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独家专访丨低成本高精度实现高通量并行测序,这家初创依托自研芯片想做“不止于四代”
今日推荐:2021年01月13日 胡莉花 DeepTech深科技


近年来,由于测序技术的发展,越来越多与疾病相关的基因得到确认,作为精准医疗的核心技术,测序已经应用于产前筛查、遗传病诊断、肿瘤诊断与治疗等方面,尤其在攻克肿瘤这一难题前,基因测序给肿瘤的预防和治疗提供了全新的思路。

 

但是从产业链角度来看,情况不容乐观,测序仪的研发与生产垄断在少数几个大厂手中,测序巨头 Illumina 更是占据了 70% 以上的市场份额,极高的行业壁垒,成为其它测序企业的发展障碍。所以当前状况下,突破二代测序仪的瓶颈成为测序公司制胜的关键,包括读长、准确度、精度、成本等。

 

四代测序则在不断更迭的技术革新中蓄势待发。

 

作为国内少有的布局四代测序仪的公司,生辉关注到安序源生物科技有限公司(以下简称 “安序源”)的四代测序仪样机近期亮相于深圳的一场展会,借此机会,生辉和安序源的联合创始人兼首席执行官田晖博士进行了交流。


图 | 田晖博士(来源:受访人提供)

 

田晖告诉生辉,“安序源的四代测序仪与牛津纳米孔或其他公司相比区别较大。我们在保持纳米孔测序长读长优势的基础上引入了酶促反应,用于生成可辨识度高的单碱基信号。相比传统纳米孔测序直接读取待测核酸序列,这个技术路线具有几个重大优势:首先,所采集信号来源大大简化,是真正意义上的单碱基识别,提高了检测信噪比;第二,搭配不同的样品制备方法可以实现对同一个待测 DNA 模板的多次测序,开启可控的高精度测量模式;此外,测量对象与 DNA 序列分离,突破传统直流电压驱动的限制,可以设计更灵敏更快速的极微小驱动及检测单元来提高精度和扩大通量。我们实现这个技术路线的核心测量部件 —— 生物芯片具有的检测单元数目超过同行几个数量级,在单次加载 DNA 读数通量上领先市场。而且芯片是在已量产成熟的先进半导体工艺上设计并生产的,比其他公司采用的特制化芯片价格更低廉。”


这意味着安序源的单芯片单次上样即可实现高通量并行测序,提高测序深度和精度,而测序成本却几何级数下降。”他补充说。

 

同时他也提到,降低成本和提高准确度之后,四代测序会很快迎来应用爆发期。


生物芯片是底层技术


高灵敏度高通量低成本的半导体生物芯片是安序源的核心技术。生物芯片根据生物分子间特异相互作用的原理,将生化分析过程集成于芯片表面,从而实现对 DNA、蛋白质等其它成分的高通量快速检测,目前生物芯片的商业化应用主要是快速多病毒联检、体外诊断、测序等。

 

2000 年,从斯坦福大学博士毕业后,田晖进入半导体领域,为相机制造 CMOS 图像传感器。CMOS 图像传感器本质上是一种集成电路芯片,可以将光信号转变为电信号,用于手机、相机、摄像机、监控等产品。

 

2013 年,田晖进入一家名为 Genia 的公司,进入生物技术行业,负责高通量、高灵敏度芯片的研发和量产。2014 年,Genia 被罗氏收购,田晖随之进入罗氏,担任测序部副总裁。2016 年,田晖和联合创始人 Igor Ivanov 创立了安序源。Igor Ivanov 同时担任安序源的首席运营官,他曾在硅谷连续创办几家公司,其中一家成功在纳斯达克上市,其余均被大公司收购,是一位成功的连续创业者。

 

图 | Igor Ivanov 博士(来源:受访人提供)

 

问及为何要从半导体行业转向生物行业,田晖告诉生辉,“基因测序能直接影响生命,而且有一个更广阔的市场;测序技术是生命科学的底层技术,可以应用在很多方面;从半导体角度来说,打开了一个新的技术的应用点;从生命科学的角度来说,带来了新的技术平台。”田晖认为自己是幸运的,因为最开始接触的就是测序。

 

但是这一过程历经波折。

 

中国生物芯片研究起步较晚,始于 1997-1998 年,随着生命科学的发展,生物芯片的研发才慢慢升温。但是制作芯片的工艺流程复杂,对于环境的要求极高,所需的机器先进且昂贵。田晖也感慨道,“一般的公司是不可能自己来做半导体工艺的,因为太贵了,必须和半导体大厂合作”。

 

几经周折,安序源和以色列芯片巨头高塔半导体达成合作,由高塔半导体为其开发了一套工艺。“与半导体大厂合作的门槛在于产量,小量订单大厂是不接的,因为工艺开发有很高的机会成本,而且只有通过大规模量产才能收回。我们在初期的订单量其实很小,但是高塔半导体看到高通量生物芯片代表了未来半导体应用的一个重要方向,我们的芯片需求量在不久的将来会呈指数级增长,而且他们也希望能为精准医疗做些贡献,所以跟我们达成合作。有了这套工艺,我们也真正实现了高通量生物芯片的量产。” 田晖补充道,“高通量芯片搭载微流控部件才能实现整个测序流程。而且我们在一开始就是按照全流程自动化进行设计的,因此,微流控部件涉及的功能较多,过程复杂,我们花费了很多时间来找到技术上能满足要求,并且能量产的合作伙伴。”

