司已占全球總交易量的 60，而 2017 年這一數值 僅為 39。而中國則是 OUS 基因組學最成熟的市場，根據 CB Insights 中國 的數 據，在過去 5 年內基因測序領域 OUS 最大的 10 次融資中，中國公司占了 9 次。 13 14 頂級 VC 們在基因測序領域的新關注點 為了更好的分析與把握 Healthcare 領域的投資趨勢，CB Insights 根據投資組合估值 和投資結果在全球范圍內選擇了 25* 家頂級 Healthcare 領域的風投公司，即“25 Healthcare Smart Money investors”。以

16、下為這 25 家 VC 在基因測序行業的簡 要布局及他們所關注的新興主題分析。 * 25 家 Healthcare 領域全球頂級 VC（來自 CB Insights 數據庫）： Abingworth Alta Partners ARCH Venture Partners Atlas Ventures Casdin Capital Deerfield Management F-Prime Capital Flagship Pioneering Forbion Capital Partners Foresite Capital Founders Fund General Catalyst Klei

17、ner Perkins Caufield & Byers New Enterprise Associates New Leaf Venture Partners Omega Fund Management OrbiMed Advisors Polaris Partners Qiming Venture Partners Sequoia Capital Sequoia Capital China The Column Group Third Rock Ventures Venbio Venrock 15 COVID-19 大流行背景下頂級 VC 們對基因測序領域投資仍保持強勁態勢 2016 年至

18、 2017 年，隨著基因組學的精準醫療應用開始出現勢頭，這 25 家 Healthcare 風投向基因組公司投入的資金暴增超過 400%。在此之前，2015 年與基 因泰克（Genentech）合作的 23andMe 以及 2015-2016 年與 Illumina 合作的 Helix 這兩家著名的基因測序領域初創公司都獲得了巨大的商業關注。在此之后，在 2017 年液體活檢公司 GRAIL 在 B 輪融資中獲得了史無前例的 9.14 億美元以繼續支 撐其對腫瘤早篩產品的開發，此輪融資由 ARCH Venture Partners 領投、強生跟 投。 圖 | 全球 Healthcare 領域

19、25* 家頂級 VC 自 2016 年以來在基因組學領域的投資布局，統計 數據截至 2020 年 9 月 21 號（來源：CB Insights 中國） 16 在 2017 年之后的 2018 年、2019 年以及 2020 年迄今為止，盡管這些頂級 VC 們在 基因組學領域的投資總額沒有超過 2017 年的水平（當然 2017 年 GRAIL 一家便貢獻 了當年基因組學領域融資總額的近 40%），但出手數量一直保持在較高水平，預計 2020 年可與歷史峰值持平。 盡管 COVID-19 全球大流行帶來了巨大的不確定性，但預計到 2020 年，基因學公司 獲得頂級 VC 的資金支持將逐年增長。

20、并且隨著融資規模的中位值從兩年的 6000 萬 美元躍升至如今的 1 億美元，聰明的頂級 VC 們正在這個領域增加籌碼。 頂級 VC 們開始關注人類基因組測序之外的新方向 自人類基因組計劃啟動以來，人類基因組學與基因測序一直是基因組學領域的研究熱 點。但隨著測序成本的持續下降以及測序能力的不斷提升，Healthcare 領域頂級 VC 們也開始將部分目光投向單純基因測序以外的領域。包括從事非人類基因組研究的公 司，以及利用基因組數據進行診斷和精準醫療等應用的公司。 17 圖 | 全球 Healthcare 領域 25* 家頂級 VC 在基因測序各細分領域投資數量占比，統計數據截 至 2020

21、年 9 月 21 號（來源：CB Insights 中國） 非人類基因組測序 自 2018 年以來，頂級 VC 們在基因組學大領域的總投資額中 29% 投向了基因測序公 司。最近部分這些資金開始向非人類基因組測序領域流動。General Catalyst 投資了 一家分析微生物細胞游離 DNA 的初創公司 Karius，他們可以直接從血液樣本中識別 出 1000 多種病原體以為醫生的臨床判斷提供參考。 此外，測序技術在人類醫療保健領域以外應用也受到了關注。F-Prime Capital 牽頭為 Embark Veterinary 注入了 1000 萬美元的 A 輪融資，該公司正在針對狗開發一種

