基于科學論文和專利信息的基因測序技術領域創新態勢分析

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自1990年人類基因組計劃啟動以來，基因測序技術發展更加迅速，已經在基礎研究、技術研發和臨床實踐中也得到了廣泛的應用。20世紀70年代至今，基因測序技術經歷了4代的發展：第一代是英國生物化學家Sanger的脫氧鏈終止法(1975年，首次完整的基因組測序，人類基因組計劃得以開展的關鍵)，第二代基于焦磷酸的高通量測序法(1996年，目前普遍應用的測序技術)，第三代為單分子DNA測序法(已較為成熟)，第四代納米孔測序法(嶄露頭角)[1]。基因測序技術作為人類探索生命奧秘的重要手段之一，對生命科學和生物醫學等領域的發展起到了巨大的推動作用。2015年美國啟動的“精準醫療計劃”引來了世界范圍內的精準醫療熱潮，而作為精準醫療的關鍵，基因測序技術成為了美國、英國、法國等發達國家的精準醫療部署的入口。

2014年美國國立衛生研究院(National Institutes of Health，NIH)向開發新型測序技術的8支研究團隊資助1 450萬美元(資助時間為2-4年)，2016年美國政府向NIH提供1.3億美元資助用于“百萬人基因組計劃”，2012年英國啟動“10萬人基因組計劃”，2015年年底英國政府宣布將在未來再追加經費用于該計劃，2016年6月英國政府宣布已經完成了9 892個基因組測序工作，法國于2016年宣布啟動投資6.7億歐元的基因組和個體化醫療項目即“法國基因組醫療2025”[2]。

因此，準確把握基因測序技術的國際研究發展態勢，了解我國在該領域中的競爭格局，能夠為技術領域科研人員和政策制定者的有關決策提供參考。

1 數據來源與分析方法

科學論文是科學研究成果的重要載體和科研產出的主要形式。專利是技術創新的產物，作為一種制度，它保護并鼓勵技術的創新與發展。本文以科學論文和專利文獻為基本數據，構建創新態勢研究分析框架，利用Web of ScienceTM、ESI、Thomoson Innovation、Innography等數據庫從科學研究態勢和技術研發態勢兩方面對基因測序技術的國際研發創新態勢進行綜合定量分析。以Web of ScienceTM數據庫為數據來源，構建基因測序技術的檢索式，檢索并獲取相關論文748 381篇，文獻類型為Article、Review、Letter，檢索日期為2016年12月31日；構建單細胞測序技術檢索式，檢索并獲取相關論文3 719篇，文獻類型為Article、Review、Letter，檢索時間為2016年11月21日。

2 結果與分析

2.1 科學研究態勢

2.1.1 SCI發文量年度變化趨勢

1970年開始陸續出現基因測序技術的相關論文，發文量增長緩慢，直至1990年國際人類基因組計劃啟動，論文數量才呈明顯直線上升趨勢。我國的基因測序技術發展起步較晚，在人類基因組計劃啟動后并沒有快速發展，直至1999年我國參與“國家人類基因組計劃”后，從2002年開始，基因測序技術相關論文數量才開始出現明顯增長，如圖1所示。

2.1.2 主要國家

世界各國基因測序技術發文量及所占比例較高的前10個國家依次為美國、中國、日本、德國、英國、法國、加拿大、意大利、澳大利亞、西班牙，其中美國基因測序技術SCI發文量排名世界第一，共發表論文282 071篇，占38%，以絕對優勢領先其他國家；我國發表論文74 913篇，占10%，排名第二。

圖1 基因測序技術SCI國際發文量及中美發文量年度變化趨勢

2.1.3 ESI高被引論文

以湯森路透ESI數據庫為數據來源，經檢索獲得全球基因測序技術研究領域高被引論文5 916篇。以第一通訊作者所屬國家為標準，統計各國高被引論文貢獻情況(表1)。結果顯示，美國排名第一，高被引論文貢獻率為47.46%；我國共發表高被引論文425篇，占7.18%，排名第三。

2.1.4 科學研究熱點主題

將全球基因測序技術研究領域5 916篇ESI高被引論文的PMID導入PubMed數據庫重新檢索，并抽取最能表征這些論文研究主題的主要主題詞(MeSH Major Topic)，利用Gephi軟件對主題詞進行頻次與共現關系統計、聚類、分析，得到近5年基因測序技術領域主要的研究熱點(圖2)。

表1 各國發表的基因測序研究高被引論文

圖2 基因測序技術的研究熱點主題

2.1.4.1 基因測序技術在識別和鑒定HIV病毒和胃腸道菌群中的應用

1號論文簇主要出現了病毒、細菌、古生菌、HIV、胃腸道、宏基因組、16S核糖體RNA、大腸桿菌等高頻主題詞。腸道中與人體共生或寄生的微生物如細菌、原生動物、病毒等可被稱為人類的“第二基因組”，但人類其的認識還遠遠不夠。現代醫學表明，腸道微生物尤其是細菌分布的平衡對人體的健康非常重要，糖尿病、哮喘、慢性腹瀉、肥胖癥、免疫力低下等常見疾病均與細菌分布平衡的失調有密切關聯。比利時魯汶大學和荷蘭格林寧根大學兩個團隊利用基因測序分別分析人類糞便中所含的腸道菌群、樣本人群宏基因組數據，找出了腸道核心微生物群，有助于判斷多種疾病。

