中國生物工程學會會刊 ? ? 創刊于2005年

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生物芯片研究現狀與市場分析

時間:2018-05-29來源:未知 點擊:

生物芯片(biochip)又叫微 陣列(microarray),借鑒計算機 芯片技術,把生命醫學中的各種 生物化學反應與分析過程集成 在一個芯片表面上,以實現對 DNA、RNA、多肽和蛋白質等 生物活性成分進行高通量、快速 的檢測。生物芯片技術的主要特 點體現在3個方面:一是微型化, 成千上萬個生化反應過程在芯片 上同時進行;二是高通量,生物 芯片通過一次檢測可以給出成千 上萬條信息;三是高度交叉,生 物芯片技術涉及生命科學、醫 學、材料科學、信息科學等技術 的交叉與融合。該技術廣泛應用 于基因組學與蛋白質組學的科學 研究、臨床疾病診斷、新藥研發、 司法鑒定和食品安全等領域[1]。

全球第一塊生物芯片于1992年 誕生,20世紀90年代因人類基因 組計劃(HGP)的實施而得到快速 發展。進入21世紀,我國在制定 科技創新與產業發展政策時,生物 芯片技術與產業得到了重視。2012 年12月,我國發布了《生物產業 發展規劃》,在重點領域和主要任 務三“突破核心部件制約,促進生 物醫學工程高端化發展”中明確提 到了加快發展包含生物芯片在內的 新興技術,推動我國體外診斷產業 的發展[2]。2017年5月,我國發布 了《“十三五”生物技術創新專項 規劃》,也在“顛覆性技術”專欄 中明確提及要發展微流控芯片, 推動生物檢測技術向微量、痕量、 單分子、高通量等方向發展[3]。 雖然目前對該技術的產業化程度 仍存爭議,但可以明確的一點是, 當前生物芯片已經有機地整合到整 個生物技術產業,成為其中有巨大 發展前景的一個分支。

1 生物芯片技術研發現狀

1.1 生物芯片分類

全球首個生物芯片產品問世 雖然已有20多年的時間,但生物 芯片分類方式也沒有完全統一的標 準。比較常見的有3種分類方式, 分別是按用途、作用方式和成分來 分類。按用途可分為生物分析芯片 和生物電子芯片。一般所指的生物 芯片主要為生物分析芯片;而生物 電子芯片目前在技術和應用上尚不 成熟,屬于較新技術。按作用方式 可分為被動式芯片和主動式芯片。 被動式芯片即指各種微陣列芯片, 如基因芯片、蛋白芯片、細胞芯片 和組織芯片等。主動式芯片是指將 生物實驗中的樣本處理純化、反應標記、檢測等實驗步驟進行集成, 通過一步反應來完成的芯片,包 括微流體芯片(microfl uidic chip) 和縮微芯片實驗室(lab on a chip)。 按芯片檢測的成分則可分為基因芯 片、蛋白芯片、細胞芯片和組織芯 片等[4]。

1.2 生物芯片技術發展現狀與趨勢

采用Clarivate公司的Derwent Innovations Index數據庫( 簡稱 DII)和Derwent Innovation分析平 臺(簡稱DI)分別從德溫特手工 代碼(Manual Code)中找到“Microarrays and Biochips”( 微陣列 和生物芯片),并制訂檢索策略, 將與生物芯片相關的專利檢出和 保存(數據檢索日期為2017年12 月8日,由于專利數據公開一般滯 后18個月,所以2016年的數據僅 供參考),檢索出30 137個專利族, 并通過專利文獻計量分析來反映生 物芯片的技術發展現狀與趨勢。

1.2.1 全球生物芯片專利年度發 展趨勢

1997 ~ 2016年, 全球生物 芯片公開專利數量的年度分布情 況見圖1。可以看出,生物芯片 專利的公開量自2001年突然猛 增,2005年達到頂峰,專利公開 量達2315個專利族,之后呈現緩 慢下降的趨勢。

其中,生物芯片領域在中國 公開的專利,檢索出8418條專利, 計5 947個專利族。1998 ~ 2016年 專利公開量的年度分布情況見圖 2。可以看出,除2001年公開量特 別多之外,自2003年開始呈緩慢 增長的趨勢。

