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基因檢測技術(shù)發(fā)展趨勢分析
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 聯(lián)川生物    2024-02-23

基因檢測產(chǎn)業(yè)系基因行業(yè)中相對成熟的產(chǎn)業(yè)，也是基因技術(shù)最早實現(xiàn)場景應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)。基因檢測系通過樣本制備技術(shù)采集生物的 DNA、RNA 等信息，通過 PCR、測序、基因芯片等技術(shù)獲得序列或信號，通過生物信息分析技術(shù)獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行解讀和應(yīng)用的過程。

基因行業(yè)以技術(shù)為驅(qū)動不斷發(fā)展。自 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)于 1953年被發(fā)現(xiàn)以來，圍繞“基因檢測”的技術(shù)不斷迭代，Sanger 測序技術(shù)、PCR 技術(shù)、微陣列芯片技術(shù)、NGS 技術(shù)（Next GenerationSequencing，下一代測序）、單分子測序技術(shù)相繼問世。

經(jīng)過約 40 年的技術(shù)推動，特別是經(jīng)過近 20年來高通量測序的快速發(fā)展，測序成本大幅下降，基因檢測技術(shù)逐漸得以產(chǎn)業(yè)化。21 世紀(jì)以來，現(xiàn)代生物技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、統(tǒng)計學(xué)等相關(guān)學(xué)科發(fā)展迅速并相互滲透，使得越來越多的前沿基因技術(shù)得以應(yīng)用于更多實踐場景。

基因檢測根據(jù)技術(shù)平臺的不同，可分為基因測序、基因芯片、PCR、分子雜交等。

人類基因組計劃不僅推動人類認(rèn)識自身，也推動了模式生物基因組的測序，眾多物種的基因組序列被解開，大量的基因信息通過基因組測序被識別。但要對這些基因的結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)和分布進(jìn)行深入的研究，找到與生物體表征、健康相關(guān)的信息，還需要高通量、大規(guī)模的分析手段和方法。20 世紀(jì)90 年代建立起來的基因芯片技術(shù)和隨后發(fā)展的第二代 DNA測序技術(shù)是高通量研究基因結(jié)構(gòu)和功能的重要技術(shù)。

1、基因測序

基因測序技術(shù)起源于上世紀(jì) 70 年代。根據(jù)原理的不同，測序技術(shù)的發(fā)展大致可劃分為 Sanger測序、NGS 測序和單分子測序三個技術(shù)階段。三代測序技術(shù)各有特點，相互補(bǔ)充，應(yīng)用的領(lǐng)域也不盡相同，目前的測序市場是多種測序技術(shù)并存的局面。第一代測序是指雙脫氧核糖核酸鏈末端終止法，即 Sanger 測序法。

1977 年，Walter Gilbert 和Frederick Sanger 發(fā)明了第一代測序技術(shù)，并測定了首個基因組序列：全長 5375 個堿基的噬菌體X174。該技術(shù)原理為在待測 DNA 模板中加入 A、T、G、C 四種脫氧核苷酸，并分別摻入四種雙脫氧核苷酸。由于 DNA 鏈合成過程遇到雙脫氧核苷酸即終止，因此會產(chǎn)生以 A、T、C、G 結(jié)束的四組不同長度的一系列核苷酸，隨后在尿素變性的 PAGE 膠上電泳進(jìn)行檢測，從而獲得 DNA 堿基序列。

Sanger 測序技術(shù)讀長長，一次可獲得長度為 700 至 1,000bp 的序列，準(zhǔn)確率高，可達(dá)到 99.99%，但通量與效率較低，成本較高，因此主要用于低通量的基因測序，以及 NGS 測序的結(jié)果驗證。第二代測序主要是指高通量測序技術(shù)（High-throughput Sequencing），又稱下一代測序技術(shù)（即Next Generation Sequencing, NGS）。

該方法采用平行測序理念，將 DNA 隨機(jī)打斷成無數(shù)的小片段，通過建庫富集 DNA 片段，隨后基于化學(xué)發(fā)光或納米球等技術(shù)識別堿基進(jìn)行測序。因為該測序方式需要在建庫階段將 DNA 打斷成為小片段，測序完畢后經(jīng)由生物信息技術(shù)作拼接，因此對實驗技術(shù)和生物信息技術(shù)有較高的要求。

與以往的傳統(tǒng)測序技術(shù)相比，高通量測序技術(shù)從測序原理、測序過程、適用范圍及測序結(jié)果等方面均存在本質(zhì)不同，該方法可一次對幾十萬到幾百萬條核酸分子進(jìn)行序列測定。高通量測序技術(shù)能有效克服 Sanger 測序技術(shù)成本高、通量低、對人力需求大等缺點，以其通量高、耗時短、準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢極大的促進(jìn)了基因組學(xué)的基礎(chǔ)研究與臨床推廣，給生物學(xué)領(lǐng)域帶來新的突破。在過去的十年中，高通量測序已經(jīng)助力了大量的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，拓展了基因測序的應(yīng)用場景，是目前以及未來較長時間內(nèi)的主流基因檢測平臺。

