一、分子診斷產業及其發展戰略研究的意義
(一)分子診斷技術介紹
1999年11月，美國研究病理學學會(ASIP)和分子病理學會(AMP)聯合創刊出版了《TheJournalofMolecularDiagnostics》，標志著分子診斷學時代的到來[1]。
分子診斷學是以分子生物學理論為基礎，利用分子生物學的技術和方法來研究人體內源性或外源性生物大分子結構或表達調控的變化，為疾病的預防、診斷、治療提供信息和依據[1]。回顧分子診斷學近20年的發展歷程，可以分為以下3個階段。
(1)利用核酸分子雜交技術對遺傳病進行基因診斷。
(2)聚合酶鏈式反應(PCR)技術的產生推動了分子診斷技術的快速發展，特別是實時定量PCR技術的普及和應用。
(3)誕生了一批以生物芯片技術為代表的高通量檢測技術。該技術突破了傳統的檢測方法瓶頸，具有樣品處理能力強、通量高、集成度高、可自動化等特點，成為分子診斷技術領域的新生力量[1]。生物芯片技術包括微陣列芯片和微流控芯片，分析對象可以是基因、蛋白，也可以是細胞、組織等，具有廣闊的應用前景和商業價值。
目前，脫氧核糖核酸(DNA)分子雜交、PCR技術仍是分子診斷領域的常用方法，但對基因進行陣列雜交分析的基因芯片和采用微流控芯片的二代測序等技術正在迅猛崛起，引人關注。
(二)分子診斷產業發展的戰略研究意義
現代醫學正經歷著從標準化醫學向個體化醫學的轉變。個體化醫學是一種新興的醫學模式，主要從基因層面對疾病進行預警、診斷、預后評估和用藥指導，以達到準確診斷和有效治療的目的。分子診斷是個體化醫學的重要組成部分，分子診斷技術的不斷發展，正在使國人從注重疾病診治向注重生命全過程的健康監測轉移：重預防、治未病，提高我國整體人口的健康水平，意義深遠。2015年，時任美國總統的奧巴馬先生在國情咨文中宣布啟動2.15億美元的精準醫學計劃，使得精準醫學成為全球關注和熱議的焦點，精準醫學的核心思想是充分考慮個體在基因、環境和生活方式上的差異，提高疾病防治的有效性，而分子診斷是精準醫學實踐中不可或缺的一個重要手段。
根據應用成熟度和市場接受度而言，分子診斷的應用領域主要包括：①感染性疾病及耐藥的快速、靈敏診斷(包括血液篩查);②應用于生殖健康的遺傳病檢測(包括染色體病檢測);③腫瘤的早期診斷、分子分型及靶向治療;④藥物基因組學。
二、分子診斷產業國內外研究現狀
(一)全球分子診斷市場發展迅速
體外診斷(IVD)是指運用醫療儀器和試劑等來檢測人體的血液、尿液、糞便、組織和其他體液等標本，以達到檢測疾病、感染等情況的目的。美國聯合市場研究(AMR)機構關于體外診斷的報告指出，全球體外診斷市場在2013年的價值為533億美元，預計2018年可達到588億美元，2020年可達到747億美元[2]。美國是全球體外診斷的創新中心和最大的需求市場，每年仍保持3%~5%的年度復合增長率(CAGR)，2020年將達到301億美元。亞洲則具有最快的增長速度，CAGR可達7.49%[2]。
在體外診斷行業眾多的細分市場中，分子診斷的表現最為突出，被認為是體外診斷行業的主要增長動力。分子診斷占體外診斷的比例已經從1995年的2%增長到了2012年的11%。1995年，全球從事分子診斷產品的公司僅有100家，隨著分子診斷市場的迅速發展，這一數字已增加至2010年的500多家[3]。較為知名的公司包括技術提供商熱電公司(ThermoElectronCorporation)現為賽默飛世爾科技公司(ThermoFis
herScientifi、安捷倫科技有限公司、Illumina公司等;美國通用電氣公司(GE)、德國西門子股份公司等;藥品生產商羅氏公司、拜耳集團、雅培制藥有限公司等，市場集中度均較高。
(二)中國分子診斷發展速度高于全球，市場前景廣闊
