微生物检测:NGS和质谱为行业变革带来契机

微生物检测主要用于辅助诊断，百亿级市场市场空间，潜力很大

你可能知道，“抗生素滥用”在中国很普遍。改变这个现状就要靠微生物检测。2011年卫生部颁布了史上最苛刻的《抗菌药物临床管理办法》，把微生物检测的地位提到了前所未有的高度。

微生物检测属于IVD的一个细分领域，是对感染性疾病的病原体或代谢物进行检测分析，在临床上通常用于辅助诊断，判断感染类型、指导用药，鉴定环节越准确，诊断结果和治疗方案选择越恰当。如果没有微生物检测，医生倾向于过度用药，或重复试药，可能导致微生物耐药性或病情延误。

华大基因的一位从业人员认为，临床微生物检测的市场空间达到400亿元。2015年，全球范围内微生物检测占IVD行业份额为18%，在众多细分领域中仅次于POCT，临床对于微生物检测的需求日趋增长。

我国医疗机构常规临床微生物检测项目有7类，152项，主要包括八大类：真菌、放线菌、螺旋体、细菌、立克次氏体、衣原体、病毒和支原体。其中细菌检测81项，占比为52.5%。

传统微生物检测方法在检测时间、可检测的微生物数量、灵敏度等方面存在很多不足

目前，微生物实验室使用的检测产品大部分以传统方法为基础。传统检测方法分为染色法、培养法、非培养法三种。目前常用的方法为生化原理检测，先判断革兰式阴性还是阳性，再根据形态、酶反应、显色等不同方法，将具体微生物种类鉴定出来。

染色法、培养法是基于传统的涂片镜检，在显微镜下观察变化。培养法的技术是微生物培养、鉴定和药敏检测，也是微生物检测技术中最为重要和成熟的部分。而非培养法是基于酶生化反应，利用微生物繁殖过程中产生的特异性酶与一显色底物发生显色反应而实现检测，主要适用于细菌性阴道病检测。

对于绝大多数的微生物检测有一个绕不开的环节，那就是标本处理和培养。需要首先对样本进行预处理，根据涂片染色的结果选择合适的培养基分离培养。然后根据菌落特点，选择适当的生化反应或者自动仪器鉴定。药敏检测则采用纸片法或直接上自动化仪器分析。

只有通过培养得到的各类致病菌，也就是阳性标本，才会做进一步的鉴定和药敏检测。在欧美细菌培养的阳性率在35%左右；根据《中国体外诊断产业发展蓝皮书2015年》发布数据，我国阳性率比较低，只有20%-30%。

总结下来，传统微生物检测方法有三个方面的问题。一个是样品培养导致检测时间长，传统生物检测时间短到几小时，长到几天都有可能。二是鉴定出来的种类有限，准确度一般。上面已经说过的细菌培养阳性率很低，而且可培养的细菌数量只占病原微生物很小的比例。第三是流程较复杂，离不开人工干预，尤其是样本处理和培养阶段很难用自动化仪器取代。

基于NGS和质谱的微生物检测技术为行业变革带来契机

基于NGS与质谱技术的微生物检测数据分析方法具有无需预先培养样本、灵敏度高、能够检测未知的微生物的特点，为疾病防控和生物食品安全提供了新的解决方案。

二者有几个明显优势：1、速度快，例如质谱的检测时间以分钟计，可实现高通量检测。2、省去样品培养环节，无法培养的微生物也可以检测。目前最多均可检测多达2000余种病原微生物，远高于传统的152种。 3、试剂耗材相对传统使用较少，成本主要是测序仪、质谱仪设备投入。

不管是NGS还是临床质谱检测，临床应用的探索与开发仅有十年左右。NGS龙头Illumina于2010年推出Hiseq2000 奠定其行业领先地位，同年NIPT开始初步应用于临床，至今NIPT仍然是NGS最成熟的商业化应用。而在临床质谱领域，目前全球应用相对成熟的微生物鉴定，从开发至今也不到十年。

NGS和质谱的临床应用均未被完全开发，未来仍有较强的平台延展性。基因检测通过对疾病的本质与起源进行检测分析，获得最精确的诊断结果和最合适的治疗方案，临床上可以用于妇幼、肿瘤、遗传病等多个领域。而质谱可以直接对体内各种物质及其代谢产物进行定量检测，全程对疾病的诊断、治疗、预后进行监测，目前已经应用于妇幼、感染、遗传病等领域。基因测序需要通过大数据分析获得结果和疾病的相关性，而质谱需要的则是不断完善数据库，以提高检测结果的准确性。