22、可 以追蹤 20 萬種基因標記的全面 DNA 測序，可以為祖源分析以及對遺傳疾病風險和遺 傳特性分析提供關鍵參考。 18 診斷領域新機會 自 2018 年以來，對診斷技術的投資占去了頂級 VC 們在基因組學大領域中總投資額 的 25。該領域的公司可以快速輕松地幫助使用者評估遺傳風險因素和疾病亞型，為 醫生和患者提供參考金標準。由 Casdin Capital 投資的 Singular Bio 在 2019 年被 Invitae 收購，Singular Bio 開發了非侵入性產前篩查技術，可以為女性提供胎兒的遺 傳信息以提前預判風險。 “下注”精準醫學 精準醫學旨在利用基因組學為患者提供量身定制

23、的治療方法，即在合適的時間點為合 適的患者提供合適的藥物。頂級 VC 們已經開始投資那些根據遺傳數據來為病患提供 精準醫學服務的公司。Polaris Partners 和 Casdin Capital 投資的 Kallyope 已經完 成了 2.43 億美元的總融資，Kallyope 通過整合測序、生物信息學、神經影像學、細 胞和分子生物學以及人類遺傳學領域的技術以釋放腸腦軸的治療潛力。 更為“用戶友好”的基因組學 隨著基因組數據變得越來越豐富，能夠使終端用戶（通常是測序、診斷或醫療服務提 供商）能夠輕松整合、分析這些數據的分析平臺正越來越受到青睞。頂級 VC 們已經 向從事基因組分析或開發相

24、關分析軟件的初創公司投入了大量資金。 19 Tempus 已經從包括 New Enterprise Associates 在內的資本方籌集了 6.2 億美元資 金，用于建立分子數據庫、臨床數據庫及算法庫以最終實現對癌癥的個性化護理。通 過結合數據分析軟件提供測序服務，Tempus 可以通過對基因組數據的分析實時協助 醫生做出決策，為醫生創造價值。 20 NGS 引領基因測序黃金十年 基因測序技術已經發展迭代至第四代。 第一代基因測序法即 Sanger 法測序，是根據核苷酸在某一固定的點開始，隨機在某 一個特定堿基處終止，并且在每個堿基后面進行熒光標記產生以 A、T、C、G 結束的 四組不同長度

25、一系列核苷酸，然后在尿素變性 PAGE 膠上電泳進行檢測，從而獲得可 見的 DNA 堿基序列。 第二代基因測序技術即目前應用最廣泛的 NGS 測序，核心思想是邊合成邊測序或邊 連接邊測序，通過物理或化學的方式將模板 DNA 隨機打斷成小片段并通過 PCR 對文 庫進行擴增，同時對幾十萬到幾百萬條 DNA 模板進行測序，最后通過生物信息學分 析將小片段拼接成長片段。 第三代基因測序技術為單分子熒光測序技術，應用了邊合成邊測序的思想，并以 SMRT 芯片為測序載體，芯片上有很多小孔，每個孔中均有 DNA 聚合酶。測序基本 原理是：DNA 聚合酶和模板結合，4 色熒光標記 4 種堿基 （即是 dNT

26、P），在堿基 配對階段，不同堿基的加入，會發出不同光，根據光的波長與峰值可判斷進入的堿基 類型。 21 第四代基因測序技術為納米孔單分子測序技術，其基于電信號的納米孔單分子測序技 術，在多聚合物膜上布滿穿膜孔的跨膜通道蛋白（納米孔）的基礎上，由 DNA 馬達 蛋白牽引，解旋成單鏈的核酸勻速通過納米級的孔蛋白。在孔蛋白兩側施加的電壓作 用下，不同的堿基會形成特征性離子電流變化信號，經過后期對電信號的采集、處 理、分析來識別堿基。 22 圖 | 歷代基因測序儀代表廠商及其各平臺產品面世編年表（來源：CB Insights 中國） NGS 引領基因測序黃金十年。過去十年來，在基因組學研究中占主導地位

