中国基因测序设备行业研究

2021
02/26

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Sam的行研笔记
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,在新冠疫情冲击下,居家医疗或将渐成一种新形式,我们认为随着技术的不断进步,基因测序仪将会成为便携式“笔记本电脑”。



行业分析


01

行业概括

1.1 基因检测

基因检测就是利用血液、其他体液、组织、细胞等生物样本,对DNA进行检测的技术。基因检测的是精准医疗的重要手段,在未来基因检测技术将成为医疗和健康领域不可缺少的一部分。目前基因检测常见手段包括聚合酶链式反应(PCR)、荧光原位杂交技术(FISH)、基因芯片技术(Gene Chip)、转录介导的扩增(TMA)和基因测序技术等,其中基因测序是其他四种检测方法的基础和主流技术。

 

1.2 基因测序

(1)基因测序技术发展历史

基因测序是指通过测序设备对脱氧核糖核酸(DNA)的碱基排列顺序进行测定,即测定和解读DNA分子中的腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)四种碱基的排列顺序,从而解读DNA的遗传密码,为生命科学研究、临床诊断和治疗等提供指导的过程。基因是DNA分子上的一个功能片段,是遗传信息的基本单位,是决定一切生物物种最基本的因子;基因决定人的生老病死,是健康、靓丽、长寿之因,是生命的操纵者和调控者。

基因测序中最为重要的是测序仪器和耗材,相关产品和技术也已由实验室研究演变到临床应用,广泛的应用潜力和快速的技术革新使得基因测序行业成为生物医药行业内的快速增长领域。

(2)基因测序技术种类

其中,测序技术是测序仪器的核心所在,迄今为止已历经四代发展。主要的是前三代测序技术:第一代测序技术,即Sanger测序技术;第二代测序技术是当今主流技术,主要有Illumina公司的Solexa和HiSeq技术,Life Tech公司的Solid技术和Roche的454技术;第三代Pacific Biosciences公司的SMRT测序技术;第四代测序技术正向着测序仪器体积更小的方向发展,如Oxford Nanopore Technologies公司的MinIon纳米孔单分子测序技术。

测序仪的研发需要包括生化、光学、流体、机械、软件算法等学科结合,是生命科技领域当之无愧的核心工具之一。

在测序技术中,当前应用最广、发展速度最快的是高通量测序(High-Throughput Sequencing),即二代测序(NGS):以前完成一个人类基因组的测序需要3年时间,而使用二代测序技术则仅仅需要1周;二代测序技术最大的价值在于它极大的降低了测序的成本,使得基因测序技术普及并开始进入普通消费者的视野,但其序列读长方面比起第一代测序技术则要短很多,大多只有100bp-150bp。第三代、第四代测序的发展思路在于保持二代测序的速度和通量优势,同时弥补其读长较短的劣势,第三代、第四代测序目前仍用于科学研究中,尚未大规模推广。未来,随着全基因组测序是必然趋势,第三代、第四代基因测序技术将逐渐崛起,基因测序产品的应用领域也将得到全面推广。

(3)基因测序在医疗方向的应用场景

国内基因测序行业市场处在成长的阶段,未来,在技术进步、政策培育等因素推动下,基因测序工程会给人类健康预防与疾病治疗带来革命性的变化。一方面,基因测序拥有巨大的应用前景,包括肿瘤、心脑血管疾病个体化用药、遗传性疾病早期筛查、产前筛查等;另一方面,基因测序在CTC(即“循环肿瘤细胞”)、ctDNA(即“肿瘤基因组的DNA片段”)的应用上还有待突破。这也将是未来精准医疗的发展方向之一,对生命科学的研究方向,以及靶向药物的开发将有直接的推动作用


02

产业政策

2014年之前,我国基因测序市场一直处于缺乏监管的灰色领域,2014年2月,基因测序服务被卫计委和CFDA联合叫停,要求包括检测仪器、试剂及医用软件在内的产品进行审批注册。同年3月份,卫计委下达《关于开展高通量基因测序技术临床应用试点单位申报工作的通知》,开展产前筛查和产前诊断、遗传病诊断、肿瘤诊断与治疗、植入前胚胎遗传学诊断等开展试点申请工作。

