四代測序則在不斷更迭的技術(shù)革新中蓄勢待發(fā)

近年來，由于測序技術(shù)的發(fā)展，越來越多與疾病相關(guān)的基因得到確認(rèn)，作為精準(zhǔn)醫(yī)療的核心技術(shù)，測序已經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)前篩查、遺傳病診斷、腫瘤診斷與治療等方面，尤其在攻克腫瘤這一難題前，基因測序給腫瘤的預(yù)防和治療提供了全新的思路。

但是從產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，情況不容樂觀，測序儀的研發(fā)與生產(chǎn)壟斷在少數(shù)幾個大廠手中，測序巨頭 Illumina 更是占據(jù)了 70% 以上的市場份額，極高的行業(yè)壁壘，成為其它測序企業(yè)的發(fā)展障礙。所以當(dāng)前狀況下，突破二代測序儀的瓶頸成為測序公司制勝的關(guān)鍵，包括讀長、準(zhǔn)確度、精度、成本等。

四代測序則在不斷更迭的技術(shù)革新中蓄勢待發(fā)。

作為國內(nèi)少有的布局四代測序儀的公司，生輝關(guān)注到安序源生物科技有限公司（以下簡稱 “安序源”）的四代測序儀樣機近期亮相于深圳的一場展會，借此機會，生輝和安序源的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官田暉博士進行了交流。

田暉告訴生輝，“安序源的四代測序儀與牛津納米孔或其他公司相比區(qū)別較大。我們在保持納米孔測序長讀長優(yōu)勢的基礎(chǔ)上引入了酶促反應(yīng)，用于生成可辨識度高的單堿基信號。相比傳統(tǒng)納米孔測序直接讀取待測核酸序列，這個技術(shù)路線具有幾個重大優(yōu)勢：首先，所采集信號來源大大簡化，是真正意義上的單堿基識別，提高了檢測信噪比；第二，搭配不同的樣品制備方法可以實現(xiàn)對同一個待測 DNA 模板的多次測序，開啟可控的高精度測量模式；此外，測量對象與 DNA 序列分離，突破傳統(tǒng)直流電壓驅(qū)動的限制，可以設(shè)計更靈敏更快速的極微小驅(qū)動及檢測單元來提高精度和擴大通量。我們實現(xiàn)這個技術(shù)路線的核心測量部件 —— 生物芯片具有的檢測單元數(shù)目超過同行幾個數(shù)量級，在單次加載 DNA 讀數(shù)通量上領(lǐng)先市場。而且芯片是在已量產(chǎn)成熟的先進半導(dǎo)體工藝上設(shè)計并生產(chǎn)的，比其他公司采用的特制化芯片價格更低廉。”

“這意味著安序源的單芯片單次上樣即可實現(xiàn)高通量并行測序，提高測序深度和精度，而測序成本卻幾何級數(shù)下降?！彼a充說。

同時他也提到，降低成本和提高準(zhǔn)確度之后，四代測序會很快迎來應(yīng)用爆發(fā)期。

生物芯片是底層技術(shù)

高靈敏度高通量低成本的半導(dǎo)體生物芯片是安序源的核心技術(shù)。生物芯片根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實現(xiàn)對 DNA、蛋白質(zhì)等其它成分的高通量快速檢測，目前生物芯片的商業(yè)化應(yīng)用主要是快速多病毒聯(lián)檢、體外診斷、測序等。

2000 年，從斯坦福大學(xué)博士畢業(yè)后，田暉進入半導(dǎo)體領(lǐng)域，為相機制造 CMOS 圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器本質(zhì)上是一種集成電路芯片，可以將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，用?a target="_blank">手機、相機、攝像機、監(jiān)控等產(chǎn)品。

2013 年，田暉進入一家名為 Genia 的公司，進入生物技術(shù)行業(yè)，負(fù)責(zé)高通量、高靈敏度芯片的研發(fā)和量產(chǎn)。2014 年，Genia 被羅氏收購，田暉隨之進入羅氏，擔(dān)任測序部副總裁。2016 年，田暉和聯(lián)合創(chuàng)始人 Igor Ivanov 創(chuàng)立了安序源。Igor Ivanov 同時擔(dān)任安序源的首席運營官，他曾在硅谷連續(xù)創(chuàng)辦幾家公司，其中一家成功在納斯達克上市，其余均被大公司收購，是一位成功的連續(xù)創(chuàng)業(yè)者。