27、的 DNA 測 序技術無疑是 NGS，NGS 利用逐個合成方法來確定 DNA 中核苷酸的順序。NGS 測 23 序技術可以較低的批量生產成本產生高度準確（大于 99.9）的測序讀段，已經成為 了當前臨床和研究測序的金標準。在過去的十年中，NGS 已經助力了無數的科學發 現，通過發現病原體變體，包括單核苷酸變體，拷貝數變體以及插入或缺失，增強了 人類對進化、適應性和疾病的理解。更為重要的是，NGS 的高通量使其可以用作數字 讀出的一種分析方法來研究多種生物現象，包括染色質可及性、轉錄因子占用、基因 表達和 RNA 結合等諸多應用場景。 目前全球基因測序行業的基石依然還是 NGS 測序儀。通過 N

28、GS 這一平臺基礎，眾多 面向終端用戶的臨床、醫療類的基因檢測服務提供商紛紛涌現，服務內容涵蓋無創產 前基因檢測、腫瘤液體活檢（伴隨診斷、早篩）、遺傳缺陷基因檢測、病原微生物檢 測、疾病風險評估等。 腫瘤液體活檢是當下 NGS 最火的應用賽道 相對于醫學影像、穿刺活檢、腫瘤標志物檢測等傳統腫瘤診斷技術，液體活檢的采樣 更為方便、可檢測類型多。液體活檢技術僅需采集患者 5-10ml 血液，通過檢測血液 中遺傳信息，即可覆蓋癌癥診斷與治療的全部領域。與傳統的檢測方式相比，液體活 檢在 NGS 平臺的支撐下把腫瘤發現的時間點從“發病期”提前到了“潛伏期”，可達 到早發現、早預防、早治療的目的。在 2

29、015 年，液態活檢技術入選麻省理工科技 評論年度十大科技突破。 24 圖 | 四種常用腫瘤診斷技術對比（來源：CB Insights 中國） 液體活檢之于早篩：多數癌癥的早期治愈率可達到 90% 以上，發展惡化到了中晚期時 治愈率則會急劇下降。目前常規的醫學影像學和腫瘤標記物檢測的特異性、敏感性以 及標準化程度幾乎無法在人體內探測到極早期數量極少的腫瘤細胞，通常癌癥在發展 至中晚期時才會在常規體檢中顯示出異常信息。所以精確的早篩將對癌癥治愈率的提 高至關重要。 液體活檢之于伴診（診斷、用藥指導、后期監控）：在腫瘤治療過程中，也存在藥物 的選擇和實時調整的需求。相同癌癥具有的不同突變可能對不同

30、的藥物產生耐受，并 且病人在開始接受治療后也會有相當比例會出現耐藥的情況。而液體活檢分析則可幫 助醫生判斷病人腫瘤的突變類型及其在治療過程中的變化，以有針對性地制定用藥方 案，從而有效提高療效。 25 圖 | 以 ctDNA 為例展示液體活檢在腫瘤發病全周期內作用節點，非實際診療過程（來源：CB Insights 中國） 腫瘤早篩是增速最大的 NGS 應用場景。CB Insights 中國 預計到 2023 年液體活檢應 用于早篩的市場規模將達到 3.44 億美元，15 倍于 2018 年 2300 萬美元的市場規 模，是 NGS 增長速率最大的應用場景。目前專注于此領域的公司包括 GRAIL

31、、 Freenome、Thrive Early Detection、Guardant Health 等。 NGS 治療指導是當下市場規模最大、液體活檢企業最為聚集的細分場景。CB Insights 中國 預計到 2023 年，該領域全球市場規模將達到 11 億美元。治療指導的 主要作用是使用 NGS 幫助醫生實現對患者的精準用藥，當然還可進行檢測療效反應、 發現耐藥機制、追蹤腫瘤演繹過程等工作。該領域中國公司已有燃石醫學和泛生子先 后登錄納斯達克，泛生子更是實現了史上最大癌癥精準醫學 IPO。 26 圖 | 不同應用場景下，全球癌癥液體活檢的市場規模，單位百萬美元（來源：CB Insights

32、 China） 除腫瘤液體活檢之外，NGS 在單細胞分析、病原微生物檢測等領域也大放異彩，更多 相關的應用領域及優秀企業分析可參考 CB Insights 中國此前發布的中國最具前景 的 41 家分子診斷公司榜單報告及引領腫瘤液體活檢的 28 家中國企業榜單報 告。 27 亟待越過的 NGS 壟斷大山 長期以來，中國的上游基因測序設備及耗材供應基本為外資企業所壟斷，NGS 關鍵技 術掌握在包括 Illumina 在內的歐美生產商手里。整個 NGS 液體活檢行業對 Illumina 的測序儀及配套試劑依賴嚴重，從而導致了居高不下的檢測成本。 28 Illumina 幾乎壟斷全球二代測序儀市場。根

