短短一個月內，齊碳科技、華大智造、塞納生物先後宣布完成融資。國產基因測序儀再一次衝上了醫療健康領域的熱點話題。
多年來，測序儀行業一直處在少數幾家國外巨頭的壟斷之下。華大智造近兩年的頻繁動作雖然吹響了國產測序儀反攻的號角，但是從目前的市場佔有率上看，想要最終實現進口替代，可能還需要些時間。除了最激烈的NGS市場之外，三代、四代測序也隨著Illumina收購PacBIO的動作受到廣泛關注。最近獲得融資的齊碳科技，正是四代測序的先行者。
那麼一、二、三、四代測序究竟都是什麼？全球測序儀市場究竟有多大？目前還有哪些國內企業在進行國產測序儀方面的布局？目前獲批進入臨床的又有哪些？這些問題，我們將在本文中一一解答。
一、二、三、四代測序，究竟都是什麼？
目前的基因測序領域，根據核心測序原理的不同，將測序技術劃分為了四代。實際上這四代測序技術之間，並不存在技術上的好壞，更多的是按照出現的時間早晚被劃分。
1、一代測序：Sanger測序
Sanger測序中需要用到四個反應體系，每個反應體系中使用了不同的ddNTP（雙脫氧核苷三磷酸）。由於ddNTP上缺乏延伸所需的3』-OH基團，DNA序列在合成的過程中會因為ddNTP進入反應的出現而終止。因此四個反應中被合成的DNA鏈會分別停止在A、T、C、G的位置上，合成不同的DNA長度，進而在凝膠電泳的過程中被分離。通過比對四份樣品的電泳結果，就可以判斷被檢測樣品的序列。
Sanger測序由於其高精度，至今仍在廣泛使用，也被認為是基因測序的金標準。但是由於其效率低下，通量低，而且難以實現未知序列的測序過程，很難在基因組水平上實現大規模應用。
2、二代測序：NGS
NGS測序使用了邊合成邊測序的方法。首先將待測序的DNA片端兩端接上adapters，使其可以錨定在晶片上，然後循環擴增該DNA片端，使其在一個區域內形成DNA簇。隨後在測序的過程中，帶有不同螢光信號的四種不同核苷酸被加入到反應體系中，並且每個核苷酸上帶有一個終止可逆性的終止信號，保證每個反應只合成一個核苷酸。在完成合成之後，儀器會通過讀取螢光信號了解每個DNA簇上合成的是哪種核苷酸，然後終止信號被洗脫，再進行下一輪反應。
二代測序以其較高的準確率和大通量，成為了目前全球最常用的測序技術。Illumina、賽默飛等企業提供的也主要都是二代測序儀產品。
但是二代測序本身難以進行長片段測序，再加上前期準備工作造成的測序周期較長等問題，為後來三代和四代測序的出現埋下了伏筆。
3、三代測序：螢光單分子測序
三代測序主要還是通過螢光檢測的方法進行測序，並且也使用了邊合成邊測序的方法。也因此有些人認為三代測序並不應該被單獨列為一類。
三代測序主要是使用了物理納米孔或特殊材料的方式，將單個分子的讀取區域分開。比如Pacific Bio的技術，就是將DNA聚合酶錨定在納米孔底，使得正在被檢測的鹼基始終保持在納米孔底部，最接近螢光讀取的位置，從而實現長片段讀取。
三代測序的標杆企業就是國外的Pacific Bio，Illumina曾試圖收購這一公司向長讀領域布局，但是最終被英美兩國的反壟斷部門駁回。國內也有真邁生物（前瀚海基因）在這一領域布局。真邁生物使用的技術來源於海外一家叫做Helicos的企業。相比於PacBio在長讀領域的優勢，真邁生物的技術則主要還是在短讀方向發力。
4、四代測序：生物納米孔測序
四代測序技術作為新一代測序技術，幾乎沒有爭議。
第四代測序技術，使用了由蛋白組成的納米孔通道。解旋後的DNA單鏈在電壓的作用下，以一定速率通過納米孔通道蛋白。由於每個鹼基通過納米孔通道時，會引起不同電學信號的變化。根據電流的大小及電流大小的變化情況，通過「遞歸神經網絡」的複雜算法對鹼基進行判讀，即可計算獲得相應鹼基的類型，完成序列的實時測定。
四代測序由於其獨特的技術特點，首先儀器很小，最小的儀器可以達到手持級別。而且由於不需要前期樣品的處理，常被應用於快速檢測領域。準確性和通量一直是四代測序著力提升的部分。由於準確性不高，四代測序目前也主要被應用於微生物檢測方面。
Oxford Nanopore是全球最知名的四代測序供應商。其推出的桌面和手持產品，已經成為了四代測序的標杆。
