智慧城市解决方法——蛋壳研究核酸检测行业创新报告：FOCUS 100医疗产业创新领域系列报告

FOCUS 100 医疗产业创新领域系列报告核酸检测行业创新报告前言前言2019 年末将近时，面对突如其来的 COVID-19（2019 新型冠状病毒肺炎），核酸检测被广泛提及，长时间占据医疗行业热搜榜。核酸检测作为 IVD 领域主要的的检测方式之一，利用 PCR 技术、核酸测序技术和分子杂交技术，能够快速对患者生物样本中的核酸进行检测，为感染病例确诊提供医学检验证据，为感染者赢得最佳治疗时间，降低病毒死亡率。核酸检测技术经过几十年的发展，已经形成了较为完善的技术体系，为核酸检测产品或服务奠定了技术支撑。2019 年全球核酸检测市场规模达到 85 亿美元，中国为 106 亿人民币，中国占全球市场规模的 18%，每年以超过 15%的速度实现增长，成为全球最具潜力的市场。那么，国内核酸检测行业处于什么发展阶段，未来发展如何，有哪些代表性企业以及商业模式？为了弄清上述问题，蛋壳研究院通过调研超 50 家核酸检测相关企业，对调研数据进行整理分析，撰写了核酸检测行业创新报告，试图从政策、技术、市场、资本、典型案例等维度全面解析核酸检测行业，以期为行业参与者提供较为全面的行业信息。核心观点核心观点1、qPCR 成为 COVID-19 核酸检测中应用最多的技术2、核酸扩增技术文献数量达到 7628 篇，研究范围从 PCR 扩展到 qPCR、dPCR3、2010-2019 年，共计有 1030 个核酸检测产品上市，国产占比达 89%，国产产品、进口产品的年均复合增长率分别为 13%、9%，说明核酸检测产品国产化进程加快4、过去20年，全球核酸检测技术有效专利年均复合增长率为17%，中国为36%，国内核酸检测有效专利的增长速度领跑全球5、2019 年全球核酸检测市场规模为 85 亿美元，中国为 106 亿人民币，中国占全球市场规模的 18%，中国核酸检测市场以超过 15%的年均复合增长率领跑全球6、2000-2019 年间共计有 77 家核酸检测企业完成 239 起融资，累计实现融资167.7 亿人民币，A 轮系列以后融资事件数占比达 45%，整个行业已经进入快速发展期目录一、行业定义：核酸扩增、核酸测序和分子杂交构筑核酸检测技术体系.1二、政策和指南：核酸检测是 COVID-19 诊疗方案的重要内容.5三、技术演进：核酸扩增应用最广，核酸测序应用正在增强.14四、市场潜力：2025 年潜在规模有望达到 260 亿.26五、资本热度：行业进入快速发展期，8 家企业成功 IPO.31六、典型案例：企业基于资源优势，横向、纵向延展业务布局.35图表目录图 1核酸检测相关概念关系图.1图 2PCR 基本原理示意图.2图 3NGS 测序原理示意图.3图 4分子杂交技术原理示意图.3图 5核酸检测行业市场角色关系图.4图 6核酸检测在新冠诊疗中的作用.9图 71967-2018 年核酸检测相关论文数量.14图 81999-2019 年核酸检测技术有效专利数量变化.19图 92010-2019 年核酸检测产品上市数量.22图 102010-2019 年核酸检测产品在审数量.23图 112014-2025 年全球核酸检测市场规模（亿美元）.26图 122014-2025 年中国核酸检测市场规模（亿人民币）.27图 13核酸检测行业企业图谱.27图 142019 全球和中国核酸检测市场份额分布（按检测对象分）.29图 152013-2018 年中国乙肝新发人数.29图 16核酸检测市场未来发展趋势.30图 172000-2019 年核酸检测行业投融资情况.31图 182000-2019 年核酸检测行业融资轮次分布.32图 19企业获得各轮次融资所需的平均时长（年）.33图 20核酸检测行业资本投资演变逻辑.34表 1核酸检测主要政策汇总.5表 2新冠诊疗方案政策中核酸检测相关内容.7表 3涉及核酸检测的有关指南.9表 4新冠诊疗有关临床指南或策略建议.11表 5国外核酸检测论文总被引数 