一、 概念介紹

基因芯片，又稱 DNA 微陣列(DNA micro-array)，是把大量已知序列探針集成在同一個(gè)基片(如玻片、膜)上，經(jīng)過標(biāo)記的若干靶核苷酸序列與芯片特定位點(diǎn)上的探針雜交，通過檢測雜 交信號(hào)，對(duì)生物細(xì)胞或組織中大量的基因信息進(jìn)行分析。 高通量基因測序：一次對(duì)幾十萬到幾百萬條 DNA 分子進(jìn)行序列測定，使得對(duì)一個(gè)物種的轉(zhuǎn) 錄組和基因組進(jìn)行細(xì)致全貌的分析。

基因芯片和基因測序都屬于分子診斷的范疇。而分子診斷與化學(xué)診斷、免疫診斷一起構(gòu)成了 大家熟悉的體外診斷行業(yè)。

體外診斷：體外診斷，即 IVD(In Vitro Diagnosis)，是指在人體之外，通過對(duì)人體樣本(血液、體液、組織等)進(jìn)行檢測而獲取臨床診斷信息，進(jìn)而判斷疾病或機(jī)體功能的產(chǎn)品和服務(wù)。分子診斷的所有技術(shù)都存在局限性，所以每一個(gè)技術(shù)都有存在的價(jià)值，但是基因芯片和基因 測序在集成化、自動(dòng)化和高通量的代表性更強(qiáng)，發(fā)展前景最為看好。

2013 年之前 PCR(聚合 酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))在分子診斷領(lǐng)域占比最大，但是增速慢于基因測序。基因測序是分子診斷領(lǐng)域 發(fā)展增速最快的子行業(yè)，預(yù)計(jì) 2016~2010 年的年復(fù)合增長率為 23%。分子診斷：對(duì)患者體內(nèi)遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或者表達(dá)水平的變化進(jìn)行檢測，進(jìn)而為某些疾病的預(yù)防、診斷、治 療和預(yù)測提供信息和決策依據(jù)的診斷方法。分子診斷約占全球體外診斷的 11%，目前全球市場規(guī)模約為 50億美元。

圖表 1： 分子診斷的技術(shù)體系

　圖表 2：分子診斷技術(shù)分類以及代表性公司

圖表 3：基因檢測手段的應(yīng)用范圍

二、 技術(shù)比較：

芯片是一個(gè)封閉的檢測系統(tǒng)，只能檢測已知的基因信息。而測序是一個(gè)開放的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)新的基因信息。

芯片平臺(tái)經(jīng)過了近 20 年的發(fā)展，具有完整成熟的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)和分析手段；基因測序系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)和分析方法有待更完善和標(biāo)準(zhǔn)化。全基因組測序目前還是有隨機(jī)丟失的 問題，不能確保重要信息不會(huì)丟失。

芯片數(shù)據(jù)分析 PC 機(jī)即可完成，不存在 NGS 的海量數(shù)據(jù)分析負(fù)擔(dān)。對(duì)于測序所產(chǎn)生的海 量數(shù)據(jù)，人們正在開發(fā)專門的計(jì)算方法，需要“高性能計(jì)算+高速網(wǎng)絡(luò)+高效能存儲(chǔ)”整 套解決方案。

與測序相比，芯片更便宜，也更快獲得結(jié)果。

三、 很多人都會(huì)問：現(xiàn)在基因測序如此火，為什么代替不了基因芯片以及 PCR 等技術(shù)?

雖然測序是主流技術(shù)，其功能強(qiáng)大且測序成本逐漸在降低，但是測序并不能取代其他檢測手 段，而且隨著基因檢測市場的進(jìn)一步壯大，根據(jù)當(dāng)前 PCR 和基因芯片的應(yīng)用程度，未來基 因芯片甚至 PCR 還有進(jìn)一步擴(kuò)大的空間。

1. 測序的成本和操作復(fù)雜度還是將持續(xù)高于 PCR 和基因芯片，醫(yī)院檢驗(yàn)科通常將測序業(yè)務(wù)外包給第三方基因測序公司，很難即時(shí)得到測序檢驗(yàn)結(jié)果，而 PCR 和基因芯片檢驗(yàn) 科可以自己操作，能夠較快的得到結(jié)果，并且檢驗(yàn)科能夠獲得更大盈利，所以對(duì)檢驗(yàn)科 來說有較大的推廣動(dòng)力。

2. 對(duì)醫(yī)生而言只要能夠得到診斷依據(jù)，能夠指導(dǎo)用藥就可以了，某些單基因病、少數(shù)位點(diǎn) 的檢測并不需要整個(gè)基因序列，PCR 和基因芯片就能達(dá)到目的。

