主流分子诊断技术全解析
2019-11-26 22:37:20点击：
截止2019年3月，分子诊断产品获批数量达1197项。按照技术原理，可以将上市分子诊断技术大致划分为PCR技术、分子杂交、基因测序、核酸质谱、生物芯片5大类。
未来3-5年IVD行业最具发展潜力的产品线是什么?
答案无疑是分子诊断。狭义的分子诊断是基于核酸的诊断技术。
随着基因组学、蛋白组学、代谢组学等新兴学科的发展，分子诊断的内涵已经从DNA/RNA拷贝、突变等检测，拓展到核酸与DNA片段、蛋白与多肽、抗原与抗体、受体与配体等生物大分子的检测。
分子诊断技术体系
从各类技术类别来看，PCR技术由于壁垒相对较低，国产化程度高，国内企业布局相对较早，因此基于PCR技术的分子诊断产品占总产品量的70%以上。
PCR技术是一种用于扩增特定DNA片段的分子生物学技术，基本原理是在反应室中模拟细胞内的DNA复制，即人为创造核酸半保留复制条件，使目的DNA在细胞外完成扩增的过程。通过PCR技术进行分子诊断的流程如下：核酸提取——核酸扩增——核酸检测。
1.2 ddPCR(数字PCR)
ddPCR系统利用油包水技术，在传统的PCR扩增前将一个大的反应体系进行微滴化处理，将此反应体系分割为成千上万个微滴，即成千上万个独立的PCR反应体系。在此过程中，样品被稀释至单分子水平，并被平均分配到这几万个反应体系中，每个微滴中不含或者含有至少一个待检测的核酸靶分子，这样也相当于变相的对靶基因进行富集。
目前，国内市场已现10余家数字PCR仪厂商，其中领航基因自主研发的数字PCR系统已获NMPA认证，锐讯生物、新羿生物、STILLA、伯乐还在申报中。
2. 核酸测序
经典的Sanger测序技术，被称作是测序届金标准。随着高通量测序技术应用拓展，基因测序技术将不断升级，也将进一步提高占比，成为未来肿瘤检测的主要技术。目前测序市场主流为NGS测序平台。
2.1 NGS(下一代测序，也被称为“二代测序”)
二代测序(NGS)在临床领域的应用快速增涨，其在临床上的应用主要包括疾病目标基因集测序(disease-targeted gene panels)、全外显子组测序(whole exome sequencing , WES)和全基因组测序(whole genome sequencing , WGS)。总体来说，NGS技术具有通量大、时间短、精确度高和信息量丰富等优点，可以在短时间内对感兴趣的基因进行精确定位。
在二代测序领域，笔者知道的测序平台就达三十多个，Illumina毫无疑问是行业巨头，其市场规模甚至达到垄断地步。目前已获中国国家药品监督管理局医疗器械批准的基因测序仪包括：Illumina MiSeq™Dx;华大智造BGISEQ-100、BGISEQ-1000、BGISEQ-500、BGISEQ-50、MGISEQ-2000、MGISEQ-200共6款基因测序仪。
2.2 单细胞测序
第三代测序技术的核心理念是以单分子为目标的边合成边测序，单分子测序平台给测序技术带来新思路，部分已经开始商业化推广，但尚未达到NGS的规模。
相比二代测序，第三代测序技术在临床上的应用有明显优势：第三代测序技术不需要PCR扩增，可直接对单个分子进行测序;样品制备简单，测序成本进一步降低；可直接读取RNA的序列和包括甲基化在内的DNA修饰。这些优势可以大大改善临床基因测序的成本、速度和质量，但单分子测序有通量限制，所以并不适合独立做全基因组测序，更适于针对有限的、个性化的、目标性的应用。
几家重要的单分子测序平台一览：
Helicos BioSciences：第一台真正的单分子测序仪
Pacific Biosciences(PacBio)：首个单分子实时测序系统
Oxford Nanopore Technologies：纳米孔测序、迷你测序仪
3. 分子杂交
核酸分子杂交技术是利用DNA 变性与复性的原理，把不同的DNA 单链分子或者DNA 与RNA 的混合物放在同一溶液中，在某种理化因素作用下DNA 双链分子解链变性，这样互补序列的DNA 之间或DNA 与RNA 之间形成杂化的双链。
核酸分子杂交技术可分为Southern 杂交——DNA和DNA分子之间的杂交；Northern杂交——DNA和RNA分子之间的杂交。
蛋白杂交，也叫Western 杂交，蛋白质分子杂交是一种借助特异性抗体鉴定抗原的有效方法，即蛋白质分子(抗原—抗体)之间的杂交。
4. 核酸质谱
目前核酸分析所使用的质谱电离技术主要还是采用 ESI 和MALDI。 简单来讲，两种电离技术都是软电离，ESI 检测的特点是生物大分子带多个电荷，质荷比范围基本在2000 Da 以下区间，从而能检测几万乃至更大的生物分子；而MALDI 常得到单电荷峰，与飞行时间(TOF)分析器搭配，检测范围可以到几十万道尔顿。
质谱技术相比于其他检测技术具有快速、准确、灵敏度高、高通量等优点，近年来在核酸的高级结构鉴定、寡核苷酸与小分子的相互作用、DNA 损伤与修饰等领域有着广泛的应用。