目前国内仅梅里埃和BD两家外企，及北京毅新博创的微生物质谱获得CFDA认可。虽然外企大范围市场推广时间较短（约2-3年），市场总装机量不超过400台，但是根据2016年检验医学网的数据，2015年在细菌鉴定和药敏检测中，梅里埃的质谱仪已达到了2%的市占率，增长迅速。总体来看占据主导地位的还是梅里埃和西门子的传统检测系统，目前合并统计后生物梅里埃在细菌鉴定和药敏检测中市占率高达61.1%，西门子紧随其后为26.7%。

质谱技术在临床微生物菌种鉴定领域的应用，除了技术本身，更重要的是依赖于质谱菌种鉴定数据库。因此，数据库中图谱的质量、数量都将直接影响鉴定的成功率与准确率。由于病原微生物分布流行情况不同，实验室在原有数据库基础上可补充建立本地病原微生物的质谱指纹图谱库，提高鉴定成功率。

目前梅里埃和BD的产品均可以鉴定2000多种微生物，安图生物在微生物检测领域积累20多年，已开发出具有自主知识产权的中国本土化微生物菌株数据库，可鉴定超过1500种微生物。

反观NGS在微生物领域额应用，目前全球还没有相关领域的注册试剂获批。国外是通过LDT的方式开展。国内目前处在方法学的标准品验证阶段。由中检院负责，华大基因、博奥生物、达瑞生物和赛哲生物四家公司是第一批参与标准品验证的行业玩家。其中华大基因用自己的BGISEQ测序平台，博奥生物、达瑞生物两家用Thermo Fisher的NGS平台，赛哲生物用的是Illumina平台。

所谓标准品是行业对NGS方法学，即测序平台的验证。由中检院“出题”，构建一个由1000多种基因组成的样品“黑箱”，四家受试者在各自的平台上分析。检测准确度达到一定标准的，就把这种检测平台作为方法学的标准品，后续可以在这个平台上开发产品。毫无疑问，通过率先通过标准品验证的公司会在行业建立先发优势。

数据库是微生物NGS、质谱检测的核心壁垒

通过NGS或者质谱平台拿到序列后，面临的一个重要问题就是：选择什么数据库进行比对才能得到较好的分类鉴定结果呢？数据库中图谱的质量、数量都将直接影响鉴定的成功率与准确率。如原核的16S rDNA序列，真核的18S rDNA序列、ITS（ribosomalinternal transcribed spacer）序列等。

有两个关于人体微生物组的奠基性研究，一个是人类肠道宏基因组计划 MetaHIT，由欧盟发起，8个国家14个研究机构参与。华大基因承担了其中关键的测序与分析工作，从2008年1月1日到2012年6月30日，构建了第一个肠道微生物基因集，包含330万个基因，是近年来肠道微生物研究的里程碑。另一个是由美国国家卫生院发起的人类微生物组计划。从2008年到2013年，采集了人体各个部位共超过5000份样本进行了测序和深入的分析，绘制了人体相关的微生物图谱，并破解了3000种微生物前基因组，初步建立了人体共生微生物参考数据库。

其实针对每一类生物的主要marker序列都有相应的数据库以方便比对鉴定。如 RDP数据库（RibosomalDatabase Project）、SILVA数据库（一个包含细菌、古菌、真核rRNA基因序列的综合数据库）、Greengenes（针对细菌、古菌16S rRNA基因）数据库、  PR2（ProtistRibosomal Referencedatabase）数据库（针对真核微生物18SrRNA基因）等等。

由于病原微生物分布流行情况不同，这些公开数据库不能完全满足临床检测需求。实验室在原有数据库基础上需补充建立本地病原微生物的质谱指纹图谱库，提高鉴定成功率。

2016年初，之江生物（834839.OC）发布公告称出资 50 亿韩元，约合 2,750 万元人民币，认购韩国 ChunLab公司390,625 股新增股份,增资后之江生物持有后者 12.93%的股权。ChunLab公司拥有一个庞大的、非公开的微生物数据库。我们预测之江生物的这个布局意味着即将会在微生物检测领域有所作为，也为未来业绩增长创造了很好的先发优势。