33、據中國產業信息網的統計數據，目前全球 范圍內的 NGS 基因測序儀不足 8000 臺，分布于 60 多個國家和地區，其中 Illumina 公司的 HiSeq 2000、Genome Analyser 2x、MiSeq 和 NextSeq 等測序平臺市場份 額占比高達 83.9%；賽默飛的 SOLiD、Ion Torrent 和 Ion Proton 等測序平臺市場 份額占到 9.9%；Roche 公司的 454 平臺市場份額占比 5.3%。Illumina 和 Thermo Fisher 設備占比超過 90%，上游基因測序設備制造已形成壟斷。 圖 | 全球二代測序儀市場構成（來源：中國產業信

34、息網，CB Insights 中國） 雖然華大智造發展迅猛，但下游應用企業平臺遷移成本巨大。在 NGS 測序儀器幾乎被 寡頭壟斷的環境下，NGS 下游應用企業購買儀器運行所需的耗材和試劑時基本上不具 有議價能力。盡管目前華大智造勢頭迅猛，但由于更換全套體系存在巨大的遷移成 29 本，對于使用 NGS 的液體活檢廠商來說，換用測序設備需要將整個已經建成的核酸 NGS 體系全部推倒，然后在新的 NGS 平臺上進行重新構建，所以目前國產二代測序 儀的發展依然面臨著巨大的壓力。 30 新的選項第四代納米孔測序 將如 NGS 這樣的短讀長測序技術更廣泛地應用在結構變異檢測和基因組組裝中時，它 的缺點就開

35、始逐步顯現：基因讀取長度有限。短讀長測序儀如 Illumina 的 NovaSeq、HiSeq、NextSeq 和 MiSeq 測序儀；華大智造的 MGISEQ 和 BGISEQ 測序儀或者 Thermo Fisher 的 Ion Torrent 測序儀讀取長度為 600 個堿基，這就意 味著有超過 70 的人類基因組結構變異（即影響序列長于 50bp 的變異）無法在 NGS 平臺上被檢測到。 此外，人類超過 15% 的基因組仍然無法實現裝配或發現變異，因為這些基因組上有著 重復序列或非典型的 GC 含量。例如，當某段基因的 GC 含量超過 45 時，即使沒 有經過 PCR 擴增，短讀基因組文

36、庫的序列覆蓋率也會下降兩倍，這極大的限制了對基 因組中一些最重要的功能區域進行研究從而發現遺傳變異的機會。 基因組中這些難以探測的、大量的串聯重復序列占主導的區域包括著絲粒、端粒和頂 體基因組，并且更值得關注的是，這些區域不管是在生殖細胞還是體細胞中都有著最 高的突變率。然而這些最易變的區域在此前并未能被充分研究，這些 NGS 現有的局限 性也使得開發能夠檢測基因組中這些更復雜和動態區域的方法變得更有必要且更為急 迫。 31 “長讀長測序技術的出現照亮了過去從未看到的基因組的黑暗角落”。理想的測序方 式應該是對原始的 DNA 模板進行直接、準確測序且不受讀長的限制。早在 20 世紀 80 年代

37、，研究人員已經開始為實現這個目標而努力，雖然其中的很多嘗試都失敗了， 但是第三代單分子實時測序技術和第四代納米孔測序技術最終實現了長讀長、單分子 測序，再次顛覆了測序領域。這些技術一次可讀取長達數萬堿基的片段，大大降低了 拼接難度，更重要的是大大減少了過去無法定位的漏洞。有學者稱“長讀長測序技術 的出現照亮了過去從未看到的基因組的黑暗角落”。 長讀長測序技術可輕松完成人類基因組最重復區域的讀取。與短讀長方法相比，長讀 長技術可以直接讀取長度在 10kb 到數兆堿基之間的天然 DNA 連續序列，近年來在 通量和準確性上的新進展也大大提高了其實用性和可用度。PacBio 和 ONT 的測序技 術均

