行研报告连载(一)丨单细胞技术所处环境如何?


【导语】单细胞技术从根本上解决异质性问题,更高分辨率描绘临床研究第二曲线。在北大张泽民教授指导下,基因慧联合多家机构发布了《单细胞行研报告》,收到近千名读者申请电子版。本文起连载报告,参与文中互动有机会免费获纸质版报告(《基因大数据智能生产及分析》行研报告合作招募进行中)。


编辑 | Shawne  审核 | Dylan
关键词 | 单细胞 行研报告

 

单细胞技术应用场景

 

△图:单细胞应用场景举例

(来源/基因慧)


目前,单细胞测序技术已经渐渐渗透诸多领域,应用于生物学各个基础研究领域。就此次新冠疫情中,单细胞测序技术被广泛用于新病毒的人体器官易感性和感染性损伤研究,以及治疗性和预防性抗体的筛选工作。


单细胞技术环境

■ 单细胞技术目前发展阶段



2017年10月“人类细胞图谱计划(Human Cell Atlas,HCA)”正式公布,致力于描述一个健康人体的所有人类细胞的参考图谱,是高通量单细胞研究产业化的里程碑。


△图:单细胞研究发展重大历程

(来源/基因慧)


我们对细胞领域的研究,从“显微观测细胞的直观形态结构”到“分析细胞的基因和蛋白表达来描述细胞特征”,从“群体细胞总体特征研究”到“单个细胞异质性研究”,从“单细胞转录组”到“单细胞多组学”再到“时间序列和空间位置信息”,单细胞分析技术的应用已经渗透到了肿瘤免疫、生殖健康和感染性疾病干预等诸多领域。10年来,基于单细胞的研究和分析技术突飞猛进


■ 单细胞技术发展趋势

单细胞测序技术未来或将往更低的成本和样品要求,更高的通量、精度、准确度和基因组覆盖度,更精简的流程和自动化,以及更多的组学联合分析(包括时空维度整合)的方向发展。


横向上,整合目前较为成熟的转录组与其他组学技术,可在同一个细胞上实现转录组、基因组、表观组、蛋白组等多组学的全面检测。此外,通过与原位捕获、荧光标记和显微切割等平台技术的结合,可实现对一块组织中所有细胞的空间属性和相互作用的测定。


纵向上,将多组学及空间组学与时序分析相结合,可实现时空维度上的单细胞多组学研究。实验技术上,珍贵的人体冻存组织样本、很难制备成高质量单细胞悬液的组织样本、或单细胞体积大小超过了设备微滴或微孔限制的样本都无法成功进行建库,主要的原因包含细胞的活性达不到上机的要求,或者部分仪器硬件参数的局限性造成了细胞捕获效率的大幅下降。


数据分析上,单细胞测序相比传统测序产生的数据量更为庞大复杂,并且测序深度还将继续提升,对数据分析的需求也会与日俱增。目前,单细胞大数据的存储、处理和挖掘方面的挑战均已成为制约单细胞领域发展的瓶颈,市场亟待标准化、自动化和智能化的单细胞分析软件的开发,目前已有一些企业在这方面取得了不错的进展。


此外,深度学习等人工智能算法也被逐渐应用到单细胞分析领域,并取得不错的成果。


 《基因大数据智能生产及分析》行研报告 

战略合作进行中


国家政策如何引领单细胞发展?

■ 政策环境

△图:我国在单细胞测序领域的重要事件例举

(来源/基因慧)


我国在单细胞研究领域的投入起步较晚。2016年,国家重点研发项目“精准医学研究”明确提出单细胞组学技术的研发以及在重大及罕见疾病临床研究和治疗中的应用。尽管如此,我国科学家仍在该领域取得了系列成绩,包括在关键技术、行业影响力及产业化中。另外,近三四年国内开始出现涌现一批拥有自主知识产权的新兴单细胞技术公司。


2020年,新冠疫情爆发并在全球蔓延,针对疫情精准快速检测及有效抗体疫苗的快速研发迫在眉睫,而单细胞技术就在此次疫情中体现了其在面对流行性疾病等重大公共安全事件时所具有的特殊作用。


△图:近10年NSFC对单细胞技术投入项目数及金额
注:2013年数据偏高源于3个约9000万总额项目
(来源/基因慧)

截止目前,我国国家自然科学基金(NSFC)累计投入单细胞领域约4亿元人民币,重点用于技术研发及肿瘤、生殖、循环系统领域的临床转化应用。基于创新驱动的科技新兴产业将是经济增长的持续动力,单细胞技术作为生物技术领域前沿的方向之一,需要获得更多政策支持和科研基金投入。


