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5.19亿美元单细胞测序上游市场,他们在领跑

2021-2-17| 编辑: 小桔灯网| 查看: 344| 评论: 0|来源: 仪器信息网

摘要: 近年来,单细胞基因组学是十分热门的研究方向,以“三高”著名——高逼格、高门槛、高分文章。对于下游测序公司来说,还存在高利润的优势。单细胞基因组学主要涉及哪些技术?市场情况如何呢?单细胞基因组学在免疫学 ...



近年来,单细胞基因组学是十分热门的研究方向,“三高”著名——高逼格、高门槛、高分文章对于下游测序公司来说,还存在高利润的优势。单细胞基因组学主要涉及哪些技术?市场情况如何呢?


单细胞基因组学在免疫学、肿瘤学和神经学研究等各个科学领域发挥着关键作用。2013年,Nature杂志将年度技术授予了单细胞基因测序,认为该技术将改变生物界和医学界的许多领域。


单细胞基因组研究主要技术

单细胞基因测序主要步骤为:单细胞的分离--DNA/RNA的提取和扩增(全基因组扩增和全转录组扩增)---测序以及后续的分析和应用。其中,单细胞的捕捉和分离是第一步,具有一定挑战性,目前主要包括流式细胞术、激光捕获显微切割技术和微流控技术。

全基因组和全转录组扩增是单细胞测序的难点,近几年也取得了较大突破,目前扩增技术已逐渐成熟。全基因组扩增技术主要有:简并寡核苷酸引物PCR扩增(DOP-PCR),多重置换扩增(MDA);和基于多次退火和成环的扩增循环(MALBAC)几种技术。全转录组扩增技术,从PCR扩增(SMART-SEQ2等)到IVT扩增(CEL-SEQ2等),到现在的高保真DNA聚合酶扩增(SPLIT-SEQ等)。


单细胞测序上游市场及主要供应商


由于单细胞基因测序技术的应用前景被广泛看好,多家上游科技企业纷纷投入研发单细胞基因测序产品,2017年以后,更多商业化单细胞测序平台陆续走向市场。目前,国外品牌在单细胞基因组学技术中占主导地位,包括10x Genomics、伯乐、富鲁达、Illumina和凯杰、BD、安捷伦等。2020年,全球单细胞基因组学产品的销售额为5.19亿美元,预计到2025年将以高个位数的年复合增长率增长。

富鲁达的 C1平台,是世界上第一个商业化的用于基因组学研究的自动化单细胞样本制备系统。通过采用创新的微流控专利技术,能够快速可靠地分离、处理、并对单细胞进行基因组分析。利用微流控芯片(IFC),可快速捕获并实现96或800个单细胞的核酸样本制备。一步法完成从捕获、裂解到逆转录和预扩增的过程,进行各类单细胞测序建库。该平台的商业化开始让更多人涉足单细胞测序领域,但该技术成本较高,通量相对较低,目前一些非RNA类单细胞测序仍会采用该技术。


Fluidigm C1平台

10X Genomics是一家年轻的公司,于2012年成立,2019年9月在美国纳斯达克上市,同年营业收入为2.46亿美元,一开始就专注于单细胞测序。2016年2月10X Genomics推出主要产品Chromium单细胞转录组测序平台,该平台利用微流控、油滴包裹和baecode标记等技术来实现高通量的细胞捕获技术,能够一次性分离、并标记500–10000个单细胞,从而获得每个细胞的3’端的转录组信息。10X Genomics 近两年也多次陷入专利纠纷的官司中,2020年后,其单细胞测序产品 Chromium开始全部使用Next GE微流控芯片。

为了解决常规测序系统读长限制所带来的的无法满足组装、结构变异、多态性等问题,10X Genomics推出了GemCode平台,通过条形码信息将Illumina短序列再次连接,获得更有研究价值的长片段信息。10X Genomics还推出了升级版的Chromium系统,在GemCode的基础上整合单细胞测序。每次实验可分析1000至10000个细胞,增加了检测稀有细胞的灵敏度和准确度。


10X Genomics Chromium单细胞测序产品


BD Rhapsod单细胞捕获系统比10X晚一年推出,2018年3月进入中国市场。BD Rhapsod平台采用分子标签技术,为单细胞中每个转录本标记特异性分子标签,实现单细胞水平上基因表达谱的绝对定量。平台源于Cytoseq蜂窝板技术,采用20万+个微孔(远超过细胞数量,目的就是为了一孔一个细胞),因此可以叫做“微孔捕获”,效率更高。捕获后也是裂解细胞,再进行mRNA抓取。结合Rhapsody特有的单细胞分离技术,单次实验可制备100-10000个单细胞文库,用户可根据需求定制引物,将检测范围集中在目标基因,大幅降低后续测序成本。


BD Rhapsody单细胞分析平台


2017年1月,Illumina伯乐在JP摩根健康大会上发布了Illumina® Bio-Rad® Single-Cell Sequencing Solution。该综合解决方案是单细胞分析的第一个新一代测序(NGS)工作流程。解决方案包括ddSEQ™ Single-Cell Isolator和SureCell™ WTA 3’Library Prep Kit。伯乐最好的液滴分离技术,Droplet Digital™技术,可以对单细胞进行隔离和编制条形码,然后在Illumina的许多主要NGS仪器上进行下游测序。全面的工作流程解决方案包括使用BaseSpace® Informatics Suite,Illumina的云端基因组学计算环境进行初级和中级数据分析,使用流式细胞分析技术的领先公司FlowJo, LLC所开发的SeqGeq™进行高级数据分析和可视化处理。该测序系统可一次性检测8个样本,每个样本可以得到500~10000个细胞,研究单细胞在组织功能、病情进展和治疗反应方面的协同作用。与其他高通量捕获平台相比:Illumina® Bio-Rad®捕获效率低,仅为3%,但测序成本相对较低。


