生命科學(xué)儀器現(xiàn)狀及北京支持方向建議

王郅媛1 楊鵬宇1 解 靜1 孫立桐 吳愛華

(1.北京科學(xué)儀器裝備協(xié)作服務(wù)中心，北京100035； 2.中國儀器儀表學(xué)會分析儀器分會，北京100085)

當(dāng)前，全球科技競爭日趨激烈，生命科學(xué)技術(shù)在解決人類面臨的環(huán)境、資源、健康等重大問題上展現(xiàn)出廣闊前景[1]。工欲善其事，必先利其器。生命科學(xué)技術(shù)的突破，越來越依賴于作為“研究工具”的生命科學(xué)儀器的創(chuàng)新[2]。所以，國內(nèi)外對生命科學(xué)儀器的需求十分強勁。但是，生命科學(xué)技術(shù)應(yīng)用所涉及生命科學(xué)儀器有上百種，相關(guān)國產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展階段不盡相同，市場需求也大小不一。同時，多種國產(chǎn)生命科學(xué)儀器相對進(jìn)口儀器而言，技術(shù)競爭力不強，市場占有率不高[3]。因此，有必要通過調(diào)查研究來篩選出特別值得支持的生命科學(xué)儀器研發(fā)方向。

本文首先通過對生命科學(xué)儀器行業(yè)用戶、企業(yè)等進(jìn)行深入調(diào)研、訪談，獲得一手資料。然后，疏理并分析國務(wù)院及各相關(guān)部門出臺的文件，細(xì)致研究了多篇相關(guān)文獻(xiàn)，查閱分析了大量有價值的網(wǎng)絡(luò)資料。最后，根據(jù)市場需求情況、政策符合度情況、國產(chǎn)技術(shù)成熟度情況及國產(chǎn)技術(shù)研發(fā)布局情況進(jìn)行逐步分析，找出了具有支持必要性的生命科學(xué)儀器以及適合北京地區(qū)優(yōu)先支持的生命科學(xué)儀器研發(fā)類別。

1 生命科學(xué)儀器的分類及功能

生命科學(xué)以生物學(xué)為基礎(chǔ)和主體, 包括了生物學(xué)的各個領(lǐng)域，其以分子生物學(xué)為核心，同時還包括以細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、植物學(xué)、動物學(xué)和臨床檢驗為基礎(chǔ)的農(nóng)學(xué)、林學(xué)、醫(yī)學(xué)等應(yīng)用學(xué)科。所謂的生命科學(xué)儀器顧名思義就是生命科學(xué)領(lǐng)域中使用的儀器[4]。

根據(jù)儀器原理、主要功能等不同維度可將生命科學(xué)儀器分為不同類別。但通過統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，在不同的生命科學(xué)學(xué)科中使用的儀器有較大區(qū)別，為了能更清楚的表述不同儀器在生命科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用功能，本文據(jù)此將生命科學(xué)儀器大體分為7類，分別為：分子生物學(xué)儀器、細(xì)胞生物學(xué)儀器、微生物檢測儀器、動物生理、病理儀器、植物生理生態(tài)儀器、臨床檢測儀器、生命科學(xué)通用儀器等。

生命科學(xué)通用儀器：是指在生命科學(xué)不同學(xué)科中或其他領(lǐng)域普遍使用或通用的儀器，例如：顯微鏡、電鏡、液相色譜、液質(zhì)聯(lián)用儀、實驗室通用設(shè)備等。

2 生命科學(xué)儀器市場情況及技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 生命科學(xué)儀器市場情況及趨勢

2.1.1生命科學(xué)儀器市場情況

據(jù)美國SDi公司發(fā)布的報告，2018年全球?qū)嶒炇曳治黾吧茖W(xué)儀器行業(yè)規(guī)模達(dá)750億美元[5]，并預(yù)測2019年增長率為6%。據(jù)《化學(xué)與工程新聞》(C&EN)雜志統(tǒng)計，2018年全球TOP20儀器企業(yè)排行榜被8家美國企業(yè)、5家日本企業(yè)、3家瑞士企業(yè)、3家德國企業(yè)及1家英國企業(yè)所占據(jù)(見表1)。排名第一的賽默飛世爾科技公司(Thermo Fisher Scientific)2018年儀器業(yè)務(wù)收入高達(dá)63.33億美元。

這些大企業(yè)集團每年還在不斷通過兼并和收購的方式進(jìn)行擴張。以賽默飛世爾科技公司為例，2016年收購了全球知名的掃描電子顯微鏡制造商FEI公司和基因分析儀器制造商Affymetrix公司，2017年初又收購了流程系統(tǒng)制造商Finesse Solutions公司，之后又宣布收購了荷蘭桌面掃描電子顯微鏡制造商Phenom-World公司。