2.1.4.2 基因編輯技術與基因測序技術的有效結合

2號論文簇主要出現了CRISPR/CAS、基因工程、基因打靶、向導RNA等高頻主題詞。基因測序是基礎，細胞測序是中層，基因編輯是最高層次。韓國首爾大學的研究人員發明了一種新型的Digenome-seq方法，通過基因組測序檢測CRISPR-Cas9在基因組中的打靶和脫靶情況[3]。2014年采用一種有效的方法構建出了一種新型的CRISPR/Cas9 sgRNA文庫。北大魏文勝團隊利用文庫功能篩查結合高通量測序分析，成功地鑒別出了對于炭疽和白喉毒素毒性至關重要的宿主基因[4]。

2.1.4.3 基因測序技術在植物全基因組中的應用

植物全基因組測序是一項非常強大而艱難的工程，它利用基因組學的方法揭示許多重要植物物種的遺傳藍圖。從基因組水平上對物種的生長、發育、進化、起源等重大問題進行研究。利用全基因組重測序有助于快速發現與植物重要性狀相關的遺傳變異，縮短分子育種的實驗周期等。近年來，植物基因組測序技術的相關研究取得了顯著成效，但只有擬南芥與水稻的基因組序列的質量水平是最高的[5]。

2.1.4.4 基因測序技術在腫瘤診療中的應用

腫瘤是當今世界死亡率最高的疾病之一，而基因測序技術的快速發展對腫瘤的早期篩查、診斷、個體化治療起著至關重要的作用。有研究表明，基因測序技術能夠更快速、高效、敏感地檢測循環游離腫瘤DNA[6]，如今的高通量測序技術可以精確檢測出BRCA2、TP53、KRAS等基因的突變，從而為患者制訂個體化的治療措施[7]；也可以通過對腫瘤高發家族的人群進行全基因組檢測，確定異常基因，從而進行早期干預治療。

2.1.4.5 基因測序技術涉及到的基礎研究、核心技術以及技術發展

單細胞測序技術是基因測序技術史上甚至是科技發展史上的一大創舉，2012年北京大學謝曉亮、白凡課題組與北大腫瘤醫院王潔團隊合作通過單細胞基因測序手段首次報道了對于癌癥病人單個外周血循環腫瘤細胞的全基因組、外顯子組測序結果，該研究對揭示癌癥轉移的分子機制具有重要意義[8]。

2.1.5 單細胞測序技術

1991年開始陸續出現單細胞測序技術的相關研究論文，之后論文數量呈緩慢增長趨勢，直至2012年，單細胞測序技術研究論文數量在全球、美國以及中國幾乎同一時間開始增長，全球和美國均呈直線增長趨勢，我國則呈現平穩增長趨勢(圖3)。

圖3 單細胞測序技術SCI國際發文量及中美發文量年度變化趨勢

2.2 技術研發態勢

2.2.1 全球專利授權數量年度變化

從Thomoson Innovation數據庫中檢索并獲得基因測序技術相關授權發明專利58 634件。1978年陸續開始有基因測序專利技術獲得授權，之后呈穩定增長趨勢，其中，2010-2013年專利授權數量增長較快，2014年達到峰值(共4 066件)，如圖4所示。

2.2.2 專利受理的國家/地區分布

專利受理的國家/地區反映了技術接受地信息、專利權人的知識產權與產品市場布局。基因測序技術領域主要有美國(30%)、中國(20%)、歐洲(10%)、澳大利亞(8%)、韓國(5%)、加拿大(5%)、日本(4%)、德國(3%)等，其中，中美已成為基因測序技術領域專利權人最重視的專利保護區及產品市場。

圖4 國家知識產權局基因測序技術的專利授權數量年度變化

2.2.3 高價值專利分布

參考Innography的專利強度指標，分析基因測序技術已授權專利的專利質量(圖5)。專利強度越高，專利的質量也越高。專利強度在0%-10%之間的專利有10 172件，占17.35%；專利強度在90%-100%的專利有1 611件，被認為是該技術領域的核心專利。

圖5 基因測序技術授權專利的專利強度分布

結果顯示，專利價值在80-100分之間的授權專利共有3 277件。其中由我國發明人發明的專利共有48件：14件來自深圳華大基因、4件來自中科院、2件來自博奧生物公司、2件來自復旦大學。深圳華大基因的高價值專利所占比例為30%。