問及為何要從半導(dǎo)體行業(yè)轉(zhuǎn)向生物行業(yè)，田暉告訴生輝，“基因測序能直接影響生命，而且有一個更廣闊的市場；測序技術(shù)是生命科學(xué)的底層技術(shù)，可以應(yīng)用在很多方面；從半導(dǎo)體角度來說，打開了一個新的技術(shù)的應(yīng)用點；從生命科學(xué)的角度來說，帶來了新的技術(shù)平臺?！碧飼熣J(rèn)為自己是幸運的，因為最開始接觸的就是測序。

但是這一過程歷經(jīng)波折。

中國生物芯片研究起步較晚，始于 1997-1998 年，隨著生命科學(xué)的發(fā)展，生物芯片的研發(fā)才慢慢升溫。但是制作芯片的工藝流程復(fù)雜，對于環(huán)境的要求極高，所需的機器先進且昂貴。田暉也感慨道，“一般的公司是不可能自己來做半導(dǎo)體工藝的，因為太貴了，必須和半導(dǎo)體大廠合作”。

幾經(jīng)周折，安序源和以色列芯片巨頭高塔半導(dǎo)體達成合作，由高塔半導(dǎo)體為其開發(fā)了一套工藝?！芭c半導(dǎo)體大廠合作的門檻在于產(chǎn)量，小量訂單大廠是不接的，因為工藝開發(fā)有很高的機會成本，而且只有通過大規(guī)模量產(chǎn)才能收回。我們在初期的訂單量其實很小，但是高塔半導(dǎo)體看到高通量生物芯片代表了未來半導(dǎo)體應(yīng)用的一個重要方向，我們的芯片需求量在不久的將來會呈指數(shù)級增長，而且他們也希望能為精準(zhǔn)醫(yī)療做些貢獻，所以跟我們達成合作。有了這套工藝，我們也真正實現(xiàn)了高通量生物芯片的量產(chǎn)?！?田暉補充道，“高通量芯片搭載微流控部件才能實現(xiàn)整個測序流程。而且我們在一開始就是按照全流程自動化進行設(shè)計的，因此，微流控部件涉及的功能較多，過程復(fù)雜，我們花費了很多時間來找到技術(shù)上能滿足要求，并且能量產(chǎn)的合作伙伴?！?/p>

目前，安序源和牛津納米孔一樣，使用的都是集成電路生物芯片。但不同于牛津納米孔特殊工藝制作的千級通道芯片，安序源的芯片設(shè)計策略從一開始就適應(yīng)高通量產(chǎn)品要求，在單次加載 DNA 讀數(shù)通量上遙遙領(lǐng)先市場。而且安序源技術(shù)基于傳統(tǒng)成熟半導(dǎo)體工藝，而非特殊定制化，已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，有效控制了成本。田暉表示，傳統(tǒng)集成電路芯片工藝需經(jīng)過改造才能實現(xiàn)生物芯片的量產(chǎn)，因為生物芯片需要在鹽溶液環(huán)境工作。改造的步驟涉及微陣列結(jié)構(gòu)蝕刻，特殊金屬材料鍍層工藝，表面物化性質(zhì)優(yōu)化等。雖然改造過程比較復(fù)雜，但是改造成功后，成本非常低。

圖 | 安序源生物芯片（來源：公司官網(wǎng)）

據(jù)田暉透露，安序源依托生物芯片不僅開發(fā)了四代測序儀，也將應(yīng)用擴展到多種病毒聯(lián)檢、慢病監(jiān)測管理、輔助制藥研發(fā)等領(lǐng)域，并且已經(jīng)開始商業(yè)化。目前已有正在試用的研發(fā)伙伴和達成合作的客戶。

不止于四代

“利用高通量集成電路生物芯片這一底層技術(shù)，結(jié)合微流控、創(chuàng)新的生物化學(xué)、合成化學(xué)技術(shù)，我們要做一系列跨學(xué)科創(chuàng)新產(chǎn)品?！?田暉說道。測序儀是安序源主打的跨學(xué)科應(yīng)用產(chǎn)品，它涵蓋蛋白工程、生物芯片、電子電路、人工智能等多個交叉學(xué)科。

測序儀的不斷更迭也是市場升級的過程，從研發(fā)向臨床的一個方向。在這個過程中，需要同時實現(xiàn)低成本、快速、小型化、長讀長、無結(jié)構(gòu)性誤差。田暉表示，四代在小型化、速度和讀長方面已經(jīng)很不錯了，但是主要問題還是成本較高、準(zhǔn)確率不夠。

如何實現(xiàn)這五大指標(biāo)，田暉也給出了自己的答案。首先要降低成本，通過提高同時檢測 DNA 的通道數(shù)，和使用比較通用的、大規(guī)模量產(chǎn)的 CMOS 工藝生產(chǎn)的芯片；其次精度方面，不應(yīng)局限于納米孔直接物理測序的方法，還可以借鑒以前做的很成功的生物化學(xué)流程。