由于生物样品的复杂性，质谱技术还面临着一些挑战和困难。但生物质谱技术是科学研究的有力工具，随着临床实验室对质谱的了解和应用不断的加深，未来该检测平台或可成为规范实验室不可或缺的标准装备。
5. 生物芯片
5.1 微阵列芯片
也就是常说的基因芯片，又称DNA微阵列(DNA micro-array)、SNP芯片，是把大量已知序列探针集成在同一个基片(如玻片、膜)上，经过标记的若干靶核苷酸序列与芯片特定位点上的探针杂交，通过检测杂交信号，对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析。
与传统的染色体核型分析技术相比具有更高的分辨率，可识别Kb级别以上的染色体细微失衡。基因芯片目前已成为国内外临床遗传学诊断的一项常规的技术，在遗传病检测、疾病筛查、疾病分型、病原体检测、个性化用药等方面均呈现出广阔的应用前景。
全球知名的芯片公司有 Illumina、Affymetrix(于2016年被赛默飞收购)、安捷伦等。
5.2 微流控芯片
微流控芯片( microfluidic chip) 由微米级流体的管道、反应器等元件构成，与宏观尺寸的分析装置相比，其结构极大地增加了流体环境的面积/体积比，以最大限度利用液体与物体表面有关的包括层流效应、毛细效应、快速热传导和扩散效应在内的特殊性能，从而在一张芯片上完成样品进样、预处理、分子生物学反应、检测等系列实验过程。
目前使用微流控芯片进行指导用药的多基因位点平行检测是主要临床应用领域。
分子诊断的高速发展离不开分子生物学技术日新月异的进步。
在过去的50 年中分子诊断技术取得了三大转化与3项提升：报告信号检测从放射核素标记向荧光标记转化、操作方法由手工操作向全自动化转化、检测分析通量从单一标志物向高通量多组学联合判断转化。
不仅如此，仪器检测灵敏度、精密度、特异性的也有快速提升。随着分子诊断技术的进一步发展，分子诊断将会出现理念的革命性进步，高通量技术将更多的进入临床的实际应用中。具体如何发展，我们拭目以待。
未来3-5年IVD行业最具发展潜力的产品线是什么?
答案无疑是分子诊断。狭义的分子诊断是基于核酸的诊断技术。
随着基因组学、蛋白组学、代谢组学等新兴学科的发展，分子诊断的内涵已经从DNA/RNA拷贝、突变等检测，拓展到核酸与DNA片段、蛋白与多肽、抗原与抗体、受体与配体等生物大分子的检测。
从目前市场分子诊断产品来看，基于核酸诊断技术的产品仍占主要。
厦门普睿迈格（http://www.purimagbead.com）提供成熟的生物磁珠技术、服务和产品。
分子诊断技术体系
1. PCR技术
从各类技术类别来看，PCR技术由于壁垒相对较低，国产化程度高，国内企业布局相对较早，因此基于PCR技术的分子诊断产品占总产品量的70%以上。
PCR技术是一种用于扩增特定DNA片段的分子生物学技术，基本原理是在反应室中模拟细胞内的DNA复制，即人为创造核酸半保留复制条件，使目的DNA在细胞外完成扩增的过程。通过PCR技术进行分子诊断的流程如下：核酸提取——核酸扩增——核酸检测。
按照靶标数量划分，PCR技术平台通常可分为qPCR和ddPCR。
1.1 实时荧光定量PCR(qPCR)
Real-time PCR，美国PE(Perkin Elmer)公司1995年研制出来的一种新的核酸定量技术，该技术是在常规PCR基础上加入荧光标记探针来实现其定量功能的，与普通PCR相比，实时定量PCR具有许多优点：利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物量的变化，最终对起始模板的定量分析。
1.2 ddPCR(数字PCR)
ddPCR系统利用油包水技术，在传统的PCR扩增前将一个大的反应体系进行微滴化处理，将此反应体系分割为成千上万个微滴，即成千上万个独立的PCR反应体系。在此过程中，样品被稀释至单分子水平，并被平均分配到这几万个反应体系中，每个微滴中不含或者含有至少一个待检测的核酸靶分子，这样也相当于变相的对靶基因进行富集。
目前，国内市场已现10余家数字PCR仪厂商，其中领航基因自主研发的数字PCR系统已获NMPA认证，锐讯生物、新羿生物、STILLA、伯乐还在申报中。
2. 核酸测序
经典的Sanger测序技术，被称作是测序届金标准。随着高通量测序技术应用拓展，基因测序技术将不断升级，也将进一步提高占比，成为未来肿瘤检测的主要技术。目前测序市场主流为NGS测序平台。
2.1 NGS(下一代测序，也被称为“二代测序”)
二代测序(NGS)在临床领域的应用快速增涨，其在临床上的应用主要包括疾病目标基因集测序(disease-targeted gene panels)、全外显子组测序(whole exome sequencing , WES)和全基因组测序(whole genome sequencing , WGS)。总体来说，NGS技术具有通量大、时间短、精确度高和信息量丰富等优点，可以在短时间内对感兴趣的基因进行精确定位。