第三代測序主要是指單分子測序技術(shù)，主要依靠現(xiàn)代光學(xué)、高分子、納米技術(shù)等手段來區(qū)分堿基信號差異的原理，直接在單分子水平讀取序列信息。該技術(shù)的特點是無需對 DNA 模板進(jìn)行擴(kuò)增，并且相較于高通量測序技術(shù)的讀長更長，但是其單個堿基錯誤率在 1%~10%左右，高于高通量測序技術(shù)，目前并未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

Sanger 測序技術(shù)、高通量測序技術(shù)和單分子測序技術(shù)在成本、讀長、通量和準(zhǔn)確率等指標(biāo)上具有不同的優(yōu)劣勢。高通量測序技術(shù)通量高，在大幅降低了測序成本的同時又保持了較高的準(zhǔn)確性。

Sanger 測序技術(shù)與高通量測序技術(shù)相比，雖然讀長較長、準(zhǔn)確率較高，但是有著成本較高、通量較低的缺點。單分子測序技術(shù)與高通量測序技術(shù)相比，雖然讀長較長，但是成本與準(zhǔn)確率無法同時達(dá)到相近水平。

因此，第二代高通量測序技術(shù)是目前基因測序技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用普及的主要推動力，在較長時間內(nèi)仍將保持主流測序技術(shù)的地位。

2、PCRPCR 技術(shù)

是一種用于擴(kuò)增特定 DNA 片段的分子生物學(xué)技術(shù)，本質(zhì)是擴(kuò)增微量的核酸序列，最初用于基因克隆以及一代測序等領(lǐng)域，隨著 NGS 技術(shù)發(fā)展，PCR 在 NGS 核心文庫制備階段、文庫質(zhì)控等方面都被廣泛應(yīng)用。

熒光定量 PCR（qPCR）在普通 PCR 基礎(chǔ)上引入熒光信號及采集，利用熒光信號積累實時監(jiān)測整個 PCR 進(jìn)程，可用于相對定量檢測指定核酸分子。該技術(shù)手段具有檢測快速、試劑及配套設(shè)備成本低等優(yōu)勢，被廣泛用于分子診斷領(lǐng)域，例如病原體檢測以及人腫瘤基因突變等基因檢測。

數(shù)字 PCR 技術(shù)（dPCR）基于熒光 PCR 采集熒光信號的原理，通過將核酸樣本以微滴生成或芯片通道方式打散成單分子狀態(tài)的反應(yīng)單元，從而得到絕對定量結(jié)果。該技術(shù)體系具備靈敏度高、可絕對定量、無需內(nèi)參的優(yōu)勢，極大提升檢測靈敏度，可用于腫瘤變異的早期發(fā)現(xiàn)。但相對于較為成熟的熒光定量 PCR 技術(shù)，數(shù)字 PCR 技術(shù)還在發(fā)展的初級階段，目前主要應(yīng)用于臨床科研領(lǐng)域。

3、基因芯片

基因芯片又稱為 DNA 芯片、生物芯片或 DNA 微陣列等，是一種高度集約化的檢測方法?；蛐酒瑢⒋罅恳阎蛄械奶结樇稍谕粋€基片上，樣本核酸與芯片特定位點上的探針雜交后釋放信號，通過對信號的分析獲得生物細(xì)胞或組織中的基因信息。相對于熒光定量 PCR 技術(shù)，基因芯片的優(yōu)勢在于通量高、單位樣本檢測成本低；相對于二代測序技術(shù)，基因芯片的優(yōu)勢在于檢測速度快，數(shù)據(jù)處理簡單、檢測穩(wěn)定性高。

根據(jù)特定的科研應(yīng)用內(nèi)容，基因芯片可以細(xì)分為 miRNA 基因芯片、SNP 基因芯片、表達(dá)譜基因芯片、DNA 甲基化基因芯片和染色質(zhì)免疫共沉淀芯片等。miRNA 是 21 世紀(jì)初新興的研究領(lǐng)域，這類小分子 RNA 在生理過程中扮演著調(diào)控分子的重要角色，在發(fā)育過程和人類疾病尤其是腫瘤發(fā)生發(fā)展中起到非常重要的作用。

但這些小分子由于物理特性非常難以檢測，同時期的芯片技術(shù)可以較好克服模式生物的 miRNA 檢測困難?；蛐酒闹苽浞椒ㄖ饕悬c樣法和原位合成法。原位合成的基因芯片密度高，重復(fù)性好，但是技術(shù)壁壘高。1994 年第一張商業(yè)化基因芯片由 Affymetrix 公司推出，隨后 Roche Nimblegen、LCSciences（現(xiàn)聯(lián)川生物境外子公司）、Agilent、CustomArray 陸續(xù)推出數(shù)字化光控、光化學(xué)光控、噴墨打印、電化學(xué)基因芯片。

思瀚發(fā)布《2024-2029年中國基因檢測行業(yè)市場調(diào)研與發(fā)展前景預(yù)測報告》