3. PCR(qPCR、DDPCR)能夠快速的，更加精確的對(duì)突變基因進(jìn)行定量檢測。

4. 基因芯片對(duì)片段微缺失微重復(fù)(CNV)具有較好的檢驗(yàn)結(jié)果，而目前測序較難對(duì) CNV 行準(zhǔn)確的檢測(隨著技術(shù)的提高測序檢測 CNV 將會(huì)逐漸成熟)。

5. 為獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，需要對(duì)目的片段進(jìn)行深度測序，掃描次數(shù)可能高達(dá) 2000x，全基因組測序無法達(dá)到。

6. 序列信息只是一方面，基因的其他信息還包括甲基化等，而且當(dāng)前基因信息的解析還有 待提高，片面的追求全基因組信息意義不大。

7. 對(duì)于非自身基因組所導(dǎo)致的疾病，例如外源病原體的檢測，乙肝病毒、HPV 病毒等，還有 ctDNA 檢測等，也需要靶向捕獲測序技術(shù)。

四、 芯片技術(shù)的獨(dú)特價(jià)值&；待解決問題

獨(dú)特價(jià)值：

芯片能夠在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)分析數(shù)千個(gè)參數(shù)，是大樣本量應(yīng)用的理想選擇。例如一塊新生兒 篩查芯片每次能夠檢測 1000 個(gè)嬰兒的 80 種不同疾病，也就是一次進(jìn)行 80，000 個(gè)檢測。這 就意味著對(duì)于需要大量樣本、快速周轉(zhuǎn)、精確數(shù)據(jù)或經(jīng)濟(jì)效益的基因組研究而言，芯片是完 美的選擇。 所以在臨床應(yīng)用上，比如生殖健康(產(chǎn)前、胚胎植入前和產(chǎn)后)、腫瘤(實(shí)體瘤和血液腫瘤) 和移植的遺傳學(xué)分析，都是很好的例子，對(duì)它們來說時(shí)間、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)性都是很重要的。 同樣，在農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)，在分子標(biāo)記輔助育種項(xiàng)目中，大量樣本必須快速高效地篩選。事 實(shí)上，目前已有多款芯片支持農(nóng)作物和牲畜的基因分型。

待解決問題：

基因芯片但要成為實(shí)驗(yàn)室研究或臨床可以普遍采用的技術(shù)仍有一些關(guān)鍵問題亟待解決如： 1. 提高基因芯片的特異性；

2. 簡化樣品制備和標(biāo)記操作；

3. 增加信號(hào)檢測的靈敏度；

4. 高度集成化樣品制備、基因擴(kuò)增、核酸標(biāo)記及檢測儀器的研制和開發(fā)。

上述問題不僅是當(dāng)前和今后一段時(shí)期內(nèi)國內(nèi)外基因芯片技術(shù)研究的焦點(diǎn)，同時(shí)也是基因芯片能否從實(shí)驗(yàn)室研究推向臨床應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

五、 兩種技術(shù)的關(guān)系：

在很多情況下，答案是測序和芯片似乎只能是對(duì)手。而實(shí)際上，它們也能強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢互 補(bǔ)。 通過測序，不斷的來發(fā)現(xiàn)和解讀新序列，芯片才有可能應(yīng)用這些新序列為靶向基因才進(jìn)行檢 測。以最近漸漸發(fā)展起來的 RNA 測序?yàn)槔?，?dāng)高通量測序被廣泛采用后，RNA 數(shù)據(jù)庫才開 始快速增長。隨著測序結(jié)果反饋到數(shù)據(jù)庫，人們挖掘出新的 RNA 信息，產(chǎn)生 microRNA 芯片 用于后續(xù)研究。

基因芯片行業(yè)狀況

國外基因芯片發(fā)展?fàn)顩r：

目前，國外已經(jīng)有十多家從事 DNA 芯片研究的公司，他們的芯片技術(shù)雖然各具特色，應(yīng)用 目的也不盡相同。例如著名的美國基因檢測公司 23andMe 使用的就是基因芯片檢測，具體 是在 Illumina HumanOmni Express-24 format chip 基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，大約可以檢測 100 萬個(gè)SNP(基因組水平上由單個(gè)核苷酸的變異所引起的 DNA 序列多態(tài)性)。

全球知名的芯片公司有 Illumina、Affymetrix 公司等。

1. Affymetrix：

Affymetrix 成立于 1992 年，目前員工數(shù)為 1150 人，是全球基因芯片產(chǎn)業(yè)先行者，早在 1989年就研制了世界上首張基因芯片。2016 年 3 月 31 日，Affymetrix 被 Thermo fisher(全球第 二大的基因測序龍頭公司)以每股 14 美元，總價(jià)格為 13 億美元的收購。該項(xiàng)收購已在第二 季度末完成。