2.2.4 技術研發熱點主題

利用Thomson Innovation專利數據庫的Themescape Mapping對近5年授權的基因測序專利文獻進行可視化聚類分析，制成專利地圖(圖6)，呈現出5個基因測序技術領域的技術研發熱點主題：引物擴增、分子標記等基因測序技術的關鍵核心技術，氨基酸測序，植物轉基因、基因組測序，免疫庫組測序，腫瘤診療。

2.2.5 我國授權的基因測序技術相關專利

2.2.5.1 專利授權數量呈爆發式增長

在中國國家知識產權局的專利檢索平臺通過檢索、人工判讀的方式獲得我國已授權的基因測序技術相關專利1 325件。2002年國家知識產權局開始有基因測序技術專利授權，之后專利授權數量緩慢增長，直至2012年專利授權數量呈爆發增長趨勢(2012年、2013年、2015年、2016年分別為136件、196件、218件、259件)，2014年達到峰值(267件)。

圖6近5年基因測序技術授權專利的技術研發熱點主題

2.2.5.2 我國本土專利授權量最高

2002年以來，全球共有15個國家向我國國家知識產權局提交基因測序技術相關專利申請，并獲得授權(共1 325件)。統計分析各個國家專利授權數量及其所占比例(表2)，我國授權的專利主要來自于中國、美國、荷蘭的發明。中國本土的專利授權量為1 240件，占授權總量的93.66%。

表2 基因測序專利技術主要研發國家

2.2.5.3 生物科技公司領軍研發主體

統計2002年以來國家知識產權局授權的我國基因測序技術領域相關專利技術的主要研發機構，專利授權數量在10件及以上的研發機構有18個(表3)。

表3 基因測序專利技術國內主要研發機構

其中有3家生物科技公司，包括廣州益善生物技術有限公司(第一)、深圳華大基因科技有限公司(第三)、北京中科紫鑫科技有限責任公司(第五)，均位于授權數量排名前5位。這3家公司的專利授權數量占18個研發機構授權總量的39%。其次是科研院所和高校，如中科院、農科院、華中農業大學、上海交通大學、東南大學等。

3 結論

1990年國際人類基因組計劃啟動以來，全球、美國的基因測序技術相關研究論文數量呈明顯直線上升趨勢。1999年我國參與“國家人類基因組計劃”，從2002年開始，我國基因測序技術相關科學論文數量開始出現明顯增長趨勢。

1978年陸續開始有基因測序專利技術獲得授權，之后呈穩定增長趨勢，2010-2013年專利授權數量增長較快。我國國家知識產權局2002年開始有基因測序技術專利授權，之后專利授權數量緩慢增長，直至2012年專利授權數量開始呈爆發增長趨勢。

從世界范圍內看，我國基因測序技術的科學研究和技術研發已處于較為領先的水平，僅次于美國。基因測序技術領域SCI論文數量全球排名第二、高被引論文貢獻率世界排名第三；專利申請受理國排名第二，成為繼美國之后，專利權人最重視的專利保護區及產品市場。

基因測序技術的科學研究和技術研發主題主要集中在腫瘤診療、植物基因組測序、HIV病毒和胃腸道菌群的鑒別、免疫庫組測序等方面。

2012年北大謝曉亮團隊發明的單細胞基因組擴增新技術(MALBAC)使單細胞精準測序變得可能，從而極大推動了單細胞測序，甚至是基因測序領域的科學研究和技術研發進展。2012年以來，單細胞測序技術的SCI論文數量在全球、美國以及中國幾乎同時開始增長。同樣，2012年以來，基因測序專利技術的國際授權量和國內授權量也幾乎在同一時間呈現爆發增長趨勢。

生物科技公司是我國基因測序技術的領軍研發主體。從SCI論文發表數量和專利授權數量來看，深圳華大基因是我國SCI論文發表數量排名前10的研究機構中唯一的一家企業，也是基因測序技術領域國內唯一的一家入圍ESI高被引論文的企業，在單細胞測序領域也貢獻了2篇論文。同樣，深圳華大基因的基因測序相關授權專利的專利質量也較高，在美國專利局獲得5件授權專利，在我國國家知識產權局獲得101件授權專利(其中含盛司潼的22件授權專利)。深圳華大基因自成立以來所獲得的成果，奠定了我國在基因組學研究領域中的國際領先地位。另外，廣州益善生物技術有限公司和北京中科紫鑫科技有限責任公司也是國內基因測序技術的主要研發企業。

基因測序技術的發展以及最終目的在于臨床應用，高校和科研機構的技術研發要與臨床醫院的臨床實驗緊密合作，推動轉化醫學的快速發展。北大的生物動態光學成像中心與其附屬第三醫院、腫瘤醫院的合作，獲得了顯著的研究成果。中國醫學科學院有自身獨特的優勢，協和醫院、阜外醫院、腫瘤醫院擁有國內一流的臨床醫療水平，應該充分發揮優勢，建立機制，鼓勵研究所與臨床醫院進行充分合作。