TOP5.15表 6国外核酸检测论文总被引数 TOP5 相关专家简介.16表 7国内核酸检测论文总被引数 TOP5.17表 8国内核酸检测论文总被引数 TOP5 相关专家简介.18表 9国外核酸检测有效专利公开数量 TOP5 企业.20表 10国内核酸检测有效专利公开数量 TOP5 企业.21表 11COVID-19 上市产品基本情况.23表 12核酸检测企业 3 类商业模式比较.28表 138 家 IPO 公司基本信息.321一一、行业定义行业定义：核酸扩增核酸扩增、核酸测序和分子杂交构筑核酸检核酸测序和分子杂交构筑核酸检测技术体系测技术体系1.11.1 概念概念在我国的体外诊断试剂（IVD）分类中，第三类产品下属分类第一项就是“与致病性病原体抗原、抗体以及核酸等检测相关的试剂”。核酸检测与抗体检测、抗原检测是病原体检测的核酸检测与抗体检测、抗原检测是病原体检测的 3 种种主要主要方式方式。核酸检测主要是检测样本中的病原体核酸序列；抗原检测是直接对病原体的表面抗原进行检测；而抗体检测则是检查人体免疫系统是否生产出针对特定病原体的特异性抗体。由于由于病原体病原体进入机体到机体产生进入机体到机体产生特异性抗体需要一段时间特异性抗体需要一段时间(窗口期窗口期)，因此抗体检测时间，因此抗体检测时间往往往往滞后于核酸检测滞后于核酸检测；抗原检测抗原检测虽虽然速度较快然速度较快，但灵敏度低于核酸检测，更容易出现漏检，但灵敏度低于核酸检测，更容易出现漏检。病原体病原体核酸检测核酸检测使用 PCR 技术、核酸测序技术、分子杂交技术等核酸检测手段，对患者样品中的核酸进行检测和分析，从而判断患者的感染情况。病原体检测是目前临床上核酸检测应用最广的领域。除病原体检测外，核酸检测还被用于肿瘤基因检测、遗传病检测、产前筛查等多个领域。按照技术手段不同，核酸检测可以通过 PCRPCR 技术技术、基因测序技术和分子杂交技术、基因测序技术和分子杂交技术等实现。图 1 核酸检测相关概念关系图数据来源：蛋壳研究院（1 1）PCRPCR 技术技术PCRPCR 技术技术（Polymerase Chain Reaction,聚合酶链式反应）是目前最常用的 DNA 扩增手段，通过变性-退火-延伸三个基本反应步骤的不断循环，将目标片段以指数速度扩增。变性是通过升温将双链的 DNA 加热后解离为单链 DNA，以做为复制的模板；退火是将温度降至 55左右，使得引物与模板 DNA 单链之间的互补序列能够配对结合；延伸是在 DNA 聚合酶的最适温度下，按碱基互补配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板 DNA 链互补的 DNA 单链。每完成一个循环，样品中的目标序列就会被扩增一倍。因此在数个循环之后，目标片段的数量将呈现指数级增长。PCR 主要包括终点终点 PCRPCR、RT-PCRRT-PCR：qPCRqPCR、dPCRdPCR 等。2图 2 PCR 基本原理示意图数据来源：蛋壳研究院终点终点 PCRPCR，或称常规，或称常规 PCRPCR：使用者只在 PCR 反应结束之后，才通过凝胶电泳、毛细管电泳等方法对产物进行检测。终点 PCR 本身不容易精确定量，因此，临床上少用于检测临床上少用于检测，常用于目标片段的快速扩增常用于目标片段的快速扩增。凝胶电泳凝胶电泳：利用不同大小和构型的 DNA 分子在电场中的移动速度不同，对不同大小的特定 DNA 片段进行分离。毛细管电泳毛细管电泳：是一类以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力的新型液相分离技术，应用此技术可以实现微量 DNA 片段的分离。RT-PCRRT-PCR（reversereverse trascription-PCRtrascription-PCR，反转录，反转录 PCRPCR）：）：RT-PCR 是将 RNA 的反转录（RT）与 PCR 相结合的技术。