单细胞行业目前环境


■ 市场环境

从单细胞市场发展阶段看,单细胞科研服务属于相对成熟市场,2019年我国自然基金批准113个相关项目,经费合计6606万元。主要竞争仍然在临床应用端,临床市场随着传统测序行业的孵化,生殖等领域处于成熟上升期,而肿瘤、免疫、神经、干细胞等其他领域均处于市场萌芽期,具有高成长潜力。此外,将单细胞技术用于制药市场,进行药物靶标筛选和验证、药效和动力学评估、适应症和伴随诊断开发等亦处于早期阶段,并拥有巨大潜力。

■ 竞争环境
竞争格局上,单细胞测序是NGS精细和深度测序的应用场景之一,也是多技术和多学科的交叉应用,目前正处于早期发展阶段,尚未形成稳定的竞争格局,与此同时,快速发展的技术和市场巨大的想象空间正持续吸引着各大企业及细分头部企业进场。

■ 市场规模
单细胞市场规模方面,根据基因慧预测,2020年全球单细胞分析市场规模估计为26.8亿美元,预计在2019至2026年以16.9%的年复合增长率增长。国内市场规模预计35亿人民币,主要影响因素为技术迭代、成本控制、研发投入和产业链的协同整合等。

目前单细胞测序应用市场处于初步阶段,以技术驱动为主。技术迭代及转化离不开研发投入及产业发展,需要相关科研基金及社会资本的支持。宏观政策的引导将起到关键的作用,除了支持研发投入之外,带动产学研协同效应也非常重要。


行业权威专家/代表的评价

北京大学 生物医学前沿创新中心研究员 张泽民教授
单细胞技术是革命性的突破,让我们第一次能够研究组织内每一个不同细胞的基因组、转录组、甚至多组学的系统研究。通过与荧光标记、显微切割等其他技术结合,单细胞技术还可以测定组织中所有细胞的空间属性和相互作用。这些技术正在或将在肿瘤、生殖、免疫等等许多生物医学领域中得到广泛的应用,引领新一波基础和临床医学的技术革命。

中山大学 肿瘤防治中心研究员 贝锦新教授
随着单细胞和多组学技术的融合发展和应用,我们将能够在更高的精度揭示肿瘤组织微环境的复杂性、细胞间相互作用、分子调控网络及其时空变化等,最终鉴定有效、低毒的肿瘤治疗靶标和方案,实现肿瘤精准治疗并提高患者生活质量。

伯豪生物 总经理 肖华胜
“从宏观到微观,从低维到高维,从平行到交叉”一直是科学领域的发展基调。近年来,以单细胞技术为代表的革命技术正源源不断地给生命科学和医学注入活力,帮助人们从更微观的细胞水平,更高维的时空角度,更交叉的组学视野来探索生命的未知,拓展医学的边界。

BD Biosciences(大中华区)生物科学业务副总裁 胡轶清
技术进步带来生命科学新发现,单细胞多组学技术的发展将会大大改变人类的科学研究以及临床应用。自1973年为世界带来第一台商用流式细胞仪以来,BD始终致力于成为流式细胞仪的领跑者及流式细胞术的领军者。

Illumina(中国)市场总监 王飚
单细胞组学技术的快速发展拓宽了我们对生命活动的理解,为疾病研究和药物开发提供了强有力的工具。以人类细胞图谱计划(HCA)为代表的单细胞研究项目正在构建人类器官的细胞全景视图,这为生命科学和医学研究开启了新时代。

厚泽生物 创始人 郑玲燕
单细胞测序技术是近几年的热门方向。为了得到更高的数据产出及质量,单细胞测序整个流程中各个步骤的质检必不可少。

百奥智汇 COO 洪涛
单细胞测序技术的最新进展为我们提供了最强有力的方法,使我们能够重新审视分子和遗传过程,为肿瘤等疾病的治疗和诊断带来新的研究视角和解决方案。


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☆ 国发改《战略性新兴产业发展展望》编委

☆ 发布数十份基因及相关行研报告

☆ 组织基因检测联盟(筹)及首届第二届会议

☆ 中国遗传学会生物产业促进委员会委员

☆ 主办数字健康私董会大湾区生命健康创新论坛

☆ 发布基因行业信息平台优脉通YourMap

☆ 参与组织发布检测报告共识、流程共识和团体标准

☆ 受邀为华西Illumina华大上海交大等报告

☆ 广东省精准医疗应用学会政策研究应用分会常务委员

☆ 广东省精准医疗应用学会遗传病分会常务委员

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