基因检测技术发展趋势分析
思瀚产业研究院 联川生物    2024-02-23

基因检测产业系基因行业中相对成熟的产业，也是基因技术最早实现场景应用的产业。基因检测系通过样本制备技术采集生物的 DNA、RNA 等信息，通过 PCR、测序、基因芯片等技术获得序列或信号，通过生物信息分析技术获得数据并进行解读和应用的过程。

基因行业以技术为驱动不断发展。自 DNA 双螺旋结构于 1953年被发现以来，围绕“基因检测”的技术不断迭代，Sanger 测序技术、PCR 技术、微阵列芯片技术、NGS 技术（Next GenerationSequencing，下一代测序）、单分子测序技术相继问世。

经过约 40 年的技术推动，特别是经过近 20年来高通量测序的快速发展，测序成本大幅下降，基因检测技术逐渐得以产业化。21 世纪以来，现代生物技术、计算机技术、统计学等相关学科发展迅速并相互渗透，使得越来越多的前沿基因技术得以应用于更多实践场景。

基因检测根据技术平台的不同，可分为基因测序、基因芯片、PCR、分子杂交等。

人类基因组计划不仅推动人类认识自身，也推动了模式生物基因组的测序，众多物种的基因组序列被解开，大量的基因信息通过基因组测序被识别。但要对这些基因的结构、功能、表达和分布进行深入的研究，找到与生物体表征、健康相关的信息，还需要高通量、大规模的分析手段和方法。20 世纪90 年代建立起来的基因芯片技术和随后发展的第二代 DNA测序技术是高通量研究基因结构和功能的重要技术。

1、基因测序

基因测序技术起源于上世纪 70 年代。根据原理的不同，测序技术的发展大致可划分为 Sanger测序、NGS 测序和单分子测序三个技术阶段。三代测序技术各有特点，相互补充，应用的领域也不尽相同，目前的测序市场是多种测序技术并存的局面。第一代测序是指双脱氧核糖核酸链末端终止法，即 Sanger 测序法。

1977 年，Walter Gilbert 和Frederick Sanger 发明了第一代测序技术，并测定了首个基因组序列：全长 5375 个碱基的噬菌体X174。该技术原理为在待测 DNA 模板中加入 A、T、G、C 四种脱氧核苷酸，并分别掺入四种双脱氧核苷酸。由于 DNA 链合成过程遇到双脱氧核苷酸即终止，因此会产生以 A、T、C、G 结束的四组不同长度的一系列核苷酸，随后在尿素变性的 PAGE 胶上电泳进行检测，从而获得 DNA 碱基序列。

Sanger 测序技术读长长，一次可获得长度为 700 至 1,000bp 的序列，准确率高，可达到 99.99%，但通量与效率较低，成本较高，因此主要用于低通量的基因测序，以及 NGS 测序的结果验证。第二代测序主要是指高通量测序技术（High-throughput Sequencing），又称下一代测序技术（即Next Generation Sequencing, NGS）。

该方法采用平行测序理念，将 DNA 随机打断成无数的小片段，通过建库富集 DNA 片段，随后基于化学发光或纳米球等技术识别碱基进行测序。因为该测序方式需要在建库阶段将 DNA 打断成为小片段，测序完毕后经由生物信息技术作拼接，因此对实验技术和生物信息技术有较高的要求。

与以往的传统测序技术相比，高通量测序技术从测序原理、测序过程、适用范围及测序结果等方面均存在本质不同，该方法可一次对几十万到几百万条核酸分子进行序列测定。高通量测序技术能有效克服 Sanger 测序技术成本高、通量低、对人力需求大等缺点，以其通量高、耗时短、准确性高等优势极大的促进了基因组学的基础研究与临床推广，给生物学领域带来新的突破。在过去的十年中，高通量测序已经助力了大量的科学发现，拓展了基因测序的应用场景，是目前以及未来较长时间内的主流基因检测平台。

第三代测序主要是指单分子测序技术，主要依靠现代光学、高分子、纳米技术等手段来区分碱基信号差异的原理，直接在单分子水平读取序列信息。该技术的特点是无需对 DNA 模板进行扩增，并且相较于高通量测序技术的读长更长，但是其单个碱基错误率在 1%~10%左右，高于高通量测序技术，目前并未实现大规模商业化应用。

Sanger 测序技术、高通量测序技术和单分子测序技术在成本、读长、通量和准确率等指标上具有不同的优劣势。高通量测序技术通量高，在大幅降低了测序成本的同时又保持了较高的准确性。

Sanger 测序技术与高通量测序技术相比，虽然读长较长、准确率较高，但是有着成本较高、通量较低的缺点。单分子测序技术与高通量测序技术相比，虽然读长较长，但是成本与准确率无法同时达到相近水平。

因此，第二代高通量测序技术是目前基因测序技术大规模商业化应用普及的主要推动力，在较长时间内仍将保持主流测序技术的地位。

2、PCRPCR 技术

是一种用于扩增特定 DNA 片段的分子生物学技术，本质是扩增微量的核酸序列，最初用于基因克隆以及一代测序等领域，随着 NGS 技术发展，PCR 在 NGS 核心文库制备阶段、文库质控等方面都被广泛应用。

荧光定量 PCR（qPCR）在普通 PCR 基础上引入荧光信号及采集，利用荧光信号积累实时监测整个 PCR 进程，可用于相对定量检测指定核酸分子。该技术手段具有检测快速、试剂及配套设备成本低等优势，被广泛用于分子诊断领域，例如病原体检测以及人肿瘤基因突变等基因检测。

数字 PCR 技术（dPCR）基于荧光 PCR 采集荧光信号的原理，通过将核酸样本以微滴生成或芯片通道方式打散成单分子状态的反应单元，从而得到绝对定量结果。该技术体系具备灵敏度高、可绝对定量、无需内参的优势，极大提升检测灵敏度，可用于肿瘤变异的早期发现。但相对于较为成熟的荧光定量 PCR 技术，数字 PCR 技术还在发展的初级阶段，目前主要应用于临床科研领域。

3、基因芯片

基因芯片又称为 DNA 芯片、生物芯片或 DNA 微阵列等，是一种高度集约化的检测方法。基因芯片将大量已知序列的探针集成在同一个基片上，样本核酸与芯片特定位点上的探针杂交后释放信号，通过对信号的分析获得生物细胞或组织中的基因信息。相对于荧光定量 PCR 技术，基因芯片的优势在于通量高、单位样本检测成本低；相对于二代测序技术，基因芯片的优势在于检测速度快，数据处理简单、检测稳定性高。

根据特定的科研应用内容，基因芯片可以细分为 miRNA 基因芯片、SNP 基因芯片、表达谱基因芯片、DNA 甲基化基因芯片和染色质免疫共沉淀芯片等。miRNA 是 21 世纪初新兴的研究领域，这类小分子 RNA 在生理过程中扮演着调控分子的重要角色，在发育过程和人类疾病尤其是肿瘤发生发展中起到非常重要的作用。

但这些小分子由于物理特性非常难以检测，同时期的芯片技术可以较好克服模式生物的 miRNA 检测困难。基因芯片的制备方法主要有点样法和原位合成法。原位合成的基因芯片密度高，重复性好，但是技术壁垒高。1994 年第一张商业化基因芯片由 Affymetrix 公司推出，随后 Roche Nimblegen、LCSciences（现联川生物境外子公司）、Agilent、CustomArray 陆续推出数字化光控、光化学光控、喷墨打印、电化学基因芯片。

思瀚发布《2024-2029年中国基因检测行业市场调研与发展前景预测报告》