自此从国家层面,中央多部门几乎每年都会出台指导和扶持我国国内基因检测等相关产业发展的政策、指导意见等文件。突出强调核心关键技术的国产化及实际落地转化。



03

行业发展现状

3.1 行业发展迅速,未来市场广阔

      从全球范围来看,目前基因测序市场规模增长最快的是亚洲市场,其中中国和印度的市场增长率均超过了20%,中国市场无疑是其中最大的增长引擎。随着人均寿命不断增加、民众健康意识的觉醒、人均医疗保健支出稳步增长、测序技术创型性进步、国产替代的政策导向,我国基因测序产业链上游市场将持续保持高速增长,成为IVD领域下一个黄金爆发点。

3.2 进口厂商是龙头,国内相关企业少

基因测序产业链上游包括基因测序仪及配套试剂生产制造商,在上游设备、试剂、耗材等供应环节,呈典型的寡头垄断竞争格局。目前,二代测序仪仍然占据市场主流,自2017年Illumina不断蚕食其他厂商的市场份额,逐渐形成了一家独大的局面2018年市场份额已增长至84%,稳居第一)。

从国内来看,据统计,目前中国仅有11家企业参与测序设备制造,仅有25家企业涉足耗材及试剂,国内企业在基因测序上游环节的竞争力整体较弱。从市占率看,Illumina(全球装机1.1万台)和赛默飞在国内市占率约67%,华大智造国内市占率约33%(全球装机1100台),其它国产测序仪未量产投放。就国产设备和耗材及试剂来说,市场处于供不应求的状态。

3.3 仪器的封闭性是行业持续利润的保证

Illumina为例,尽管Illumina仍然是全球最大的测序仪供应商,但其仪器销售早已显露疲态。2019年试剂耗材收入约为25亿美元,测序仪器则实现了5.17亿美元的销售额, 仪器收入在其产品收入中的比例已经从2014年的35.1%降低到了2019年的18.3%。据前瞻产业研究院2018年披露数据,在基因测序行业,耗材和试剂的销售毛利率高达65.1%,测序仪为58.2%,测序仪及耗材利润约占到整个产业链的70%。基因测序仪配套的试剂和耗材为上游厂商贡献了主要的利润,仪器的封闭性为仪器制造商提供了利润保障。

3.4 国产化实现形式多样,自研渐成主导

2018年10月,华大智造发布了自主研发的超高通量基因测序仪——MGISEQ-T7。这也是我国企业自研的首款测序设备,这台堪称“超级生命计算机”日产出数据达6Tb,算得上是目前全球日生产能力最强的基因测序仪。

通过梳理我们发现,我国的测序企业进入测序仪市场主要通过以下三种模式:

自主研发,以华大基因、华因康基因等公司为代表,然而与市场上主流的测序仪相比还是存在诸如性能低、成本高等弊端;

收购国外的测序仪生产企业,在其核心技术的基础上进行改造升级,推出自主品牌的测序仪,以华大基因为代表;

       ③与国外知名测序仪生产企业合作,在其测序仪原型的基础上加以改造,形成具有特定用途的基因测序仪,代表公司是贝瑞和康、达安基因和博奥生物等。

据亿欧大健康统计,国内已经取得医疗器械审批的基因测序仪不足20款,其中,大多属于收购、贴牌的形式取得上市资格,完全自主研发的基因测序仪比例还不足30%。但目前国内有资质的国产基因测序仪,只有华大基因(包括参股公司华大智造)是自主研发的,其他均是海外产品的OEM(贴牌)。

3.5 测序设备核心零部件仍需进口,产品和成本存在不确定性

      基因测序仪生产需要数千个高精密零部件,目前的国产测序仪,无论是二代还是三代,其核心零部件都需要进口,比如光学系统中的部分核心器件来自日本、德国,测序芯片和微流控系统则需来自新加坡、美国。

3.6 国产三代基因测序仪实现并跑,四代有望领跑

与目前全球最成熟的二代基因测序技术相比,第三、四代基因测序技术仍然处于兴起阶段。纵观全球,截至目前,真正进入市场的三、四代测序仪的企业总共也不过四家,三代有中国瀚海基因、美国Pacific Biosciences;四代有英国Oxford Nanopore Technologies(产品包括Flongle、MinION、GridIONMk1、PrometnION以及在研产品SmidgION和Plongle)、中国齐碳科技(产品有QNome-9604)。