9家自研，6家合作
回到國產測序儀，一代測序目前已經基本沒有企業在進行集中布局。而二、三、四代測序，都有企業在嘗試尋找測序儀的國產化路徑。
動脈網一共統計到了15家企業正在提供測序儀產品，或者明確表示正在進行測序儀研發的企業。這樣的企業數量對於基因檢測這個正在快速發展的領域來說，確實少了一些。
究其原因，測序儀行業較高的技術壁壘和目前基本被少數企業壟斷的行業格局，使得初創企業很難快速切入這一領域。但從另一方面考慮，對於有足夠技術自信的企業來說，也意味著這個行業充斥著大量的機會。因此我們認為，這個行業目前在國內還處於藍海狀態，近期的幾起大額融資或許會激起又一波創業潮。
目前為止國內切入國產測序儀研發生產的企業主要可以分為合作和自研兩大類。
其中合作的企業都是從第三方醫學檢測這一細分領域切入，嘗試為自己的第三方醫檢服務尋找落地的儀器平臺。Illumina是其中最大的合作方，有四家企業都通過OEM（代工生產）的方式自主生產Illumina的測序儀。賽默飛則曾經與達安基因和博奧生物分別合作生產過DA8600和BioelectronSeq 4000兩款產品，但是這兩款產品目前都已經不在NMPA公示的國產醫療器械產品註冊列表裡。
自研的幾家企業都有自己獨特的技術路徑。
較早成立的企業研發的大多是NGS測序儀，比如華因康基因、中科紫鑫、萬眾一芯等，並且大多數企業都已經有成熟的產品在市場上推廣。
作為國產測序儀行業的「一哥」，華大智造已經先後有六款產品通過NMPA的註冊審批（其中兩款已超有效期）。華大智造的技術源於CG公司，並在CG公司的技術基礎之上又進行了進一步研發。
華大智造向動脈網介紹到：「華大智造除了DNA納米球(DNB)、規則陣列載片(Patterned Array)等核心技術，具備測序準確性、低成本、低重複序列率等一系列優點之外，還持續開發了包括CoolMPS，stLFR等新技術進一步提升測序讀長，測序準確度，降低測序成本。且90%以上儀器零部件已實現國產化，真正做到了核心工具的自主可控。」
真邁生物（原瀚海基因）則是較早成立的一家專注於三代測序產品的企業。其使用的技術源於美國的Helicos BioScience。這項技術確實可以實現單分子測序，但是讀長卻始終停留在35bp左右，無法像PacBio一樣實現長讀長。
萬眾一芯在其中顯得不太一樣。萬眾一芯使用半導體測序的方法，將自己的產品聚焦於小通量測序市場，以低成本高效率的產品，提高測序儀的覆蓋範圍。按照萬眾一芯創始人胡文闖的話來說，「如何將基因測序落地到基層和社區才是精準醫療價值最大化的關鍵」。
近兩年的成立的自研企業逐漸開始向四代測序技術方向靠攏。
齊碳科技自然是其中的佼佼者，其產品單次測序準確率已經可達85%，通量已經可以達到1G，逐步逼近行業標杆Oxford Nanopore的數據。另一家初創企業今是科技也在向第四代測序儀開發的方向布局。
有業內人士與我們分享時表示：「物理納米孔想要實現單鏈DNA的通過並利用電信號實現單分子測序，從技術角度上過於困難，工業上很難實現這樣的高精度。所以目前在進行四代測序儀研發的企業都選擇了生物孔。」
35.8億美元市場規模
目前全球範圍內除了Illumina之外，幾乎只有賽默飛在測序儀領域還能於Illumina有一戰之力。羅氏、華大智造、PacBio、Oxford Nanopore等一眾企業雖然在強勢切入這一領域，但是目前的市場佔有率還比較有限。相關市場測算結果表明，Illumina與賽默飛兩家就控制了全球約90%的測序儀市場。
測序儀對於企業來說是關鍵業務單元，但畢竟只是一錘子買賣，市場需求比較有限，折舊率也不高。並且設備本身的毛利就比較低，很難成為主要的盈利點。因此測序儀研發企業真正要盈利，更多的要依靠測序儀配套的試劑和耗材。
以Illumina為例，儘管Illumina仍然是全球最大的測序儀供應商，但其儀器銷售早已顯露疲態。財報顯示Illumina的測序儀器在2019年實現了5.17億美元的銷售額，低於2018年的5.35億美元。其在總營收中的佔比也隨著其他營收項目的增長，下降到了14.6%。