在二代测序领域，笔者知道的测序平台就达三十多个，Illumina毫无疑问是行业巨头，其市场规模甚至达到垄断地步。目前已获中国国家药品监督管理局医疗器械批准的基因测序仪包括：Illumina MiSeq™Dx;华大智造BGISEQ-100、BGISEQ-1000、BGISEQ-500、BGISEQ-50、MGISEQ-2000、MGISEQ-200共6款基因测序仪。
2.2 单细胞测序
第三代测序技术的核心理念是以单分子为目标的边合成边测序，单分子测序平台给测序技术带来新思路，部分已经开始商业化推广，但尚未达到NGS的规模。
相比二代测序，第三代测序技术在临床上的应用有明显优势：第三代测序技术不需要PCR扩增，可直接对单个分子进行测序;样品制备简单，测序成本进一步降低；可直接读取RNA的序列和包括甲基化在内的DNA修饰。这些优势可以大大改善临床基因测序的成本、速度和质量，但单分子测序有通量限制，所以并不适合独立做全基因组测序，更适于针对有限的、个性化的、目标性的应用。
几家重要的单分子测序平台一览：
Helicos BioSciences：第一台真正的单分子测序仪
Pacific Biosciences(PacBio)：首个单分子实时测序系统
Oxford Nanopore Technologies：纳米孔测序、迷你测序仪
3. 分子杂交
核酸分子杂交技术是利用DNA 变性与复性的原理，把不同的DNA 单链分子或者DNA 与RNA 的混合物放在同一溶液中，在某种理化因素作用下DNA 双链分子解链变性，这样互补序列的DNA 之间或DNA 与RNA 之间形成杂化的双链。
核酸分子杂交技术可分为Southern 杂交——DNA和DNA分子之间的杂交；Northern杂交——DNA和RNA分子之间的杂交。
蛋白杂交，也叫Western 杂交，蛋白质分子杂交是一种借助特异性抗体鉴定抗原的有效方法，即蛋白质分子(抗原—抗体)之间的杂交。
4. 核酸质谱
目前核酸分析所使用的质谱电离技术主要还是采用 ESI 和MALDI。 简单来讲，两种电离技术都是软电离，ESI 检测的特点是生物大分子带多个电荷，质荷比范围基本在2000 Da 以下区间，从而能检测几万乃至更大的生物分子；而MALDI 常得到单电荷峰，与飞行时间(TOF)分析器搭配，检测范围可以到几十万道尔顿。
质谱技术相比于其他检测技术具有快速、准确、灵敏度高、高通量等优点，近年来在核酸的高级结构鉴定、寡核苷酸与小分子的相互作用、DNA 损伤与修饰等领域有着广泛的应用。
由于生物样品的复杂性，质谱技术还面临着一些挑战和困难。但生物质谱技术是科学研究的有力工具，随着临床实验室对质谱的了解和应用不断的加深，未来该检测平台或可成为规范实验室不可或缺的标准装备。
5. 生物芯片
5.1 微阵列芯片
也就是常说的基因芯片，又称DNA微阵列(DNA micro-array)、SNP芯片，是把大量已知序列探针集成在同一个基片(如玻片、膜)上，经过标记的若干靶核苷酸序列与芯片特定位点上的探针杂交，通过检测杂交信号，对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析。
与传统的染色体核型分析技术相比具有更高的分辨率，可识别Kb级别以上的染色体细微失衡。基因芯片目前已成为国内外临床遗传学诊断的一项常规的技术，在遗传病检测、疾病筛查、疾病分型、病原体检测、个性化用药等方面均呈现出广阔的应用前景。
全球知名的芯片公司有 Illumina、Affymetrix(于2016年被赛默飞收购)、安捷伦等。
5.2 微流控芯片
微流控芯片( microfluidic chip) 由微米级流体的管道、反应器等元件构成，与宏观尺寸的分析装置相比，其结构极大地增加了流体环境的面积/体积比，以最大限度利用液体与物体表面有关的包括层流效应、毛细效应、快速热传导和扩散效应在内的特殊性能，从而在一张芯片上完成样品进样、预处理、分子生物学反应、检测等系列实验过程。
目前使用微流控芯片进行指导用药的多基因位点平行检测是主要临床应用领域。
分子诊断的高速发展离不开分子生物学技术日新月异的进步。
在过去的50 年中分子诊断技术取得了三大转化与3项提升：报告信号检测从放射核素标记向荧光标记转化、操作方法由手工操作向全自动化转化、检测分析通量从单一标志物向高通量多组学联合判断转化。
不仅如此，仪器检测灵敏度、精密度、特异性的也有快速提升。随着分子诊断技术的进一步发展，分子诊断将会出现理念的革命性进步，高通量技术将更多的进入临床的实际应用中。具体如何发展，我们拭目以待。
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