中國的分子診斷技術在20世紀六七十年代開始萌芽，80年代出現基于核酸探針的放射性核素標記、點雜交、Southern印跡雜交和限制性片段長度多態性連鎖分析等各種技術，90年代隨著PCR技術的推廣和應用，分子診斷技術在中國得到了較快發展，開始進入臨床實驗室。
2013年，全球的體外診斷市場規模達533億美元，而中國的體外診斷市場規模大約為200億元人民幣[4]。在體外診斷行業的各個子行業中，生化診斷技術已經成熟，國產替代基本完成，年增長率在10%以下;最先進的免疫診斷技術在化學發光等領域，行業增長率在15%~20%;即時檢驗(POCT)因其方便、快捷、經濟的優點，增長率達到24%左右;而分子診斷目前處于成長期，成為IVD行業增長最快的細分子行業，年增長率高達約30%，如圖1所示[5],是全球年均增長速度的2倍。盡管我國的分子診斷市場規模較小，但增長迅速，市場規模從2010年的16.5億元增長至2014年的約45.9億元，復合增長率達29.1%，占IVD市場的比例從2010年的11%增長至2014年的15%，分子診斷市場增長率高于IVD整體增長率[5]。
經過20多年的發展，我國的分子診斷行業現已具備產業規模發展條件。目前，從事分子診斷相關產品研究和開發的企業和機構有150多家，其中比較有特色的分子診斷企業包括博奧生物集團有限公司、達安基因股份有限公司、聯合基因科技集團、華大基因等。
與全球分子診斷市場類似，PCR也是國內分子診斷最成熟的技術，占據最大的市場份額(約40%)[5]。基因芯片技術和微流控芯片二代測序技術逐漸走上舞臺，具有很好的發展前景。
(三)體外診斷新技術層出不窮、發展迅猛
盡管被市場認可且相對成熟的技術仍以PCR為主，體外診斷領域已產生了一系列新的技術，作為未來進入臨床轉化的儲備力量，潛力十足。
1.PCR技術不斷創新經過數年的發展，人們已在常規PCR的基礎上衍生出了多重PCR(multiplexPCR)、巢式PCR(nestedPCR)、反轉錄PCR(reversetranscriptionPCR)和實時熒光定量PCR和數字PCR(digitalPCR)等多種技術。反轉錄PCR使分子診斷不再局限于DNA水平，而可以在核糖核酸(RNA)水平檢測缺陷基因，對于一些以RNA作為遺傳物質的病毒等病原體的檢測更加方便。目前應用最廣泛的實時熒光定量PCR技術在核酸擴增的同時加入了特異性熒光探針，可實時監測擴增過程，實現了定量檢測。
數字PCR(digitalPCR)是基于單分子PCR方法對DNA進行絕對定量的工具，借助微流控技術將大量稀釋后的DNA分散至微反應器中，每個反應器的DNA模板數量少于等于1個[6]。經過PCR后，對每個微反應孔的熒光信號進行檢測，有靶序列模板的孔會發出熒光，沒有靶序列模板的孔沒有熒光，以此推算原始溶液中待測核酸的濃度。Quantalife公司(2011年被Bio-rad收購)研發的微滴式數字PCR儀器，目前已被用于微量病原微生物檢測、單細胞基因表達檢測等多個領域。
2.非核酸類檢測技術取得進展除了對核酸的直接檢測，對蛋白質等非核酸物質的檢測也是分子診斷的重要內容之一。蛋白芯片可以極大地提高蛋白檢測的通量，其基本原理是將蛋白質有序地固定于載玻片等固相介質上，然后用熒光標記的抗體與芯片作用，抗體上的熒光指示對應的蛋白質及其表達量，可以實現高通量的蛋白檢測。
3.測序技術方興未艾