从应用场景看,这四家企业的三、四代测序仪形成的是差异化竞争。美国的Pacific Biosciences公司主要侧重在二代测序与三代测序联合使用,主要用于科研;英国的Oxford Nanopore Technologies公司则偏向于在基层机构、野外等医疗设备不完善的地方进行快速现场检测;而我国的瀚海基因主要针对临床检验市场,可以说是目前全球唯一用于临床应用的第三代基因测序仪。其中,前两家公司都已经进入中国市场,而瀚海基因也正在准备申报CFDA阶段。


04

行业发展驱动力

4.1 精准医疗不断加持,基因测序是精准医疗的重要落脚点

      当前难治性疾病(如肿瘤、老年痴呆、骨质疏松等)发病原因复杂,传统医疗方法用药的总体平均无效率为51%(十大复杂疾病的用药平均无效率),尤其是恶性肿瘤死亡率居首,用药无效性最高,因此精准医疗概念应运而生。

      在此背景下,多个国家相继推出了各自的精准医学计划——美国“精准医学计划”、法国“基因组医疗2025”、英国“10万人基因组计划”、韩国“万人基因组计划”、澳大利亚“零儿童癌症计划”等,并已经获得重大推进。基因测序产业将在此引领下实现新的跨越式发展,对传统的医学进行深彻底变革。

4.2 院内市场是一片未开垦的沃土,空间巨大

       据有关统计数据,目前,十几家大型的医学检验所占据了国内约90%的检测市场。据有关机构预测,目前国内医院市场的存量基因测序仪仅有800台左右,平均每年按照约100台的新增数量增长。而根据国家卫健委统计信息中心披露数据,截至2020年3月底,全国医疗卫生机构数有100.9万个,医院有3.4万家。

目前,Illumina的二代基因测序仪价格约在50-100万美金,华大智造的二代基因测序仪参考成交价格在200-300万元。部分医院没有足够预算采购大设备,大多数的测序还是送到院外进行。综合来看,基因测序仪对于医疗卫生机构还是未被开发的蓝海。

4.3 基因检测成本呈现超摩尔定律的趋势下降

National Human Genome Research Institute数据显示,2001年平均每兆数据量基因测序成本是5292.4美元,单人类基因组测序成本是9526.3万美元。自2006年新一代测序技术推出,平均每兆数据量基因测序成本下降至581.9美元,单人类基因组测序成本下降至1047.5万美元,2013年下降至5000美元;2014年1月,Illumina推出HiSeq X Ten更是将单人类基因组测序成本降至1000美元以下,而原先启动人类基因组计划所需的成本是30亿美元。

4.4 医疗开支占比提升,医疗保健意识不断提升

基于国内宏观经济环境运行良好的背景,人民生活水平提高,居民可支配收入增加,中国居民人均可支配收入由2015年的2.2万元上升至2018年的2.8万元,年复合增长率约为8.4%;医疗保健人均支出年复合增长率约为13.1%。居民可支配收入和保健开支的稳定增长,民众的医疗保健意识得到了明显提升。


行业规模


 

01

国际市场规模

       从全球的范围来看,测序市场规模增长最快的是亚洲市场,中国和印度的市场增长率均超过20%。火石创造认为,预计到2020年全球基因测序市场规模将达到87亿美元,2022年的全球市场规模将迅速上升至300亿美元左右;其中肿瘤诊断与治疗应用方向为120亿美元,占比为60%,是基因测序最大的应用市场。同时,麦肯锡预测基因测序技术在肺癌、肠癌、乳腺癌和前列腺癌等领域的渗透率将高于20%Illumina预计到2022年长读长测序市场将从2018年的6亿美元增长至25亿美元。

就基因测序仪来说,据有关统计预测,2018年其全球市场规模为39亿美元,2022年市场规模则将达到106亿美元。


02

国内市场规模

我国基因测序行业的发展与我国电子、基因、制造等学科的发展密不可分。得益于我国庞大的人口基数、医疗支出不断增加、医保覆盖面不断扩大和基因工程的不断发展,国内的基因测序市场渐成蓬勃发展之势。从中国精准医疗市场结构上来看,基因测序在精准诊断产业中占据了最大份额,所占比例达52%。