RNA 首先通过反转录酶的作用，合成互补序列的单链 cDNA，再通过 PCR 的方式，将单链 DNA 扩增成双链的 cDNA。由于 RNA 酶的广泛存在和单链 RNA 自身结构的不稳定性，通常通过 RT-PCR 先将 RNA 反转录成相应的 cDNA 再进行后续的检测工作。RT-PCRRT-PCR 目前广泛应用于针对目前广泛应用于针对 RNARNA 病毒的核酸检测过程中。病毒的核酸检测过程中。qPCRqPCR（Real-timeReal-time q quantitativeuantitative PCR,PCR,实时实时荧光荧光定量定量 PCRPCR）：qPCR 通过在反应中添加插入性染料或荧光探针，实时监控 PCR 过程中的荧光强度，根据反应体系达到特定荧光强度循环数的不同，比较不同样品之间的拷贝数水平，达到定量的目的。与使用标准品制作的标准曲线进行比对，还可以对样品进行精确定量。qPCRqPCR 具有很高的敏感性和特异具有很高的敏感性和特异性，性，也是目前临床上也是目前临床上最常用的最常用的 PCRPCR 技术。技术。dPCRdPCR（digital PCR,数字 PCR），或称或称 ddPCRddPCR（droplet digital PCR，微滴式数字 PCR）：dPCR 中，样品被划分为多个极小的液滴分别进行 PCR 反应，每个反应中初始最多只含有一个模板，然后通过计数正负反应来确定初始样品中模板分子的数量。因此 d dPCRPCR 本本身身就可以完成就可以完成绝对定量绝对定量，常用于需要精确定量的检测工作，常用于需要精确定量的检测工作。（2 2）核酸测序技术）核酸测序技术核酸测序是对核酸碱基序列进行核酸测序是对核酸碱基序列进行序列测定序列测定的技术的技术。核酸测序技术主要包括 SangerSanger 测序测序（第第一代测序），一代测序），NGSNGS（二代测序）（二代测序）、三代测序等、三代测序等。Sanger 测序一次只能获得一条长度在 7001000 个碱基的序列，无法满足现代科学发展对生物基因序列获取的迫切需求。NGS 解决了一代测序一次只能测定一条序列的限制，一次运行即可同时得到几十万到几百万条核酸分子的序列，但其获得单条序列长度很短。第三代测序技术也称为单分子测序技术，该技术在保证测序通量的基础上，对单条长序列进行从头测序，能够直接得到长度在数万个碱基的核酸序列信息。NGS 测序主要通过构建测序文库、通过测序流动槽、桥式 PCR 扩增与变性、测序 4 个步骤完成。构建测序文库：把 DNA 分子用超声波打断成一堆在一定长度范围内的小 DNA 片段。3通过测序流动槽：文库中的 DNA 在通过流动槽时会随机附着在表面的槽道（称为 lane）上。每个流动槽有 8 个 lane，每个 lane 的表面都附有很多很多的接头，这些接头能和建库过程中加在 DNA 片段两端的接头相互配对。桥式 PCR 扩增与变性：桥式 PCR 以流动槽表面所固定的序列为模板，经过不断的扩增和变性循环，最终每个 DNA 片段都将在各自的位置上集中成束，实现将单一碱基的信号强度进行放大，以达到测序所需的信号要求。测序：向反应体系中同时添加 DNA 聚合酶、接头引物和带有碱基特异荧光标记的 dNTP，同时在 dNTP 被添加到合成链上后，所有未使用的游离 dNTP 和 DNA 聚合酶会被洗脱掉。接着，再加入激发荧光所需的缓冲液，用激光激发荧光信号并由光学设备完成荧光信号的记录，最后利用计算机分析将光学信号转化为测序碱基。图 3 NGS 测序原理示意图数据来源：Illumina 官网（3 3）分子杂交技术）分子杂交技术分子杂交是指具有互补序列的两条核酸单链在一定条件下按碱基配对原则形成双链的过分子杂交是指具有互补序列的两条核酸单链在一定条件下按碱基配对原则形成双链的过程程。不同来源的核酸单链只要彼此之间有一定程度的互补顺序（即某种程度的同源性）就可以形成杂交双链。分子杂交需要经过变性、退火杂交两个步骤。变性与 PCR 技术的原理相同；在退火降温后，单链 DNA 与互补序列结合形成带有标记物的杂化双联，随后通过检测样品