測序反應是可以直接獲得核酸序列的唯一手段，是分子診斷技術的一項重要分支。1977年Sanger發明的末端終止法是最為經典的第一代測序技術，目前仍是獲得核酸序列信息的最常用的方法。200年454LifeSciences公司(已被Roche收購)率先推出了基于焦磷酸測序的高通量基因組測序系統，開創了第二代測序的先河。與第一代測序技術不同，第二代測序技術是邊合成邊測序：通過DNA片段化后構成DNA文庫,文庫與載體交聯后擴增,在載體上邊合成邊測序。二代測序使基因測序的通量迅速擴大，可一次完成對海量數據的檢測，也稱為深度測序(deepsequencing)或下一代測序(nextgenerationsequencing)。經過10多年的發展，二代測序日趨成熟并開始商業化，常見的平臺包括Roche454、IlluminaSolexa、ABISOLID和LifeIonTorrent等，目前Roche454和ABISOLID已經逐漸被淘汰。在對病原微生物進行宏基因組鑒定、分析母親血液中胎兒的DNA信息進行產前診斷、繪制藥物基因組圖譜指導個體化用藥等方面已經取得了突破。隨著二代測序逐漸普及而產生的海量數據，也對后續的生物信息學發展提出了新的要求。
在第二代測序不斷完善和廣泛應用的同時，以單分子DNA測序為特征的第三代測序技術應運而生。2008年，HelicoBioScience公司首先報道了基于全內反射顯微鏡(TIRM)的單分子測序技術[7]，現在已經成功推出第三代測序儀PacbioRSⅡ和PacbioSequel。之后又出現了PacificBioSciences公司開發的單分子實時技術(SMRT)以及OxordNanoporeTechnologies公司的納米孔技術。這些技術未來也可能成為分子診斷的生力軍。
4.POCT繼續發展
POCT和分子診斷是體外診斷行業增長最快的兩個細分領域。POCT產品有三個特點：檢測時間短，檢測空間靈活，檢測操作者可以是非專業人員，甚至是被檢對象本人。POCT平臺的發展目標是將多步驟的檢測完全整合到一個系統，用戶只需要加入樣品，系統就可以全自動化地完成剩下所有步驟，實現“樣品進，結果出”，而POCT產生的終端數據通過傳輸到達醫療機構，可以對被檢人員提供遠程醫療服務。
5.分子成像技術逐漸成熟
目前我們常說的分子診斷是指“體外診斷”，即從待測者身上采取樣本后在體外進行檢測。近年來醫學影像技術的發展使“體內”分子診斷成為可能，即體內分子成像。分子成像可以使細胞功能可視化，并且能在生物活體內部無創地跟蹤分子過程，對于許多疾病特別是對腫瘤的早期診斷、分型、藥物靶點檢測、預后評估具有重要意義。分子成像的關鍵在于分子探針技術、系統測量技術及數據分析與處理三個方面[8]，而多模態分子成像是未來的發展方向。Su等[9]利用親和體修飾銅(64Cu)標記的異質納米復相結構材料金–鐵氧化物靶向表皮生長因子受體(EGFR)，借助正電子發射計算機斷層顯像(PER)、磁共振成像(MRI)、光學三模態成像從不同層面對EGFR進行可視化研究，可以更敏感地檢測EGFR的表達。雖然分子成像在一些癌癥的診療領域已經取得了一定的研究成果，但是其臨床應用大多以失敗告終，這與癌癥的高異質性、復雜的微環境、特殊的解剖學特點等有關。因此，分子影像學的廣泛應用任重而道遠。
(四)國家政策支持及市場環境
近些年來，我國的基因組學的相關產業監管環境經歷了變化寬松放任期(2014年前)—停止期(2014年2月)—部分放行期(2014年6月至年底)—鼓勵發展期(2015年至今)。
體外診斷是“十三五規劃”的重要發展領域，監管部門對行業整體呈現逐步放開和支持的態度，這給體外診斷行業帶來了難得的發展機遇。
隨著醫保控費的壓力增大，醫院收入來源將從藥品逐漸向醫療服務轉移，體外診斷包括分子診斷的行業地位將逐步提升[5]。同時，2016年1月5日國務院印發《關于實施全面兩孩政策改革完善計劃生育服務管理的決定》，二胎政策落地，僅無創產前篩查(NIPT)領域，每年新增的篩查量預計就將帶來7億元的市場收入[5]。另外，隨著我國醫療改革的深入，居民健康意識日益增強，也給分子診斷市場帶來機遇。