事實上在過去的六年中，Illumina的儀器收入已經基本停止了增長，銷售收入一直保持在5億美元上下。而另一方面，試劑耗材方面的營收則在不斷增長。儀器收入在其產品收入中的比例已經從2014年的35.1%降低到了2019年的18.3%。
一方面，市場對於測序儀器的需求長期而持久；另一方面測序使用的相關試劑耗材必須使用原廠提供的配套產品。由於使用測序儀器產生的剛需性需求，企業和機構在配套試劑耗材上的議價能力很弱。因此Illumina在測序儀器上的壟斷意味著其幾乎控制著整個NGS市場的浮浮沉沉。
賽默飛只在2017年公布了自己在測序方面的收入，因此根據2017年的數據來測算目前的測序儀市場規模相對會更準確一些。
2017年Illumina的產品收入達到22.89億美元。賽默飛在2017年財報中公布，當年公司在測序上的收入「略低於4.1836億美元」。作為全球最大的生命科學解決方案供應商之一，賽默飛在測序上的收入幾乎都來自於自己的儀器和試劑耗材的收入，基本沒有服務方面的收入。
據此，我們可以大致推算，Illumina和賽默飛以5.5:1的比例佔據著測序儀及相關試劑耗材90%的市場份額。Illumina佔據市場約76%。據此推算，2019年全球測序儀及相關試劑耗材的市場規模應該在38.5億美元左右。
目前的測序儀主要分布在第三方醫檢機構和科研機構中，醫院市場的開發率還比較低。隨著測序需求的不斷提升，會有更多測序儀深入到院內場景。想要進入院內場景，測序儀產品就必須取得醫療器械註冊證。那麼目前到底有哪些產品已經具備了進入臨床的資格？
13款國產，2款進口
藥監局網站上的查詢頁面顯示，目前註冊在案的國產基因測序儀共有14款。其中華大智造的產品最多，共有5款（包括一款以華大基因為主體註冊的產品）產品。
這14款產品主要來自8家不同的公司，分為四種不同的研發方式。
第一類自然是完全自主研發，比如華因康的測序儀。
第二類產品的技術內核來自收購，也就是華大智造選擇的方式。2013年3月，華大基因以1.176億美元的價格收購了美國的Complete Genomics公司，並以該公司的技術為基礎，成立華大智造，以自主研發的方式開始進行測序儀方面的布局。
第三類是與海外的測序儀企業合作，主要負責代工生產。主要的合作方自然是目前全球市場佔有率最高的兩大企業，其中貝瑞和康和安諾優達選擇了與Illumina合作，而泛生子還選擇了與賽默飛合作。雖然現在看起來Illumina與安諾優達合作的產品要更早上市，但其實在註冊保證方面，賽默飛在2014年就已經與達安基因合作研發了DA8600測序儀，並且成功獲得藥監局的三類器械批件。但是該產品的註冊證目前已經超過有效期，達安基因官網的介紹頁面上也已經查不到該款儀器。
第四類產品是與國內的測序儀企業合作。比如泛生子的GENETRON S2000就是與華大智造合作生產的產品。自產的臨床級測序儀產品補全了泛生子在基因檢測儀器方面的相關布局，包括全自動加樣系統、生物晶片閱讀儀等，使得泛生子可以為用戶提供完整的基因檢測服務。
吉因加的布局情況也類似。根據相關報導，吉因加的Gene+seq系列產品使用的核心技術是DNBSEQ技術，也就是華大智造的核心技術之一。這款產品串連起了吉因加在測序儀上下遊的相關布局，包括自動文庫製備儀、腫瘤基因檢測試劑盒、腫瘤NGS全自動分析解讀一體機等，使得吉因加可以為用戶提供完整的測序全流程服務。
除了這14款註冊在案的國產產品之外，達安基因的DA8600已經超過了批件有效期，但是未重新提交註冊。
幾大國外的測序儀廠商除了與國內的企業合作產品，也在嘗試通過進口的方式直接向國內銷售。Illumina通過上海的一家進出口企業，在2018年7月就將自己的MiSeq Dx送入了國內的臨床市場。賽默飛則通過自己旗下Invitrogen在國內的公司註冊了整套基因測序系統，其中包括了型號為7469的基因測序儀。
提供Sanger測序（一代測序）解決方案的貝克曼庫爾特也通過類似的方法將自己的產品送入了國內，但是獲批證件是二類器械證件。
國產測序儀究竟如何落地？
基因測序儀應用，主要在科研院所和第三方檢驗中，在醫院的應用目前還比較少。
比如在中國政府採購網上查詢「測序儀」，大多數招標採購測序系統和儀器的，都是科研院所，零星能看到少量大醫院的採購記錄。