Illumina® Bio-Rad® Single-Cell Sequencing Solution包括全新的ddSEQ Single-Cell Isolato(与NextSeq 500合照)


宝生物(Takara Bio),是一家集试剂、耗材、仪器和服务为一体的生物技术公司,旗下的Clontech品牌拥有单细胞RNA-Seq文库构建的核心专利——SMART技术,由此发展处单细胞全基因组扩增技术、高通量单细胞捕获分选技术等。

2015年2月份,宝生物收购的Wafergen公司开发出ICELL8 Single-Cell System单细胞分选平台,平台基于微流控芯片的技术,ICELL8利用WaferGen SmartChip TE平台筛选细胞,平台拥有5184个反应孔,可进行单细胞RNA测序样本的制备、扩增、表达谱建库测序、生物信息分析,快速得到样本间的基因表达差异。该平台具有通量高,周期快等特点,解决了传统单细胞扩增中通量低,价格贵的问题,为需进行大量细胞捕获筛选的研究提供了高效单细胞分选平台。该平台的细胞捕获效率为30%,成本相对较低。


ICELL8 Single-Cell System


2017年11月,英国Dolomite Bio公司推出Nadia单细胞自动制备仪,可平行运行1,2,4,8个样品, 每个样品18min内可生成6000个单细胞库;专为DropSeq方案设计;使用一次性试剂盒,防止污染;自动检测试剂盒状态,触摸屏控制,全自动运行。Nadia创新平台,可以使用自己的试剂,开发新的方法,可调节液滴大小、频率、温度、搅拌和时间等参数,一旦条件摸索成功,可通过Nadia单细胞自动制备仪在相同条件下平行运行2,4,8个样品。此前,该公司已推出单细胞RNA测序系统和μEncapsulator细胞包裹系统。

Nadia单细胞自动制备仪


Namocell是专注于单细胞分离分选技术的生物仪器公司,其自主研发的微流体单细胞分离平台,在单细胞基因组产前基因筛查方面已有所应用。 单细胞分选分离仪是集流式细胞术和微流控技术于一体的新一代细胞分离技术,仪器能够通过光电检测系统,识别标有荧光抗体的目的细胞,在激光照射的后的微流体通道中,设有电子开关,能够将目的细胞所在液体捕获,并且单个分离出来。

Namocell单细胞分选分离仪


除了细胞分选、建库和测序的仪器产品,凯杰安捷伦等公司也在单细胞基因组研究领域有所布局,凯杰公司有单细胞全基因组扩增试剂盒,安捷伦公司除了之前的高通量寡核苷酸微阵列芯片和试剂盒等产品外,就在今天(1月26日)还宣布与一家叫新格元的分子诊断公司合作,共同开发针对单细胞测序的一站式解决方案,其中安捷伦将提供质量控制产品仪确保获得高质量测序文库,同时可改进样品处理和文库制备流程。

此外,还有众多初创公司瞄准单细胞基因组学市场,以下为来源于某网站的不完全统计名单:


点击查看大图


国内也有科研团队正在从事相关领域的研究。如2020年12月,厦门大学杨朝勇教授团队研发的Digital-WGS样品前处理平抬,可基于数字微流控的自动化处理功能来简化高性能单细胞的WGS。该平台集成了并行纳升体积多重置换扩增(MDA)的所有主要步骤,包括从单细胞分离到全基因组扩增(WGA)的自动处理。通过在DMF芯片上结合流体动力学和表面润湿性,无论细胞类型和输入如何,都可以通过液滴操作自动有效地(100%)分离单个细胞。Digital-WGS允许在所有步骤中对液滴进行可寻址的控制,以大大提高裂解效率和反应的均匀性。可寻址和非接触式工作流程减少了与污染物或内源性背景的竞争,从而提高了基因组模板的有效浓度,为执行单细胞测序提供了一种有效的途径,对于单细胞基因组测序有广阔的应用前景。


小结


总体来讲,单细胞基因组学市场的快速发展,主要得益于政府及科研单位的重视和资金投入、测序技术成本的降低以及RNA测序技术的进步。此外还有多组学分析的专门技术,涉及利用各种“组学”学科,如基因组学、蛋白质组学和转录组学来收集和分析复杂、大量的生物数据。

虽前景大好,单细胞基因组学市场目前仍面临诸多挑战,如相较于群体细胞测序,单细胞样品的分离、获取难度会大幅度增加,由于管理大量测序数据输出而导至的潜在数据分析错误,相关企业卷入了各种涉及知识产权、并购和其他商业交易的诉讼案件,以及新冠疫情导至2020年初产品销售中断等可能存在的持续影响。

目前,单细胞基因测序更多应用还处于基础科研阶段,预计到2025年,单细胞基因组学将在整个科学技术市场占有重要地位。

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