Affymetrix 專注于基因芯片業(yè)務(wù)，分為芯片制備、芯片掃描儀器、數(shù)據(jù)處理分析以及相關(guān)耗 材試劑幾個(gè)模塊。2015、2014、2013 年對(duì)應(yīng)的營收分別為 3.1、2.9 以及 2.9 億美金。Affymetrix 目前有四大業(yè)務(wù)部門：遺傳分析(SNP 和 CNV 基因芯片等)、eBioscience(免疫診 斷)、基因表達(dá)(用于 mRNA 表達(dá)研究)以及生命科學(xué)試劑。目前業(yè)務(wù)增速最快的是遺傳分 析部門，增速約為 40%，大部分收入來自細(xì)胞遺傳學(xué)產(chǎn)品的銷售，如 CytoScan 平臺(tái)，以及Axiom 基因分型芯片產(chǎn)品。這主要得益于在科研應(yīng)用中生殖健康和腫瘤學(xué)的客戶群擴(kuò)大以及 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)和生物樣本庫方面的收入開拓。

2. Illumina：

Illumina 成立于 1998 年，成立初期主要業(yè)務(wù)為基因芯片，但是當(dāng)時(shí)芯片市場已經(jīng)有 Affymetrix牢牢占據(jù)龍頭位置。所以 Illumina 在 2006 年收購當(dāng)時(shí)一家規(guī)模很小，但擁有新穎的基因測 序技術(shù)的公司 Solexa，依靠技術(shù)上的優(yōu)勢以及不斷的研發(fā)創(chuàng)新，迫使當(dāng)時(shí)市場上的測序競爭 對(duì)手 454 被羅氏收購并最終停產(chǎn)，迫使 Complete Genomics 從 2012 年就開始裁員和尋找買 主，最終被深圳華大基因收購。

目前 Illumina 以基因測序業(yè)務(wù)為主，基因芯片業(yè)務(wù)占比不高，2015、2014、2013 年基因芯 片業(yè)務(wù)占比分別為 14%、19%和 27%，對(duì)應(yīng)的營收金額分別是 3.1、3.5 和 3.8 億美元。可以看出營收金額和占比都在逐年降低，主要原因還是在于高通量測序技術(shù)的告訴發(fā)展以及成本的指數(shù)下降對(duì)基因芯片行業(yè)的沖擊，其次也與 Illumina 公司業(yè)務(wù)的發(fā)展策略的重心偏向于基 因測序有關(guān)。

但是不可否認(rèn)，Ilumina 依然是芯片業(yè)務(wù)的龍頭公司。Illumina 的基因芯片業(yè)務(wù) 與 Affymetrix 類似，分為芯片制備、芯片掃描儀器、數(shù)據(jù)處理分析以及相關(guān)耗材試劑幾個(gè)模塊。

Affymetrix 在基因表達(dá)譜芯片占市場優(yōu)勢，因 affymetrix 的表達(dá)譜芯片上市時(shí)間最早，所以 知名度和用戶也是最多的，價(jià)格也是最貴的；但是 Illumina 憑借自己開發(fā)的 GoldenGate 技 術(shù)和 infinium 專利技術(shù)一直在 SNP 芯片領(lǐng)域處于壟斷地位。

Illumina 和 affymetrix 的 SNP 芯 片都可用于 CNV 分析，但 illumina 芯片因覆蓋位點(diǎn)數(shù)量較多，所以在 CNV 分析中可提供更 高分辨率的 CNV 數(shù)據(jù)。所以兩個(gè)公司各有自己技術(shù)和產(chǎn)品的優(yōu)勢來保證自己的行業(yè)龍頭地位。

國內(nèi)基因芯片發(fā)展?fàn)顩r：

相比基因芯片產(chǎn)業(yè)在國外發(fā)達(dá)國家的高速發(fā)展，國內(nèi)基因芯片市場明顯處于起步階段，還未 形成產(chǎn)業(yè)化，在分子診斷領(lǐng)域未得到廣泛應(yīng)用，僅僅應(yīng)用在生物信息等科研領(lǐng)域，市場規(guī)模 很小。其原因一是國內(nèi)基因芯片應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)不足，下游目標(biāo)用戶少，研發(fā)力度也略顯不足；二是單個(gè)基因芯片診斷成本較高，個(gè)別推廣對(duì)于患者無法承受。但芯片的優(yōu)勢體現(xiàn)在高通量 上，一旦實(shí)現(xiàn)芯片應(yīng)用的規(guī)?；?，則價(jià)格和精確性相對(duì)傳統(tǒng)方式優(yōu)勢凸顯，國內(nèi)才能迎來產(chǎn) 業(yè)的爆發(fā)點(diǎn)。