(五)分子診斷細分市場分析
根據其成熟度和市場接受度，分子診斷技術主要應用于四個方面：感染性疾病、遺傳病、腫瘤和藥物基因組學檢測[10]。
目前應用最廣泛的分子診斷仍集中在感染性疾病的快速、準確診斷，最常見的分子診斷項目仍然是細菌或病毒感染性疾病檢測。然而技術的革新和市場的發展使分子診斷技術的應用領域拓寬至疾病易感性檢測、腫瘤早期診斷、腫瘤個性化治療和預后評估、藥物基因組學檢測、出生缺陷檢測和司法鑒定等領域。市場容量的急劇擴增使得分子診斷市場平均每年的收入增長超過30%，某些新興領域增幅更大，甚至可超過80%。分子診斷的消費者包括個體終端用戶、醫院、獨立醫學實驗室、體檢中心等，分子診斷技術主要分為核酸擴增技術、原位雜交技術、基因芯片及二代高通量基因測序四大類。定量PCR是應用最廣泛的分子診斷技術，占據最大的市場份額。基因芯片和微流控芯片二代測序正在高速發展并不斷占據市場份額。我國的生物芯片雖然起步比國外晚，但卻是世界上批準生物芯片進入臨床最早和最多的國家。
(六)我國生物芯片行業分析
根據預測，全球生物芯片市場在2015年已達76.3億美元，并將在2016―2020年保持18.4%的年均復合增長率，于2020年達到177.5億美元的高位[11]。2008年中國生物芯片市場規模超越行業預期達到1億美元，預計到2020年將達到9億美元的規模[12]。與分子診斷總體形勢一致，北美地區也是生物芯片最大的細分市場，而亞太地區已經成為增長最快的細分市場。
我國生物芯片行業發展迅猛。科學技術部頒布的《“十二五”生物技術發展規劃》中明確提出：研發擁有自主知識產權且具有市場前景的臨床檢測及衛生防疫用基因芯片、蛋白芯片及芯片實驗室產品。2011年，衛生部宣布將基因芯片診斷技術的管理類別由第三類醫療技術調整為第二類，確認了其靈敏性和準確性較高、檢測快速簡便等優點，從而大大提高了其在臨床上推廣應用的速度。
我國擁有相關生物芯片產品的企業中，達安基因股份有限公司為上市公司，市值180億元左右;未上市的企業中，博奧生物集團估值達200億元，不僅遠遠超過其他生物芯片相關企業，在整個基因檢測行業中也居于首位。緊隨其后的有華大基因(市場估值170億元)，貝瑞和康生物技術股份有限公司(市場估值100億元)等[13]。
自1998年以來，我國高等院校、企業、科研機構等單位和少數外國機構在生物芯片領域共申請發明專利2300余項，經歷了1998—2001年的起步期，2002—2008年的徘徊期和2009年之后的快速增長期。可見我國生物芯片行業現已具有較高的技術專業水平，同時也具有持續創新的動力。
截至2016年12月初，在國家食品藥品監督管理總局批準的醫療器械產品注冊證書中，尚在有效期內的生物芯片產品類證書有72個，相比2008年底的不足20個有了較大增長。在注冊產品總量提升的同時，以2012―2013年為分水嶺，試劑類產品的數量超過了儀器產品的數量(見圖2)。在體外診斷市場的成熟領域如免疫診斷、生化分析等細分市場，往往一臺儀器上可以配套使用十幾種乃至數十種試劑產品;因此生物芯片試劑類產品數量超過儀器產品的數量這一轉折標志著生物芯片技術在臨床診斷市場上已經進入快速增長、發育成熟的階段。
生物芯片產業化發展的各個細分市場都在蓬勃發展。在微陣列芯片和微流控芯片兩大平臺技術的支持下，全自動的流程配套使得生物芯片技術對產業轉化及臨床應用越來越友好。染色體異常檢測、先天性基因缺陷篩查、病原體鑒別診斷等芯片引領著臨床檢測細分市場的發展;在腫瘤早期診斷、預后評價和個體化用藥等轉化醫學領域中生物芯片技術的應用方興未艾。個體遺傳檢測有望將生物芯片應用市場擴展到“上醫治未病”的領域。在新藥研發方面，蛋白微陣列芯片的高內涵篩選驗證技術為抗體藥物的高速增長提供了支持，基于微流控芯片的器官芯片為新藥研發實現“個體化”奠定了基礎。在“民以食為天”的食品衛生和農業生物技術等關系國計民生的基礎性行業，生物芯片技術的應用也在逐步推廣。