       我国基因测序市场规模也在2015年迅速扩大,从2012年的11亿元人民币,增长至2015年的30亿元人民币;火石创造预计2020年国内基因测序市场规模将达到100亿元人民币左右,年复合增长率20%。在具体应用场景中,未来无创产前筛查的市场规模将达百亿级,肿瘤筛查的市场总市场空间可达千亿级,癌症病人个性化用药的市场空间可达百亿级。下游庞大的市场需求必然对上游基因测序仪器、耗材及试剂的需求起到巨大的催化拉动作用。


 

行业内主要参与者

      

      据火石创造数据,全球存量基因测序设备不足8000台,分布在60多个国家中。其中,Illumina公司(HiSeq 2000、Genome Analyser 2x、MiSeq和NextSeq为主)和Thermo Fisher公司(SOLiD、Ion Torrent和Ion Proton为主)的测序平台就已经占据超过90%的市场份额。


全球十大测序公司2018年营收排名

来源:SciPhi,CB Insights

目前,我国约有1700台NGS测序仪,几乎都是Illumina(约1000台)、Thermo Fisher(约600台)和Pacific Biosciences(约50台)的仪器,其他的仪器约50台。从地理分布上来看,测序仪基本集中在一线城市,其中北京460台、上海450台、深圳410台。从中国目前产业格局来讲,基因测序仪器、试剂耗材形成国外四巨头垄断格局,国内厂家正在积极寻求突破。


国内市场主要参与者


 

行业发展趋势预判


01

并购孵化将盛行,龙头全方位布局

上游技术壁垒较高,核心技术包括DNA聚合酶、DNA提取富集技术、光电技术等,包含领域众多,上游龙头公司很难在这些众多领域全面精通,同时由于技术创新,众多研究领域专一、有特色的小企业如雨后春笋,快速发展。从Roche及Illumina在上游的并购案例看,这些龙头均在DNA聚合酶、DNA提取富集技术等核心领域全面布局,以满足测序仪对于创新型核心技术的高度要求。因而我们预计国内企业也会遵循这一逻辑制定经营战略,可重点领域内专攻专有核心技术的创新企业。


 

02

二代技术仍将为主流,三四代加速优化

理想的测序仪应该具备:低成本,高通量,高读长,高精确率的特性。一代、二代技术需要耗费长时间的文库制备、样本制备过程,伴随该过程的酶等试剂的大量使用,也提高了测序成本。但目前二代技术也因其最稳定、最准确、最成熟在测序市场中而无可替代。三代、四代测序仪也因其较高的错误率而在目前尚无法取代二代测序仪。但从长远来看,三代、四代测序仪因其操作、流程简便,节省时间,以及成本更低,具有更长的读长,契合实际临床检验的需求,是未来极有前景的的方向。


03

构建仪器+耗材+测序服务生态圈

上游产业链中,耗材及试剂的利润贡献度最大。兴业证券研究所认为,在上游仪器端未有革命性的产品推出之前,预计未来测序产品和服务市场的增速为:测序服务>数据分析>仪器耗材;产业中游的测序服务商(测序服务+数据分析)有望畅享行业盛宴,助推产业持续繁荣。不同基因测序仪对耗材及试剂均有着各自特殊要求,基本是一一对应。因此,我们认为,上游企业在破局测序仪器之时,亦可围绕耗材及试剂进行攻关,深化与科研院所、检验机构、各类型卫生机构等的合作,打造基因测序平台生态圈。除此之外,借助上游自身产业链优势、低成本资源,可适时向中游拓展,创造企业新的利润增长点。


04

小型化、便携化将是基因测序仪未来形态

对比研究发现,一、二、三、四代基因测序仪的重量从近1000kg不断缩小至十几kg,尺寸也缩短至十几cm大小。随着个性化医疗、医疗资源持续下沉、高端医疗服务加速普及,以及自我健康管理意识的深入人心,消费者对个性化医疗器械的需求将与日俱增,在新冠疫情冲击下,居家医疗或将渐成一种新形式,我们认为随着技术的不断进步,基因测序仪将会成为便携式“笔记本电脑”。


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关键词:
测序仪,基因,研究,技术,医疗,耗材,试剂,企业

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