38、產生可輕松完成人類基因組最重復區域的讀段，但兩者之間在測序原理上的根本 差異會影響其讀長、堿基準確度和通量。 長讀長測序可以改善從頭測序、鑒定的準確性、轉錄亞型鑒定以及結構變異的檢測。 此外，對 DNA 和 RNA 的長讀長測序可消除 PCR 擴增所導致的偏差，同時保留對堿 基修飾的檢測。長讀長測序這些優勢能力，以及其在測序準確性、通量和降低成本方 面的不斷迭代進步，已經使其開始成為對模式和非模式生物在廣泛的基因組學研究中 的新選擇。 未來十年，全球長讀長測序市場將以 24% 的年復合增長率持續增長。根據 Straits Research 的數據，2019 年長讀長測序市場規模估計為 9.74

39、 億美元，預計在 2020 32 年到 2029 年之間將會以 24% 的年復合增長率增長。市場規模的預期增長可以歸因于 長讀長測序技術包括 SMRT 和納米孔測序技術的快速進步以及順利的商業化落地進 程。 圖 | 全球長讀長測序（三代/四代測序）市場規模（來源：Straits Research，CB Insights 中 國） 遺傳性和代謝性疾病篩查為主要增長動力之一。全球范圍內遺傳性疾病的日益增多使 基因組學領域的研發支出激增。根據 WHO 的資料，鐮狀細胞貧血是一種嚴重的遺傳 性疾病，每年超過 72000 名新生嬰兒患有此??；在英國每年超過 6000 人診斷出遺傳 性血友病。隨著基因治療

40、的發展和人們對產前診斷意識的不斷提高，新生兒篩查的普 及率在不斷提高、改善患者生活質量的意愿在不斷加強，這些因素一并為市場增長提 供了動力。 33 對人類基因組的科研活動的巨額投資也在催化市場增長。根據 Battelle 的數據，從 2009 年到 2014 年間亞洲地區在基因組測序領域的研發投資增加了 7。此外，全球 測序行業巨頭也在開展廣泛的研究，以開發更為創新的長讀長測序技術，從而獲得競 爭優勢，MinION、GridION、PromethION、PacBio RS System、Sequel System 等測序儀器推陳出新，廣泛應用于人類基因組學、癌癥、表觀遺傳學、轉錄組分析中 的基

41、因測序過程，進一步推動了該領域的發展。 圖 | 中國長讀長測序（三代/四代測序）市場規模及應用領域分布走勢（來源：Grand View Research，CB Insights 中國） 單分子實時測序和納米孔測序這兩種技術在當下長讀長測序領域占據主導地位。 SMRT 和納米孔測序技術分別于 2011 年和 2014 年商業化發布，目前 SMRT 技術的 主要擁有者及實踐者為 Pacific Biosciences，納米孔測序技術則由牛津納米孔領銜， 34 中國的齊碳科技也于 2020 年 9 月發布了首款自主研發的納米孔測序儀 QNome- 9604。 圖 | 長讀長和短讀長技術和平臺的數據類

42、型、讀長、精度、測序通量和成本（來源：Nature， CB Insights 中國） 35 在普通模式下，四代納米孔測序儀的讀長和精度均優于 PacBio 三代測序儀。通過產 生數百至數千堿基的連續序列，ONT 讀長度可以超過 PacBio 讀長度至少一個數量 級。 通過 ONT 測序產生的最常見的 read 類型是標準的 ONT long read，Nature 的分析表明，這一模式下 ONT 讀取的長度一般為 10-100kb，平均準確率為 87- 98%，在 raw ONT long reads 中，約有 91% 的均聚物被準確地稱為至少 5 個堿基 長的均聚物，比 PacBio 常用的

43、 CLRs 模式高 3 個百分點。 36 圖 | SMRT 及納米孔測序原理對比（來源：Nature，CB Insights 中國） 相對于 NGS，納米孔測序儀仍有頗多亮點。納米孔測序儀讀長更長，更適合檢測基因 組結構變異，進行宏基因組測序；可以實時輸出測序結果，因而可用于即時檢測和快 速診斷；可直接檢測過孔核酸，所以能檢測 DNA 甲基化、RNA 及其修飾；文庫制備 簡單，便于提供一站式解決方案；同時，它的儀器本身小巧便攜，能把基因測序從專 37 業實驗室里解放出來，走進基層、社區，隨時隨地現場檢測，極具消費級應用的潛 力。 實時和便攜 納米孔測序不需要成像設備來檢測核苷酸，從而可以將系統