1.2.2 全球生物芯片專利區域分 布情況

從1997 ~ 2016年全球生物芯 片專利公開量主要國家/地區分布 情況(圖3)可以看出,居前三位 的分別為美國、日本和中國,美 國專利公開量5667個專利族,日 本排名第二(5223個專利族),中 國以2706個專利族名列第三,韓 國位列第四(1230個專利族)。

  

1.2.3 全球生物芯片研發機構分 布情況

全球生物芯片相關專利研發 機構的分布情況見圖4。可以看 出,專利公開量居前三位的研發機 構分別為日本的Seiko Epson Corp (SHIH-C),中國的Shanghai Biowindow Gene Dev Inc. (SHAN-N) 和Bode Gene Dev Co., Ltd. Shanghai( BODE-N), 經查詢SHAN-N 和BODE-N這兩家公司實際上 是一家機構,即上海博德基因開 發有限公司,為聯合基因科技集 團下屬企業,將兩者合并處理之 后,共計2625個專利族。值得一 提的是,除了SHIH-C一家遙遙 領先外,其他研發機構的專利公 開量相差并不是太大。

在中國公開的專利研發機 構,國內的研發機構主要有上海博德基因開發有限公司、復旦大 學、浙江大學、上海博容基因開 發有限公司和博道基因技術有限 公司,列前五名。值得一提的是,前10名中有4家機構是國外機 構,其中SHIH-C的專利公開量 達422個專利族,可見其在中國 進行了一定的專利布局。

1.2.4 全球生物芯片專利技術分 布情況

對公開專利的IPC分布情況進 行分析的結果如圖5。可以看出,居 前三位的類別分別為C12Q000168 (核酸檢測),G01N003353(免疫檢 測),G01N003700(其他生物樣品 檢測),專利公開量依次為7639個 專利族(占31.5%)、3088個專利 族(占12.8%),2555個專利族(占 10.6%)。

從國內外研發機構擁有的生 物芯片關鍵技術來看,國外如日 本的SHIH-C以生物芯片的構造、 設計與制造技術為主,技術內容 涵蓋液體彈出裝置、流道、墨 盒、液滴噴射頭、室壓力、路型 基板等;國內的主要技術涵蓋核 酸檢測、含多肽的醫學制備、基 因編碼動物蛋白檢測等,檢測的 應用范疇包括胚胎發育紊亂癥、 胚胎發育畸形和醫用DNA重組。

2 生物芯片市場分析

2.1 全球生物芯片市場概況

全球范圍來看,生物芯片市 場的發展主要受生物芯片技術驅 動,因此生物芯片市場發源于美 國。在人類基因組計劃實施之后, 1998年6月,美國正式宣布啟動 “基因芯片計劃”,共投入資金約 20億美元,由美國健康服務部和 能源部等政府部門與私營企業合 作。1998 年12 月,Affymetrix 公司和Molecular Dynamics公司宣 布成立基因技術協會(Genetic Analysis Technology Consortium), 以形成一個統一的技術平臺生產 更有效而價廉的設備。2016 年4 月,美國市場調研公司BCC Research 發布的《全球生物芯片市 場調查報告》顯示,2014 年全 球生物芯片產品市場已達到39 億美元,并預計2015 ~ 2020 年, 將以31.6%的年復合增長率快速 發展,從2015年的47億美元,增 長到2020年的184億美元[5]。2016 年8 月,Grand View Research 公 司預測,到2024年全球生物芯片 市場總值將達到258億美元,其 中DNA芯片約占總值的三分之 一,其發展動力主要來源于新藥 開發過程中的基因組學與蛋白質 組學的研究及相應的產品開發[6]。

作為一個典型的技術驅動型 產業,生物芯片產業已形成美國 搶灘最早、歐日緊隨其后的技術 產業格局[7]。近20年來,美國的 生物芯片技術初步商業化,擁有 上千家生物芯片企業,其中約15 家在納斯達克上市。2015 年,北 美市場約占全球總市場45%的份 額,其主要因素在于個性化藥物 的快速發展,以及生物芯片在新 藥開發過程中的應用[6]。2012 年, 德國政府投入巨資攻占生物芯片 技術高地,在不少方面取得了超 過美國的成果。

