基因測序為何代替不了基因芯片以及PCR？

新一代基因測序技術在最近五年飛速發展，這吸引了不少人的目光，做為精準醫療的基礎，之前市場上的報告都集中關注于基因測序。于是原本紅火的基因芯片技術沉寂了不少。早些 年，有人甚至預言，芯片技術面臨消亡。誠然，在某些方面，新一代測序讓芯片失色，但就 很多應用而言，芯片仍然是不可取代的。 芯片和高通量測序是兩種重要的高通量基因組學研究技術，對于解釋基因組的結構和功能都 在發揮重要的作用。

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基片(如玻片、膜)上，經過標記的若干靶核苷酸序列與芯片特定位點上的探針雜交，通過檢測雜 交信號，對生物細胞或組織中大量的基因信息進行分析。 高通量基因測序：一次對幾十萬到幾百萬條 DNA 分子進行序列測定，使得對一個物種的轉 錄組和基因組進行細致全貌的分析。

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

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

2013 年之前 PCR(聚合 酶鏈式反應)在分子診斷領域占比最大，但是增速慢于基因測序。基因測序是分子診斷領域 發展增速最快的子行業，預計 2016~2010 年的年復合增長率為 23%。分子診斷：對患者體內遺傳物質的結構或者表達水平的變化進行檢測，進而為某些疾病的預防、診斷、治 療和預測提供信息和決策依據的診斷方法。分子診斷約占全球體外診斷的 11%，目前全球市場規模約為 50億美元。

圖表 1： 分子診斷的技術體系

　圖表 2：分子診斷技術分類以及代表性公司

圖表 3：基因檢測手段的應用范圍

二、 技術比較：

芯片是一個封閉的檢測系統，只能檢測已知的基因信息。而測序是一個開放的發現系統，可以發現新的基因信息。

芯片平臺經過了近 20 年的發展，具有完整成熟的質控標準和分析手段；基因測序系統 的數據質控標準和分析方法有待更完善和標準化。全基因組測序目前還是有隨機丟失的 問題，不能確保重要信息不會丟失。

芯片數據分析 PC 機即可完成，不存在 NGS 的海量數據分析負擔。對于測序所產生的海 量數據，人們正在開發專門的計算方法，需要“高性能計算+高速網絡+高效能存儲”整 套解決方案。

與測序相比，芯片更便宜，也更快獲得結果。

三、 很多人都會問：現在基因測序如此火，為什么代替不了基因芯片以及 PCR 等技術?

雖然測序是主流技術，其功能強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一步壯大，根據當前 PCR 和基因芯片的應用程度，未來基 因芯片甚至 PCR 還有進一步擴大的空間。

1. 測序的成本和操作復雜度還是將持續高于 PCR 和基因芯片，醫院檢驗科通常將測序業務外包給第三方基因測序公司，很難即時得到測序檢驗結果，而 PCR 和基因芯片檢驗 科可以自己操作，能夠較快的得到結果，并且檢驗科能夠獲得更大盈利，所以對檢驗科 來說有較大的推廣動力。

2. 對醫生而言只要能夠得到診斷依據，能夠指導用藥就可以了，某些單基因病、少數位點 的檢測并不需要整個基因序列，PCR 和基因芯片就能達到目的。

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

4. 基因芯片對片段微缺失微重復(CNV)具有較好的檢驗結果，而目前測序較難對 CNV 行準確的檢測(隨著技術的提高測序檢測 CNV 將會逐漸成熟)。

5. 為獲得更加準確的結果，需要對目的片段進行深度測序，掃描次數可能高達 2000x，全基因組測序無法達到。

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. 對于非自身基因組所導至的疾病，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。

四、 芯片技術的獨特價值&；待解決問題

獨特價值：

芯片能夠在單個實驗中同時分析數千個參數，是大樣本量應用的理想選擇。例如一塊新生兒 篩查芯片每次能夠檢測 1000 個嬰兒的 80 種不同疾病，也就是一次進行 80，000 個檢測。這 就意味著對于需要大量樣本、快速周轉、精確數據或經濟效益的基因組研究而言，芯片是完 美的選擇。 所以在臨床應用上，比如生殖健康(產前、胚胎植入前和產后)、腫瘤(實體瘤和血液腫瘤) 和移植的遺傳學分析，都是很好的例子，對它們來說時間、數據準確和經濟性都是很重要的。 同樣，在農業和食品行業，在分子標記輔助育種項目中，大量樣本必須快速高效地篩選。事 實上，目前已有多款芯片支持農作物和牲畜的基因分型。