44、縮小到便攜式水平。例如 牛津納米孔的 MinION Mk1B 設備僅重 90 克，尺寸僅為 3.310.52.3 厘米，可實 現單手握持。與其他大規模并行測序儀相比該設備的成本也低得多，包括設備和試劑 在內的初始成本僅為 1000 美元左右。 可以通過移動 PC 總線供電的納米孔測序儀的出色便攜性彌補了現場測序的空缺，它 的便攜性已經在諸如煤田、北極、南極洲甚至國際空間站這樣的極端地方得到了驗 證。在太空飛行中發掘細菌和病毒是很困難的事情，所以大部分研究是將樣品帶回地 球進行測序鑒定，但得益于納米孔測序儀的便攜性，目前 NASA 已經開始利用納米孔 測序儀在國際空間站進行病菌的實時測序。 納米

45、孔測序儀也被用于監視醫療資源有限的地區的病毒暴發。 WHO 于 2016 年宣布 寨卡病毒爆發為國際公共衛生緊急事件，并建立了巴西寨卡病毒實時分析（ZiBRA） 項目，使用 MinION 測序儀從臨床樣品中快速獲得寨卡病毒的完整基因組以對來自巴 西的一千個基因組進行測序以監測流行病學信息； 該項目組還開發了一種利用納米孔 測序儀的基因組監測系統，用于西非埃博拉疫情的監控，該系統在接收血樣后只需 38 15-60 分鐘的測序時間就可以出檢測結果，無需承擔運送危險標本的風險即可實現現 場病毒檢測。 實時分析 DNA/RNA 序列。對于臨床實踐，實時獲取和分析 DNA/RNA 序列是一件 很重要的事

46、情。對于傳統的 NGS 測序，做到這一點非常不易。但對于納米孔測序儀， 實現起來相對容易。這不僅是因為納米孔測序儀體積小，易操作等，更是因為在測序 過程中單分子穿過納米孔時電流變化可以被檢測并識別的，這一設計允許用戶在測序 過程中根據實時結果做出一些及時的判斷。 檢測結構變異 NGS 對與人類健康密切相關 DNA 結構變異的檢測束手無策。雖然 NGS 在識別單核 苷酸變體（SNV）和小的插入和缺失（indels）方面表現良好，但其并不適合檢測較 大的序列變化，類似于插入，缺失，重復，倒位或易位這些影響 50bp 的結構變異 （SV）更適合于長讀長測序。盡管結構變異是基因組之間多樣性的重要來源并

47、且與人 類健康密切相關，但是由于過去 NGS 的技術局限性，對這種結構變異的研究仍很少。 適當深度的長讀長測序便足以檢測出人類的致病 SV。納米孔測序跨重復元素或重復區 域的能力提供了獨特的定位點，從而有利于從頭測序和結構變異檢測。甚至相較于納 米孔測序讀長相對較短 SMRT 測序的讀數也可以鑒定人類基因組中之前 NGS 技術所 無法檢出的結構變異。目前長讀長測序對哺乳動物基因組的深度測序成本仍然較高， 但是對于人類一般的致病病變適度的測序深度可能就足夠了：根據 2019 年一份發布 39 于 Nature 的研究數據，8.6 乘 SMRT 測序深度或者 15 到 17 乘納米孔測序深度就已 經足夠可以檢測出人類的致病變異。 檢測堿基修飾 在 NGS 觸不可及的核酸堿基修飾檢測領域，納米孔測序的識別精度已最高可達 98%。核酸堿基修飾在真核生物的一系列細胞過程中起到了不可或缺的關鍵作用，尤 其是在基因表達調控方面。NGS 技術無法直接檢測天然 DNA 中的堿基修飾，而納米 孔測序對天然 DNA 和 RNA 進行單分子測序則可以檢測單個核苷酸的修飾。根據發布 于 Nature 的最新研究數據，目前在已知序列的背景下，納米孔測序對目標堿基修飾 的鑒別精度范圍已經可以達到 92 至 98 。 檢測堿基修飾可助力洞察 DNA 損傷。除了典型的 A、T、C 和 G 堿基，DNA 還可以 包