二代測序技術雖然已經比較成熟，但是目前在臨床上的使用，仍主要存在於NIPT和腫瘤基因檢測兩個大的板塊上。NIPT是需要利用測序技術區分母體DNA片端和胎兒DNA片端，而腫瘤基因檢測則因為需要聚焦到小至單個鹼基的變化上。因此這兩個應用場景對於準確的基因序列有剛需性的需求，是其他檢測方法無法取代的。
有人提出新冠疫情讓很多醫院開始注意到基因測序在病原體感染上的應用。但就以新冠肺炎為例，動脈網在2020年3月進行了SARS-CoV-2病毒核酸檢測試劑盒的分類統計。在我們統計的116款試劑盒中，有111款使用了螢光PCR、恆溫擴增、數字PCR等PCR類型的檢測方法。而使用測序法的產品就只有兩款，並且這兩款測序法的產品主要用於幫助科研人員完成對新冠病毒基因組的測序工作。
病原體微生物的檢測，尤其是大面積的檢測更多的需要「是或不是」類型的判斷，並不需要準確的了解DNA上的每一個鹼基序列。PCR技術已經足夠完成這項工作，將二代測序技術應用於這樣的領域顯得有些大材小用了一些。
當然基因測序也不是完全不適用於病原體檢測。對於某些難以鑑別，臨床上發生率較低的病原體上，基因測序可以比傳統的培養方法更快的鑑別出罕見病原體，讓重症感染患者及時得到精準的診斷。但這也構不成醫院自己布局基因測序的理由，這一類的患者在單個醫院中發生頻率較低，這種檢測需求更適合第三方檢驗機構承接。我們現在也已經看到有像金匙基因、傑毅生物這樣的企業在布局這一領域。
因此國產測序儀想要進入市場，從第三方醫檢或科研走向進入會比較有機會。
目前國內的基因測序設備很多都存在於第三方醫學檢驗實驗室中，尤其是像專門提供基因檢測服務的「特檢」實驗室。正如我們前面統計的數據，這一類企業中很多都已經通過收購、合作等方式，自己生產基因檢測設備。
在基因檢測設備上的布局，不止意味著企業自己在測序能力上的保證，而且能顯著提高企業全流程解決方案上的完整性。以泛生子為例，其測序儀產品在獲得了批件之後，在與醫院合作共建實驗室時，整套解決方案全部都是自己生產的產品。
除了特檢機構外，像金域醫學這樣的企業也在積極布局基因測序儀方向。實際上金域醫學已經在基因檢測方面積累了大量的資源，並且也有一些合作。比如2018年1月金域醫學就與Illumina合作開發腫瘤及遺傳病檢測系統。其曾經的全資子公司金圻睿也與Illumina合作開發了MiniSeqDx，並獲得了NMPA的批准上市。
科研院所是基因測序儀在國內的另一大市場。在生物學領域，基因測序的需求非常普遍，並且紛繁複雜。由於需求的多樣性，很多科研院所也不選擇自己購進基因測序設備，而是使用外包的測序服務，由此也催生出一批專門為生命科學研究服務的基因測序企業，如諾禾致源。
第三方醫檢實驗室和醫院，對於設備的要求會更加嚴格。除了必須使用經NMPA批准的產品之外，產品的品牌效應也會產生比較大的影響。
但是科研方面就相對放鬆。品牌效應雖然也會對科研領域有一定影響，但是科研工作者往往願意嘗試新事物。只要產品能提供準確的數據，科研人員對於國產品牌往往還是抱著積極的態度。因此對於國產測序儀品牌來說，從科研方向入手自然是最佳選擇。
與測序相關的企業周邊行業進行聯動其實可以達到特殊的推廣效果。比如華大智造選擇與泛生子和吉因加合作，以OEM的方式銷售自己的產品，其實就是嘗試通過腫瘤NGS企業，拓寬自己產品的銷售渠道。
除了腫瘤NGS之外，測序技術還有大量的其他應用場景，比如病原體檢測和單細胞測序。這些技術其實都在尋找性價比更高的測序方案，國內測序系統的價格優勢可以得到集中體現。
舉例來說，單細胞測序市場其實也基本呈現被10X Genomics壟斷的態勢，但是還是有很多國內企業正在向這個方向布局，尋找實現進口替代的方法。在這一點上，如果國產測序儀可以和國產單細胞建庫的企業形成合作，達成單細胞測序全流程國產化，對於國內市場的開拓勢必會起到積極作用。
雖然目前很多單細胞測序行業的相關企業都基於Illumina的平臺進行開發，但是銀灣細胞的創始人林巍告訴動脈網，更換平臺對他們來說並不困難：「我們如果需要更換平臺的話，其實只要更換建庫過程中的引物接頭就可以了。這對我們來說完全沒問題。」