“只有超越現(xiàn)有四代測序的水平，才可能完成大范圍取代二代，完成測序行業(yè)的升級換代。所以，目前市場上四代測序產(chǎn)品應(yīng)該是我們的起點，而不是終極目標(biāo)。只有做到超過當(dāng)前四代測序產(chǎn)品的通道數(shù)和精度，才能具有市場競爭力”。

據(jù)悉，安序源的四代測序儀是在納米孔的基礎(chǔ)上，結(jié)合了生物材料，包括生物酶等，以此來提高測序儀的容錯率。田暉解釋道，“單獨使用未經(jīng)修飾的納米孔直接測序經(jīng)常被認(rèn)為是一種物理測序方式，它容易受到布朗運動等過程的影響，導(dǎo)致測序的準(zhǔn)確度降低。我們在納米孔的基礎(chǔ)上加上了比較成熟的、經(jīng)過驗證的生化部件之后，在很大程度上突破了這類物理測序本身的局限?！?/p>

2019 年，安序源的生物芯片已發(fā)展成熟，并發(fā)布了第一款測序儀。但在后期運行調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，儀器的機械和液路部分經(jīng)常出現(xiàn)問題。田暉解釋道，“生物芯片的功能實現(xiàn)需要儀器的支持，包括電學(xué)、機械、液路三個方面，缺一不可?！?所以在今年年初，安序源美國研發(fā)中心重新設(shè)計了最重要的芯片 / 儀器接口部分，10 月份開始，已在中國小批量生產(chǎn)，進行儀器調(diào)試驗證，與合作方一起開發(fā)新的應(yīng)用。

測序是精準(zhǔn)醫(yī)療的基礎(chǔ)，在微生物檢測、腫瘤、產(chǎn)前診斷等領(lǐng)域都有應(yīng)用。在田暉看來，四代的測序成本和精度超過二代之后，不僅可以搶占現(xiàn)有的測序市場，還可以打開一個更大規(guī)模、更廣泛的應(yīng)用空間。測序儀智能自動小型化后，除了可以用于人類疾病早篩外，還可以檢測環(huán)境中的微生物和環(huán)境中食品的污染，甚至每家每戶都可以擁有一個家用型的測序儀，這將是一個 to C 的市場。

目前，安序源在中美兩地布局有研發(fā)中心。田暉告訴生輝，在美國的研發(fā)達到一定規(guī)模，比較成熟后，會轉(zhuǎn)到中國做生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)，“未來，美國主要是做前端的研發(fā)，同時會逐漸將美國的研發(fā)轉(zhuǎn)移回中國，未來一兩年的重點是在中國把產(chǎn)品化做出來，也會大幅度提高在中國的研發(fā)能力?！?/p>

談及近期的發(fā)展計劃，田暉表示，首先要和合作對象共同調(diào)試測序儀，優(yōu)化流程，開發(fā)更多的應(yīng)用；其次，今年將完成 GMP 廠房建設(shè)，用于試劑、微流芯片及儀器的生產(chǎn)；最后，要擴建團隊，以此支撐多產(chǎn)線的研發(fā)與量產(chǎn)。目前，安序源在中美兩國有數(shù)十人的核心全職團隊，每個專業(yè)領(lǐng)域有帶頭人負(fù)責(zé)統(tǒng)籌規(guī)劃以及與其他部門對接，并大量外包具體工作，“我們的核心團隊成員都是獨當(dāng)一面的行業(yè)精英，精簡的人員和扁平化的公司結(jié)構(gòu)不僅節(jié)約成本，還能使效率最大化。而將部分研發(fā)與生產(chǎn)外包，我們得以借力，省時省力而且拓寬了團隊的研發(fā)范圍”。

據(jù)了解，自成立以來，安序源已完成 2 輪累計數(shù)千萬美元的融資，投資方包括華潤、力合、 松禾、聚明、清源等。田暉也向生輝透露目前正在新一輪融資中。

采訪的最后，田暉告訴生輝，“我們不僅要做測序儀，也希望安序源能夠成為大健康產(chǎn)業(yè)的一個工具平臺，通過半導(dǎo)體、生物芯片、微流控等高科技，為精準(zhǔn)醫(yī)療和新型制藥、檢測行業(yè)提供高通量的篩查設(shè)備，也可以提供底層技術(shù)支持。”

原文標(biāo)題：獨家專訪丨低成本高精度實現(xiàn)高通量并行測序，這家初創(chuàng)依托自研芯片想做“不止于四代”

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