表1 2018年全球TOP20儀器企業(yè)

2.1.2生命科學(xué)儀器市場走向

有關(guān)媒體報道，全球生命科學(xué)儀器市場將以6%的速度增長。近年生物產(chǎn)業(yè)在我國作為七個戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，成為政策與資金關(guān)注的焦點，其已步入快速發(fā)展期。近幾年，全球分子診斷市場發(fā)展速度達(dá)到10%以上，而中國分子診斷市場增速超過20%。而另一個生命科學(xué)熱點中，以轉(zhuǎn)基因技術(shù)為核心的生物育種更是我國生物農(nóng)業(yè)發(fā)展的龍頭。

生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然為生命科學(xué)領(lǐng)域重要工具——生命科學(xué)儀器帶來巨大的市場機會。國家支持力度加大以及生物產(chǎn)業(yè)本身蓬勃發(fā)展帶來的巨大采購需求，使得中國市場是生命科學(xué)儀器最強大的驅(qū)動力。

2.2 生命科學(xué)儀器技術(shù)發(fā)展趨勢

2.2.1生命科學(xué)儀器技術(shù)向操作簡單方向發(fā)展

隨著樣品越來越復(fù)雜，簡單的解決方案顯得越來越重要。因此供應(yīng)商更注重儀器的簡單、便捷，以使研究者可以更快的學(xué)會使用這些設(shè)備。科研儀器的功能在增加，但是用戶經(jīng)常沒有時間去查看用戶手冊。因此，儀器的系統(tǒng)軟件及控制面板需要更智能、更直觀，以使用戶在5分鐘之內(nèi)可以掌握儀器90%的使用功能。

2.2.2生命科學(xué)儀器技術(shù)向快速、靈敏、準(zhǔn)確方向發(fā)展

生命科學(xué)分析其中的一個挑戰(zhàn)是：小分子可以被精確的表征，但是生物大分子會有自然變異并且會隨著細(xì)胞環(huán)境的變化而出現(xiàn)差異，造成生命科學(xué)研究者的樣品不僅量少且復(fù)雜。這就要求分析檢測儀器快速、靈敏、準(zhǔn)確。除此之外對樣品前處理的技術(shù)要求更加快速高效。

2.2.3生命科學(xué)儀器技術(shù)向著高通量發(fā)展

隨著樣品量的增加以及從一個樣品中需要得到信息量的增加，生命科學(xué)研究者的工作量也在不斷增加。這要求生命科學(xué)儀器技術(shù)朝著高通量發(fā)展。以蛋白組學(xué)研究為例，蛋白質(zhì)被分離后，接下來的挑戰(zhàn)是將數(shù)百、數(shù)千個蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定。傳統(tǒng)的鑒定方法耗時、耗力，高通量篩選是使用者重點關(guān)注的方向。

2.2.4生命科學(xué)儀器技術(shù)向高自動化、小型化、集成化發(fā)展

隨著樣品量的增加，用戶更喜歡自動化程度高的平臺，因為高自動化水平代表了高通量且自動化水平的提高可以提高數(shù)據(jù)的精度和重現(xiàn)性。自動化、集成化程度高的專用平臺將硬件、軟件和試劑集成為一個綜合、一鍵式分析系統(tǒng)，可將原先需要幾天的工作在幾分鐘內(nèi)完成。

3 有支持必要性的生命科學(xué)儀器

3.1 較大市場需求的生命科學(xué)儀器

據(jù)統(tǒng)計，2012年國內(nèi)市場生命科學(xué)儀器年銷售額在0.5億元以上的儀器約16種(不包括生命科學(xué)通用儀器)，其中銷售額最高的為PCR儀，約12.2億元，其主要應(yīng)用基因擴增，其他種類生命科學(xué)儀器的市場銷售額如圖1所示。

圖1 銷售額在0.5億元以上的生命科學(xué)儀器

3.2 有重大應(yīng)用價值且依賴進(jìn)口的生命科學(xué)儀器

在通用的科學(xué)儀器中，有些儀器在生命科學(xué)領(lǐng)域有重大應(yīng)用價值且長期依賴進(jìn)口。如應(yīng)用在細(xì)胞生物學(xué)的科學(xué)儀器，例如：熒光顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、激光共聚焦顯微鏡等；在代謝組學(xué)研究中經(jīng)常用到的核磁共振波譜儀；在蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)用到的基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜儀、毛細(xì)管電泳質(zhì)譜聯(lián)用儀、全二維色譜飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜電噴霧四極桿飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀；基因組學(xué)中用到的基因測序儀等。

4 國家重要戰(zhàn)略和北京地區(qū)生命科學(xué)儀器發(fā)展基礎(chǔ)

