【生資無價系列專題】- 次世代基因定序將「再」一次進入春秋戰國時代 (2/2)

20 min readSep 7, 2022

此篇是將介紹次世代基因定序的第二次春秋戰國時代，若對前一次的春秋戰國戰況有興趣的可以參考：

【生資無價系列專題】- 次世代基因定序將「再」一次進入春秋戰國時代 (1/2)

春秋戰國（公元前770年－公元前221年）是中國歷史上的一段大分裂時期，也是人才輩出、學術風氣活躍的時代。西周時期，周天子保有著天下共主的威權，然而在平王東遷後，為東周開始，但周室卻開始衰微，各地諸候群雄並起。各種政治上改革及變法連接不斷，…

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第二次的春秋戰國時代

今年初 Illumina CEO Francis deSouza 在 JP Morgan Healthcare 年會中提到他們可以達到更快、更正確而且少於 $100 美元的全基因體解決方案 [14]。奇怪，為什麼他在相同的場合又重覆 2019 年的梗呢？不是可以一直延用相同的策略壟斷市場即可，為什麼要再重新聲明一次呢？

原因是 Illumina 應該也感受到來自競爭對手的壓力了，今年二月華大智造(MGI)在 AGBT conference 上宣告可以提供 $100 genome sequencing [17]；今年五月 Singular Genomics 在 Nasdaq 上市募了 $258 M 美元，並宣告其新機型 G4 即將上市 [15]；隔沒幾天，另一家 Ultima Genomics 成功募得 $600 M 美元要推出 $100 美元的基因體定序 [16]。還有，Element Biosciences CEO Molly 也說他們新的桌上型定序儀 AVITI [18] 可以一次上機可以產生 3 個人的基因體資料，而且只需要 $560 USD [19]，換算起來不到 $200 美元，距離百元基因體的時代己不遠了。以上我尊稱他們為新一代的「春秋五霸」，才會稱今年開始準備再進入第二次的春秋戰國時代，以下附上幾段他們的新品宣傳片供大家參考。

因為目前看來還在保密防諜（爾虞我詐）階段，能收集到的資訊有限，所以我能試著從以下四個面向來分析：

公司簡介

次世代定序領導廠商 Illumina 的股價從去年的高點 517 一路跌到 200 左右，當然，所有 Nasdaq 的科技類股也都跌得很慘。只是 Illumina 目前的市值也還有 300 多億美元，更不用說他的員工數應該早己破萬才是。新起之秀有華大智造募了10億美金且準備上大陸的科創板再募一筆，而 Singular Genomics 也己在去年就在 Nasdaq 上市，只是股價從 22 塊一路跌到 2.55 元左右，相信等他們的 G4 開始在市場上鋪貨後，股價就會上漲了（如果量產沒問題的話）。更不用說另外兩家非常有潛力 Ultima Genomics 和 Element Biosciences 了，他們也都在市場上募到足夠打這場仗的彈藥，相信大家都值得期待他們接下來的產品。

定序儀規格

Note：圖八列出各定序儀公司的產品規格，但目前仍缺很多數據，所以若大家有進一步的數據，麻煩提供給我，我會再更新到圖表中，謝謝。

因為 Illumina 己經是第一代的霸主，擁有相當完整的產品線，大通量強調低定序成本，小通量強調上機時間，中通量再強調其平台的彈性，所以其它競爭者怎麼有機會去挑戰它呢？在此統整出我觀察到的三大機會：

耗材成本
上機時間
資料正確性

百元基因體是眾所期待的產品，但由圖六可以看出一個全基因體的費用一直沒有明顯的下降，所以其它挑戰者才有機會，而市場也給他們機會。當然，Illumina 也可以什麼都不用做，只要直接降價來保有市占率。然而，這一定會影響其營收及獲力能力，所以 Illumina 才會啟動 Chemistry X 專案積極地突破現有的困境 [14]。因此，其它挑戰者得提出更具市場吸引力的功能才行，而「上機時間」是臨床上最重視的一項指標，也是華大智造推出只需 3.5 小時的 DNBSEQ-E5 會立刻吸引大家的目光。高通量的機型在臨床使用場景可能比較不合適，因為要湊齊樣本一起上機才不會浪費，但湊樣本就會延誤到臨床即時性的需求。還有另一項指標，就是「定序資料的正確性」，大家習慣用 Q30 來評比，只是己經習慣了 Illumina 的正確性，新進的挑戰者只要別差太多，就不會扣分，但若比 Illumina 好呢？相信也不會加太多分才是，因為後續分析流程都己能處理這些雜訊了，所以市場主要還是取決於前兩項因素。不過，以上只是我的看法，歡迎大家給我回饋，可以用更多的面向來一起看這個盛世。

實戰數據

目前尚未有公正的第三方來做各平台的比較，我也不覺得 PrecisionFDA 會為此特地設計一個比賽 (Challenge) 邀請各廠商來進行測試，最多提供所謂的 Benchmarking Datasets 和樣本讓各廠商自行測試。在此，特地收集各廠商如何突顯其平台的優勢供大家參考。