三、分子診斷產業存在的問題與挑戰
(一)我國分子診斷的市場增長速度很快，跨國公司對中國市場趨之若鶩，外資企業正在贏取先發優勢
在我國這樣的新興市場上，分子診斷市場的快速增長令投資者趨之若鶩，大批外資企業紛紛進入。2012年1月17日，LifeTechnologies公司和達安基因股份有限公司簽訂合作協議，在我國成立體外診斷技術合資企業——Life–達安診斷，致力于推動遺傳性疾病、癌癥和傳染性疾病的體外診斷分析[14]。同時羅氏公司、美國伯樂公司、凱杰生物技術有限公司、Illumina、PacificBio等國外企業紛紛以各種方式滲入和參與中國分子診斷市場，贏取先發優勢，對國內現有的分子診斷企業的發展造成了嚴重沖擊。面對外資頻頻布局國內分子診斷市場的緊迫形勢，我國必須盡快進行戰略研究和布局。
(二)分子診斷的發展易受監管制度的制約，在摸索中逐步發展
分子診斷市場的監管力度遠高于其他細分市場，絕大部分產品屬于三類產品，各細分領域的增長空間受政策影響較大，比如2010年國家衛生和計劃生育委員會頒布的有關血站的核酸篩查試點及推廣工作，2014年國家食品藥品監督管理總局與國家衛生和計劃生育委員會辦公廳緊急叫停基因測序相關產品和技術在臨床醫學上的使用等。但整體趨勢是監管保守，逐步放開，國家持積極態度推動。因此分子診斷細分領域的龍頭公司，由于其產品成熟，渠道完善，具有技術和數據儲備，將會是未來最大的受益者。
(三)面對臨床上基因檢測技術越來越多的應用，如何解讀給出臨床指導意見成為醫務工作者的巨大挑戰
基于可靠的測序平臺，通過優化測序方法和生物信息分析方法，我們能夠在實驗室輕松實現對人類全外顯子、甚至全基因組的測序，獲得海量的遺傳信息。然而，如何解讀這些復雜信息，給出合理的臨床指導意見將成為醫務工作者下一步所面對的巨大挑戰。
(四)產業發展政策環境需進一步加強和改革
在我國，體外診斷產業的健康發展離不開國家政策的支持。2006年3月，國家發展和改革委員會發布了“高技術產業化示范工程”，首次將診斷試劑立為專項。2010年10月，《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》頒布，進一步提出要大力推動診斷試劑和診斷儀器的研發[15]。目前需要加強和改革的是：①我國醫療衛生體制改革的方向還有待明確、細化，政府招標采購制度需要進一步完善[15];②社會醫療保險及商業醫療保險能否承擔分子診斷的費用，在很大程度上影響著分子診斷產品的創新和產業鏈的拓展。當前的報銷政策仍局限在疾病的常規診斷上，對于絕大部分的分子診斷創新產品并不支持，不利于分子診斷產業的創新和發展[16]。
(五)產業發展自身面臨的挑戰
目前，我國本土的體外診斷企業規模普遍比較小，年銷售額超過或接近10億元的屈指可數，銷售額超過1億元的不超過10家，未來應重視產業集群化的發展模式[14]。另外，企業的知識產權意識還有待提高，中國真正在產業上游擁有的基礎專利很少。
(六)分子診斷產業主要的市場挑戰
產業政策風險：未來，國家可能還會對分子診斷的相關政策進行調整，隨之對整個行業造成影響。
醫保政策的影響：分子診斷市場的拓展和新產品的推出很大程度上受醫保及商業醫療保險支持程度的影響。目前的醫療保險更多地是支持已發生疾病的治療，而對疾病的早期診斷和預測缺乏支持，因而限制了分子診斷產品的推廣[16]。
產品或技術被淘汰的風險：當前基因芯片、微流控芯片測序等技術是實時熒光定量PCR檢測技術的潛在競爭技術，可能在將來取代現有技術[16]。