待解決問題：

基因芯片但要成為實驗室研究或臨床可以普遍采用的技術仍有一些關鍵問題亟待解決如： 1. 提高基因芯片的特異性；

2. 簡化樣品制備和標記操作；

3. 增加信號檢測的靈敏度；

4. 高度集成化樣品制備、基因擴增、核酸標記及檢測儀器的研制和開發。

上述問題不僅是當前和今后一段時期內國內外基因芯片技術研究的焦點，同時也是基因芯片能否從實驗室研究推向臨床應用的關鍵問題。

五、 兩種技術的關系：

在很多情況下，答案是測序和芯片似乎只能是對手。而實際上，它們也能強強聯合，優勢互 補。 通過測序，不斷的來發現和解讀新序列，芯片才有可能應用這些新序列為靶向基因才進行檢 測。以最近漸漸發展起來的 RNA 測序為例，當高通量測序被廣泛采用后，RNA 數據庫才開 始快速增長。隨著測序結果反饋到數據庫，人們挖掘出新的 RNA 信息，產生 microRNA 芯片 用于后續研究。

基因芯片行業狀況

國外基因芯片發展狀況：

目前，國外已經有十多家從事 DNA 芯片研究的公司，他們的芯片技術雖然各具特色，應用 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 基礎上改進而來，大約可以檢測 100 萬個SNP(基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的 DNA 序列多態性)。

全球知名的芯片公司有 Illumina、Affymetrix 公司等。

1. Affymetrix：

Affymetrix 成立于 1992 年，目前員工數為 1150 人，是全球基因芯片產業先行者，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，總價格為 13 億美元的收購。該項收購已在第二 季度末完成。

Affymetrix 專注于基因芯片業務，分為芯片制備、芯片掃描儀器、數據處理分析以及相關耗 材試劑幾個模塊。2015、2014、2013 年對應的營收分別為 3.1、2.9 以及 2.9 億美金。Affymetrix 目前有四大業務部門：遺傳分析(SNP 和 CNV 基因芯片等)、eBioscience(免疫診 斷)、基因表達(用于 mRNA 表達研究)以及生命科學試劑。目前業務增速最快的是遺傳分 析部門，增速約為 40%，大部分收入來自細胞遺傳學產品的銷售，如 CytoScan 平臺，以及Axiom 基因分型芯片產品。這主要得益于在科研應用中生殖健康和腫瘤學的客戶群擴大以及 農業生物技術和生物樣本庫方面的收入開拓。

2. Illumina：

Illumina 成立于 1998 年，成立初期主要業務為基因芯片，但是當時芯片市場已經有 Affymetrix牢牢占據龍頭位置。所以 Illumina 在 2006 年收購當時一家規模很小，但擁有新穎的基因測 序技術的公司 Solexa，依靠技術上的優勢以及不斷的研發創新，迫使當時市場上的測序競爭 對手 454 被羅氏收購并最終停產，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 以基因測序業務為主，基因芯片業務占比不高，2015、2014、2013 年基因芯 片業務占比分別為 14%、19%和 27%，對應的營收金額分別是 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的告訴發展以及成本的指數下降對基因芯片行業的沖擊，其次也與 Illumina 公司業務的發展策略的重心偏向于基 因測序有關。

但是不可否認，Ilumina 依然是芯片業務的龍頭公司。Illumina 的基因芯片業務 與 Affymetrix 類似，分為芯片制備、芯片掃描儀器、數據處理分析以及相關耗材試劑幾個模塊。

Affymetrix 在基因表達譜芯片占市場優勢，因 affymetrix 的表達譜芯片上市時間最早，所以 知名度和用戶也是最多的，價格也是最貴的；但是 Illumina 憑借自己開發的 GoldenGate 技 術和 infinium ZL技術一直在 SNP 芯片領域處于壟斷地位。

Illumina 和 affymetrix 的 SNP 芯 片都可用于 CNV 分析，但 illumina 芯片因覆蓋位點數量較多，所以在 CNV 分析中可提供更 高分辨率的 CNV 數據。所以兩個公司各有自己技術和產品的優勢來保證自己的行業龍頭地位。