4.1 國家重要戰(zhàn)略對生命科學(xué)儀器的需求

為加快推進(jìn)生物技術(shù)與生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，科技部特編制了《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項規(guī)劃》，其中布置了重點突破的若干前沿關(guān)鍵技術(shù)[6]。

在顛覆性技術(shù)方面，發(fā)展新一代生物檢測技術(shù)，包括：新一代基因測序技術(shù)；單細(xì)胞分離、基因組擴增、轉(zhuǎn)錄組擴增和單細(xì)胞基因組分析技術(shù)；蛋白質(zhì)測序技術(shù)、新型質(zhì)譜等技術(shù)；把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的微流控芯片技術(shù)等。這些都是具有支持必要性的生命科學(xué)儀器。

4.2 北京地區(qū)生命科學(xué)儀器發(fā)展基礎(chǔ)

4.2.1北京政策對生命科學(xué)儀器的支持

北京市出臺的對科技創(chuàng)新項目的相關(guān)支持政策中，明確將“生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)”及“重大疾病科技攻關(guān)”列入十二重大專項中。生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)及重大疾病科技攻關(guān)離不開生命科學(xué)儀器的支持，其中分子生物學(xué)儀器、細(xì)胞生物學(xué)儀器等發(fā)揮著重大的支撐作用。例如，我國“世界首例利用高通量測序技術(shù)同時避免單基因遺傳病和染色體病的試管嬰兒誕生”項目，就應(yīng)用了分子生物學(xué)中的基因測序技術(shù)。

4.2.2我國相關(guān)地區(qū)生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)

從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，我國生命科學(xué)儀器制造與國外相比還有較大距離。但與其他省份相比，北京地區(qū)在生命科學(xué)儀器制造方面具有較為堅實的基礎(chǔ)，是國內(nèi)主要的生命科學(xué)儀器制造企業(yè)的聚集地(見表2)。

表2 我國主要生命科學(xué)儀器制造商

續(xù)表2

5 生命科學(xué)儀器研發(fā)方向的建議

5.1 關(guān)于未來優(yōu)先推動生命科學(xué)儀器研發(fā)方向的建議

如前所述，在國家重要戰(zhàn)略、技術(shù)發(fā)展趨勢、生命科學(xué)行業(yè)需求、國產(chǎn)技術(shù)成熟度、北京市政策支持等方面進(jìn)行綜合分析，總結(jié)未來應(yīng)優(yōu)先支持的生命科學(xué)儀器技術(shù)，如下：

一是蛋白質(zhì)測序技術(shù)、微流控芯片技術(shù)等；

二是PCR(包括梯度PCR、反轉(zhuǎn)錄PCR、實時熒光定量PCR、數(shù)字PCR等)、基因芯片(包括微陣列芯片)及其鑒定系統(tǒng)、分子雜交儀(特別是原位熒光雜交技術(shù))、基因測序儀(包括二代測序儀及三代單分子測序儀等)、凝膠成像系統(tǒng)及其他高分辨高通量成像系統(tǒng)、核酸提取純化系統(tǒng)、流式細(xì)胞儀(包括圖像流式系統(tǒng))、微生物自動鑒定系統(tǒng)、生物分子純化系統(tǒng)(例如制備液相、離子交換色譜儀、凝膠過濾層析柱、親和色譜儀)等；

三是熒光顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、激光共聚焦顯微鏡等；

四是質(zhì)譜技術(shù)，包括：基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜儀、毛細(xì)管電泳質(zhì)譜聯(lián)用儀、全二維色譜飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀、液相色譜電噴霧四極桿飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用儀等。

5.2 關(guān)于推動生命科學(xué)儀器研發(fā)相關(guān)舉措的建議

一是建議謹(jǐn)慎考慮企業(yè)轉(zhuǎn)型的培育項目。有些企業(yè)因為轉(zhuǎn)型，希望依靠某一款新型產(chǎn)品進(jìn)入新的行業(yè)或領(lǐng)域，此類項目需謹(jǐn)慎考慮。因為作為初入者，該企業(yè)在生命科學(xué)領(lǐng)域并沒有優(yōu)勢。如果后期不理想，該企業(yè)很有可能放棄該方向。

二是通用生命科學(xué)儀器的培育項目要考慮軟件方面的配套。專用于某一領(lǐng)域或行業(yè)的科學(xué)儀器是很少的，大部分都是通用儀器，例如質(zhì)譜儀器。質(zhì)譜技術(shù)在生命科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，除了設(shè)備技術(shù)和硬件之外，還要匹配相應(yīng)的軟件。沒有軟件方面的配套，儀器在生命科學(xué)研究的應(yīng)用會大打折扣。