目前,北美地區占據了全球 生物芯片市場的主導地位,而亞 太地區自2016年起進入快速發展 階段,預計中國和印度將成為亞 太地區增長最快的生物芯片市場。

個性化醫療、快速診斷、藥 物開發和生命科學研究的興起, 研發投入的增加,醫療保健意識 的提高,推動了全球生物芯片市 場的增長。但制造生物芯片所涉 及的高成本可能會給全球生物芯 片市場帶來挑戰。在全球生物芯 片市場中表現較好的企業主要有 Affymetrix公司、Illumina公司、GE Healthcare公司、Aglient公司和 Roche NimbleGen 公司等[5]。

2.2 中國生物芯片市場概況

中國生物芯片研究始于20 世紀90 年代,之前在中國還是 空白的生物芯片技術迎頭趕上, 實現了從無到有的階段性突破。 2008 年我國生物芯片市場約為1 億美元,之后以超過20%的速度 增長,預計至2020 年市場規模 將達到9 億美元。市場的快速發 展主要得益于基因組學與蛋白質 組學的科學研究、慢性疾病(如 癌癥)的診斷、產前篩查檢測、 中藥物種鑒定、農作物育種、司 法鑒定、食品檢測等因素[8]。

3 我國推進生物芯片產業發 展需解決的問題

我國生物芯片產業在近20 年 間,經歷了一場概念熱炒、投資 高潮、高潮消退的投資泡沫,已 漸漸步入軌道,但要做大做強, 在技術與市場上仍存在著一些需 要解決的問題。

3.1 芯片相關技術的集成是重點 發展方向

我國在生物芯片制作相關的 各個技術分支,已經有較好的經 驗積累,有一定的國際競爭力。 目前,應著眼于各種相關技術的 整合集成,提出相應的解決方案 并進行應用,以解決檢測靈敏度 較低、重復性差、分析范圍較狹 窄等問題。

3.2 需求市場規模較小

生物芯片兩個最主要的應用 領域,一個是基礎研究及新藥 研發,另一個是臨床診斷。我國 在基礎研究或新藥研發領域投入 的力量和經費相對較小,導致生 物芯片需求量不大。并且國際芯 片產品競爭力超過國內產品,因 此國際高水平研究很少使用中 國產品。在臨床診斷領域,生物 芯片與PCR和ELISA相比, 沒 有絕對優勢,很難在短時間內替 代PCR和ELISA。芯片的優勢在 于多人多種疾病一次檢測,一人 多種疾病一次檢測,或者一次得 到一種疾病更多診斷信息。但是 這些優勢現階段還不能很好的體 現,或由于技術限制,或由于實 踐中需求不大。同時,生物芯片 及其設備價格昂貴、操作難,而價 格實惠的國產設備還不成熟。PCR 和ELISA在臨床診斷中已經占據牢 固的地位,其方法成熟,形成了標 準,操作簡單,各單位都有熟練的 操作人員。因此,生物芯片技術在 我國的產業化將是一個漸進的過程。

3.3 技術與金融的結合

生物芯片是一個十分專業化 的領域。行業人員和投資者應回歸 理性,認識到生物芯片是一個長期 發展的事物,不可能用短期炒作 而獲得利潤。如果投資者的前期 調研不夠扎實,而生物芯片公司亦不充分考慮對方資金的性質和 目的,那么這種短視合作必然導 致夭折。只有建立起創新體系和 科學的創新管理,使產業、資本、 政策和創新體系良性互動,才可 能利用后發優勢,使生物芯片發 揮其深遠的影響力,推動我國生 物芯片技術產業走向強大。

3.4 知識產權

以生物芯片技術為核心的各 相關產業正在全球崛起,知識產權 問題是重中之重。我國應對發達國家和領先企業的專利布局開展深 入分析,促進科學界、企業界和 金融界緊密聯合,形成具有可操 作性的商業運行構架,通過全球 定位布局,建立產權結構清晰的 企業,為生物芯片在中國的產業 化奠定良好基礎。

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