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浅析微流控在体外诊断的应用

体外诊断,顾名思义,主要是指对人体的血液、体液、组织等进行检测而获得临床信息的产品或服务。目前国内体外诊断市场主要细分为五类:生化分析,免疫诊断,分子诊断,微生物以及药敏分析系统,血液学与凝血类。

与全球市场相比,我国国内的体外诊断市场还主要集中在分子诊断和免疫诊断上。而新兴的分子诊断和POCT技术,由于我国技术存在一定的滞后,较欧美国家而言,市场份额占比相对较小,未来会具备很大的发展潜力。

 

图1. 全球体外诊断市场的按试剂的细分
(资料来源:kaloramaInformation,长江证券研究部)

 

图2. 我国体外诊断市场的按试剂的细分
(资料来源:米内网,长江证券研究部)

 

由于我国目前的:1.人口老龄化;2.传染病慢性病流行;3.城市人口剧增;4.政府对医疗保健市场的支持力度;5.医院药品加成的取消等因素,我国国内的体外诊断市场迅速增长,预计在2017年将达到500亿规模。

图3. 中国体外诊断行业整体规模

 

在生化分析方面,由于技术比较成熟,技术壁垒比较低,所以微流控产品将面临着成熟的传统的生化分析仪的有力竞争。但是随着分级诊断的普及,基层社区医院为节约设备成本,会更倾向于小而易用的基于微流控的生化分析仪。基层社区医院所需检测的样本量不多,所以与单位时间的检测通量相比,更在乎的是生化分析仪的价格和易操作性。这个时候,低成本易于操作且能快速出结果的微流控自动生化分析仪的优势就凸显了出来。在这一块,技术相对成熟的产品有天津的微纳芯Pointcare M和美国爱贝斯(Abaxis)Piccolo Xpress™即时生化检测仪。

图4.美国爱贝斯(Abaxis)PiccoloXpress™即时生化检测仪

 

在免疫诊断方面,由于化学发光(CLIA)的灵敏度高,速度快,重复性好且能全自动化,所以化学发光只要成本降下来,那么它取代酶联免疫吸附测定(ELISA)也会成为一个事实。在化学发光仪器这一块,国内竞争呈现白热化和同质化倾轧的特点,主要都是基于机械手臂的方式来进行实现,技术上并没有太大的区分度。而另一方面,在2017年5月15日-18日中国国际医疗器械博览会(CMEF)上,华迈兴微的基于微流控的M2微型化学发光分析系统就相对亮眼的多。相比较于普遍的几十千克的大型机械手臂式的化学发光仪而言,这款产片只有5千克,而且从加样后到全自动的打印报告,只要15分钟。这款产品充分的体现了微流控的技术优势。另外,北京纳讯科技也同样发布了一款基于微流控技术的化学发光仪器。微流控技术在免疫诊断这一块应该应用的已经非常广泛。韩国的三星电子,葡萄牙的biosurfit,国内的深圳理邦仪器等等都相关的产品。

图5. 华迈兴微:M2微型化学发光分析系统

 

分子诊断目前应用比较广泛主要有两个技术:荧光定量PCR技术和基因测序技术。在这里,我们重点讨论基于荧光定量PCR的技术。这一块的几个明星产品:赛沛(Cepheid)的GeneXpert PCR分析仪,BioFire的filmArray,IQuum的cobas Liat PCR System 以及Atlas Genetics的io。这几个明星产品的孵化公司都无一例外地被全部或部分收购。这里的赛沛在2016年9月被丹纳赫以40亿美元收购;BioFire在2013年9月被生物梅里埃宣布以4.5亿美元收购;IQuum 在2014年4月被罗氏以4.5亿美元收购;英国Atlas Genetics在2016年的年底也被万孚生物以约1.25亿人民币收购了14.95%的股权。竞争激烈和受欢迎程度由此可见一斑。这里面,除了赛沛,其余的都是基于微流控的分子诊断产品。另外,国内的博晖创新也于2017年发布了一款微流控全自动核酸检测系统。所以,在基于PCR分子诊断的全自动化上,目前来看,微流控具有非常大的优势。

图6. 博晖创新:微流控全自动核酸检测系统

 

在血液学与凝血类方面,雅培的i-STAT血气系统更是做到了POCT级别,已经被国内医院广泛接纳。而在微生物系统方面,目前基于微流控的全自动的药敏系统还主要处在研究阶段,笔者并没有看都类似的产品。这一块,微流控也将具有很大的潜力。

体外诊断的自动化必然是一个趋势。在这个趋势里面,目前主要技术为机械手臂和微流控技术。在这里,机械手臂式的仪器往往大而贵,但是,机械手臂流水线作业也会让单次检测成本变的很低。另一方面,基于微流控技术的体外诊断仪器往往小而便宜,由于高度集成,操作也比较简易。但是,相对机械手臂式的仪器而言,单个样品检测成本可能会较高。这两种仪器将会在我国分级诊断中扮演着自己的角色,充分发挥各自的优势,活跃在不同的应用场景。样本量很大的地方就使用机械手臂式的大仪器,样本量小的地方使用基于微流控系统的小仪器,想做到POCT的话也还是需要使用基于微流控的sample-to-answer的便携式仪器。而另一方面,随着微流控技术的发展,高通量的单样本多指标甚至多样本多指标式的微流控检测系统也会慢慢出现。如果微流控系统的样品检测成本能持平于甚至低于机械手臂式的仪器的检测成本,那么,相比于机械手臂式的仪器而言,微流控技术将会逐渐更具优势。最后,体外诊断的仪器,要做到POCT级别,目前以笔者的视角来看,基本只能依靠微流控。

 

作者简介:汤明辉,香港中文大学电子工程系微流控方向博士。博士期间以离心微流控平台为载体,主要研究基于微流控的全自动化体外诊断仪器设备。研究重点集中在基于微流控的分子诊断,药物敏感性试验以及免疫诊断系统。作者知乎账号:汤明辉,微信号:tmh289460137。欢迎一起讨论交流。

 

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