 

目前,安序源和牛津纳米孔一样,使用的都是集成电路生物芯片。但不同于牛津纳米孔特殊工艺制作的千级通道芯片,安序源的芯片设计策略从一开始就适应高通量产品要求,在单次加载 DNA 读数通量上遥遥领先市场。而且安序源技术基于传统成熟半导体工艺,而非特殊定制化,已实现大规模量产,有效控制了成本。田晖表示,传统集成电路芯片工艺需经过改造才能实现生物芯片的量产,因为生物芯片需要在盐溶液环境工作。改造的步骤涉及微阵列结构蚀刻,特殊金属材料镀层工艺,表面物化性质优化等。虽然改造过程比较复杂,但是改造成功后,成本非常低。

 

图 | 安序源生物芯片(来源:公司官网)


据田晖透露,安序源依托生物芯片不仅开发了四代测序仪,也将应用扩展到多种病毒联检、慢病监测管理、辅助制药研发等领域,并且已经开始商业化。目前已有正在试用的研发伙伴和达成合作的客户。


不止于四代


 “利用高通量集成电路生物芯片这一底层技术,结合微流控、创新的生物化学、合成化学技术,我们要做一系列跨学科创新产品。” 田晖说道。测序仪是安序源主打的跨学科应用产品,它涵盖蛋白工程、生物芯片、电子电路、人工智能等多个交叉学科。

 

测序仪的不断更迭也是市场升级的过程,从研发向临床的一个方向。在这个过程中,需要同时实现低成本、快速、小型化、长读长、无结构性误差。田晖表示,四代在小型化、速度和读长方面已经很不错了,但是主要问题还是成本较高、准确率不够。

 

如何实现这五大指标,田晖也给出了自己的答案。首先要降低成本,通过提高同时检测 DNA 的通道数,和使用比较通用的、大规模量产的 CMOS 工艺生产的芯片;其次精度方面,不应局限于纳米孔直接物理测序的方法,还可以借鉴以前做的很成功的生物化学流程。

 

“只有超越现有四代测序的水平,才可能完成大范围取代二代,完成测序行业的升级换代。所以,目前市场上四代测序产品应该是我们的起点,而不是终极目标。只有做到超过当前四代测序产品的通道数和精度,才能具有市场竞争力”。

 

据悉,安序源的四代测序仪是在纳米孔的基础上,结合了生物材料,包括生物酶等,以此来提高测序仪的容错率。田晖解释道,“单独使用未经修饰的纳米孔直接测序经常被认为是一种物理测序方式,它容易受到布朗运动等过程的影响,导致测序的准确度降低。我们在纳米孔的基础上加上了比较成熟的、经过验证的生化部件之后,在很大程度上突破了这类物理测序本身的局限。”

 

2019 年,安序源的生物芯片已发展成熟,并发布了第一款测序仪。但在后期运行调试过程中发现,仪器的机械和液路部分经常出现问题。田晖解释道,“生物芯片的功能实现需要仪器的支持,包括电学、机械、液路三个方面,缺一不可。” 所以在今年年初,安序源美国研发中心重新设计了最重要的芯片 / 仪器接口部分,10 月份开始,已在中国小批量生产,进行仪器调试验证,与合作方一起开发新的应用。

 

图 | 安序源四代测序仪(来源:受访人提供)

 

测序是精准医疗的基础,在微生物检测、肿瘤、产前诊断等领域都有应用。在田晖看来,四代的测序成本和精度超过二代之后,不仅可以抢占现有的测序市场,还可以打开一个更大规模、更广泛的应用空间。测序仪智能自动小型化后,除了可以用于人类疾病早筛外,还可以检测环境中的微生物和环境中食品的污染,甚至每家每户都可以拥有一个家用型的测序仪,这将是一个 to C 的市场。

 

目前,安序源在中美两地布局有研发中心。田晖告诉生辉,在美国的研发达到一定规模,比较成熟后,会转到中国做生产和应用开发,“未来,美国主要是做前端的研发,同时会逐渐将美国的研发转移回中国,未来一两年的重点是在中国把产品化做出来,也会大幅度提高在中国的研发能力。”

 

谈及近期的发展计划,田晖表示,首先要和合作对象共同调试测序仪,优化流程,开发更多的应用;其次,今年将完成 GMP 厂房建设,用于试剂、微流芯片及仪器的生产;最后,要扩建团队,以此支撑多产线的研发与量产。目前,安序源在中美两国有数十人的核心全职团队,每个专业领域有带头人负责统筹规划以及与其他部门对接,并大量外包具体工作,“我们的核心团队成员都是独当一面的行业精英,精简的人员和扁平化的公司结构不仅节约成本,还能使效率最大化。而将部分研发与生产外包,我们得以借力,省时省力而且拓宽了团队的研发范围”。

 

据了解,自成立以来,安序源已完成 2 轮累计数千万美元的融资,投资方包括华润、力合、 松禾、聚明、清源等。田晖也向生辉透露目前正在新一轮融资中。

 

采访的最后,田晖告诉生辉,“我们不仅要做测序仪,也希望安序源能够成为大健康产业的一个工具平台,通过半导体、生物芯片、微流控等高科技,为精准医疗和新型制药、检测行业提供高通量的筛查设备,也可以提供底层技术支持。”



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