新產品和技術開發方面的風險：分子診斷行業的特點是高風險、高產出，對企業的研發能力要求較高，如果本土公司的研發能力不能滿足市場需求，就會面臨新產品的市場競爭力不足，難以抵擋國外企業的競爭而被市場淘汰的風險[16]。
分子診斷行業的門檻之一是特定知識產權和非專利技術，而我國對知識產權的保護力度不夠，因此，企業需要承擔掌握核心技術的人才流失及核心技術泄密的風險[16]。
(七)國家監管問題
國家對部分產品，尤其是對診斷試劑產品和第三方服務的過度監管，會給供需雙方帶來很多問題，形成瓶頸。
四、對策建議
(一)國家應對行業進行統一宏觀布局，成立國家分子診斷示范中心
(1)通過頂層設計制定創新型分子診斷產業發展規劃及研發戰略。
(2)針對創新型分子診斷產品和服務，制定新的物價審批、醫保社保和政府采購政策。
(二)鼓勵并購合作形成完備的產業鏈
從分子診斷產業鏈分析，目前國內提供試劑盒和儀器產品以及提供分子診斷檢測服務的公司很多，而原材料和高端儀器的研發和生產的公司較少。不同產業鏈環節的公司可采取差異化發展策略[17]。
上游的試劑供應商和中游的儀器產品供應商可以注重產品布局，提升企業自身的研發能力;渠道型公司可整合渠道，同時向下游服務延伸;下游的獨立診斷實驗室可考慮增加特檢項目所占比例，并加強與醫療機構的合作[17]。此外，企業應考慮拓寬服務領域至檢測數據分析等，目前有能力提供并布局數據分析服務的企業相對較少，因此先發者將占據優勢。
(三)完善國家分子診斷相關產業政策
1.培養創新型領軍企業在資源有限的情況下，應集中資源，重點扶持2~4家可以與外資企業抗衡的領軍企業，充分發揮領軍企業的帶頭作用，樹立行業典范。
2.優化資源配置充分發揮國家基因檢測應用示范中心的作用。
鼓勵發展新型產業組織，其特點是依托于相關的科研院所，以市場為導向、以企業為主體。支持建立可以開展橫向合作、互為支撐、技術裝備可實現共享的產業技術聯盟。鼓勵建立第三方獨立檢測中心等公共服務平臺。對單分子測序、數字PCR、循環腫瘤細胞檢測、microRNA檢測等新興領域進行重點支持。
3.提供金融政策支持對分子診斷技術的開發、產品研制和應用推廣，建立積極和良性的前、中、后期投資機制，成立產業引導基金，給予相關研發和生產企業一定的貸款免息政策，大力支持知識產權抵押、入股等，充分體現知識產權的價值。
4.為國產創新分子診斷產品提供市場通道為更好地幫助國產創新分子診斷產品克服在市場推廣環節存在的障礙，一是修訂招標評分表，弱化創新產品的市場占有率、用戶反饋、產品可靠性等評分指標，并直接給予創新產品適當的加分;二是針對醫療機構使用國產創新設備可能承擔更大的風險問題，建議政府給予特殊政策，如在采購、使用醫保中鼓勵采用國產產品，支持各級醫療機構優先采購國產創新產品。
5.提升監管水平迅速擴大和加強產品評審和監管隊伍建設，提高評審和監管水平，加快創新產品的審批程序。
(四)重視知識產權制度及戰略
(1)將專利保護與對外貿易政策相聯系，將專利保護作為貿易談判的非關稅障礙的重要一環。
(2)通過立法，在一些尚未受到法律保護的高技術領域設立專利保護等。
(五)加快建立嚴格有效的標準檢測手段與嚴格的審查管理制度
(1)建議在國家層面創建一批國際認可的具備可以對分子診斷產品進行生物學評價、通用安全要求測評和認證資質的實驗室或機構，建立嚴格的審查管理機制。
(2)加強對審查人員和審查專家的培訓，迅速提高審查人員和審查專家的素質和業務水平。
(3)建議從國家層面鼓勵第三方分子診斷臨床咨詢機構的建立。
【作者】清華大學醫學院醫學系統生物學研究中心謝蘭，劉冉，馮娟，邢婉麗，程京
【來源】中國工程科學(2017年第19卷第2期)
【全文整理】奧咨達