首先由 Element Biosciences 的 AVITI 打頭陣，直接挑戰 Illumina 的 NovaSeq 6000 ，利用高通量蛋白生物標記平台 Olink Explore 來比較兩平台的 readout 和 R² 的一致性。

圖九、Element AVITI vs Illumina NovaSeq 6000 SP [21]

再來由 Singular 的 G4 平台接著挑戰 Illumina ，直接找 NextSeq 550 來對打，不管在 gDNA 還是 cfDNA 的樣本，Average Unique Read Depth 都明顯比 Illumina 來得高。

圖十、Singular G4 vs. Illumina NextSeq 550 [22]

再來由 MGI 來挑戰 Illumina，這篇於 2020 年發表在 NAR Genomics and Bioinformatics 的論文針對三種常見 Single Cell 的樣本來做 MGISEQ-2000 與 NextSeq 500 的比較（如圖十一所示）。

其論文主要仍在強調平台效能與 Illumina 相以，如圖十二所示，用 Peason Correlation、PCA 和 UMAP 和每個 Cluster 的一致性來突顯其結果的一致性。

圖十二、Consistence between MGISEQ-2000 and NextSeq 500 [23]

不過，我覺得這篇的重點藏在它 Supplementary 的 Table 4S （如圖十三），雖然我是跟你的小通量平台比，但我的價錢是你高通量價錢的一半不到耶！從那時開始，大家都知道要便宜一點，就是找 MGI，所以 MGI 這幾年積極找各大單位合作，試圖營造出其平台的資料正確性，可說是一名非常強勁的挑戰者。

圖十三、Operation Costs between NovaSeq, NextSeq and MGISEQ-2000 [23]

最後想跟大家介紹的是 Ultima Genomics，他們最近剛跟 Broad Institute 在 BioRxiv 上發表一篇名為「Cost-efficient whole genome-sequencing using novel mostly natural sequencing-by-synthesis chemistry and open fluidics platform」的文章，有趣的是在論文中完全找不到任何一個有關 Illumina 產品或技術的描述，更不用說拿 Illumina 來比較。他們直接跳過打擂台賽的階段，使用 Genome in a Bottle (BIAB) 的標準樣本在他們 UG-100 平台上跑出來的數據來證明其平台的效能（如圖十四所示），真的是酷斃了。只有真正的高手，才會用這種高度來向別人證明自己的實力，大家覺得這一次春秋戰國時代的混戰後，誰能一統中原呢？

圖十四、Performance metrics for Genome in a Bottle (GIAB) reference genomes [24]

策略聯盟

其實，定序平台只是在整個基因檢測流程中的一個重要模組，上游有 Library kits 和 Reagents 廠商的配合，下游有提供資料處理與檢測報告的廠商。所以各大定序平台如何佈局呢？

Ultima Genomics 在下游的佈局如下：

在分析工具的部分，他們和 Sentieon 以及 Google DeepVariant 合作 [25]
在應用方面，他們跟 Regeneron 合作運用基因體資料在新藥開發上 [26]

而 Singular Genomics 則往上游佈局，跟 NGS Target Enrichment 領導廠商 Twist Bioscience 成為合作伙伴 [27]，同時也跟 Dovetail Genomics、Lexogen 、New England Biolabs 和 Watchmaker Genomics 合作，協助將其 G4 平台與他們的產品進行整合 [28]。

Element Biosciences 也採用類似的策略，上游與 Library Solution 廠商 seqWell 成為合作伙伴 [29]，下游與 Gencove 合作提供 Low-Pass Whole Genome Sequencing [30]。

MGI 最近宣佈他們和 Nalagenetics 策略合作在新加坡和印尼提供進階的 pharmacogenomics 服務 [31]，同時在研究端也跟多個研究中心合作，如 King Abdullah International Medical Research Center (KAIMRC) [32]；在臨床端跟 Burning Rock Biotech 合作提供癌症檢測的服務 [33]。尤其，最近才剛打贏跟 Illumina 的官司， Illumina 需付 $333.8 M USD 給 MGI [34]。

當然，Illumina 也不會坐以待斃，把江山拱手讓給別人。Illumina 在 2018 年併購了運用 FPGA 硬體加速基因分析的廠商 Edico Genome [35]，號稱要終結二級分析的市場。之後，2020 年買了提供雲端基因體分析與資料管理廠商 BlueBee [36] 和基因體資料壓縮新創 Enancio [39]，以提供其客戶有更多資料分析與應用的解決方案。然而，Illumina 因為太大了，再試圖延伸其服務範圍（魔掌）時，會讓各國政府擔心造成市場壟斷，以反托拉斯法否決了一些併購案，如 PacBio [37] 和 GRAIL [38] 等。不過，借此也能大概知道 Illumina 對未來的規劃與戰略。介紹到此，大家是否覺得第二次的春秋戰國時代比上一次還精彩呢？