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【了不起的转化】以一己之力搅局测序市场,“英伦之光”Oxford Nanopore的转化之路

作者: 周梦亚 2022-10-27 10:55
Oxford Nanopore Technologies
http://www.nanoporetech.com/
企业数据由 动脉橙 提供支持
DNA测序产品研发商 | IPO后其它轮次 | 运营中
英国-英格兰
2023-10-19
融资金额:£7000万
BioMerieux
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某种程度上来说,纳米孔测序概念的诞生,比SBS测序技术出现还要早。

 

1989年,加州大学戴维斯分校的David Deamer教授在开车时突然获得灵感:将蛋白质通道结合到脂质体的膜中,由此产生的通道可以容纳单个核苷酸。他认为,每种核苷酸都可能在经过通道时产生特定的离子电流阻断。

 

这一概念后来被Hagan Bayley教授正式提出。但是在1991年之前,David Deamer教授的想法都未得到证实,也没有跟别人进行讨论。直到1991年哈佛大学Dan Branton来访。

 

image.png David Deamer教授在1989年写下的笔记,图片来自Oxford Nanopore官网

 

从概念到Oxford Nanopore


1991年,Dan Branton教授在结束加州大学戴维斯分校的行程后,继续着手研究纳米孔传感的概念。次年,他和David Deamer达成一致,同意由哈佛大学作为牵头的单位开展研究。当时研究团队的成员还包括Church教授和Balderelli教授。

 

1993年,研究团队在Kasianowicz的NIST进行了第一次实验。随后他们获得了NSF SGER资助,继续在加州大学圣克鲁斯分校、NIH和哈佛大学继续进行研究。

 

到了1996年,Dan Branton、David Deamer等人在《PANS》上首次发表了纳米孔测序的概念。文章指出可以通过脂质双层膜上的纳米孔来进行核苷酸链的长度测量。并且,随着进一步的改进,该方法原则上可以实现DNA或RNA序列的高速、直接测序。次年,Mark Akeson 教授加入研究团队,一年后,该技术取得专利。

 

话分两头,到了21世纪的第二个年头,牛津大学化学生物学教授Hagan Bayley在《自然纳米技术》杂志上描述了纳米孔传感器。当单链DNA分子(ssDNA)通过纳米孔时导致了电流变化,实验通过这种方法能够实现1-30个核苷酸的辨别。

 

2005年,在IP集团的资助下,Hagan Bayley教授和另一位合伙人Spike Willcocks 发起成立了Oxford Nanopore。几个月后,CEO Gordon Sanghera到位。

 

从研究到研发的早期团队


成立初期,公司与Hagan Bayley、Dan Branton、Dave Deamer和Mark Akeson几位教授开展了大量的、基于表征蛋白之纳米孔结构的产学研合作。这些研究为随后Oxford Nanopore的技术研发提供了前提条件。

 

CEO Gordon Sanghera此前就职于一家血糖传感产品的研发公司,他的加入为公司带来了生物与电子结合的技术经验,也为今后公司的商业化发展奠定了基础。

 

2008年,John Milton和Clive G.Brown也加入高管团队。两人此前曾就职于一家边合成边测序的测序仪公司Solexa,这家公司在2006年被Illumina收购。

 

这一阶段,Oxford Nanopore主要专注于化学和电子学层面的研发,这两方面的突破使得纳米孔传感器高通量的研究成为现实,也最终实现了商用纳米孔测序仪的生产。Oxford Nanopore也从单通道芯片发展到4、9通道传感器芯片。

 

大约在2010年,Oxford Nanopore开始整合其资助的一系列长链测序研究。其中比较关键的是具有辨别核苷酸能力的突变纳米孔研究(Bayley实验室)和一种能够控制DNA通过纳米孔的酶的研究(Akeson实验室)。这一年的夏天,Oxford Nanopore首次将上述两个研究整合到一起,并在2011年首次实现纳米孔的DNA测序。

 

公司规模也在此期间有了较大的变化。他们在2009年搬迁到了牛津科学园,由英国科学与创新部长Drayson勋爵主持了落成典礼。到了2011年,公司又在牛津科学园新增了7000平方英尺的办公区域,在剑桥大学也开设了新的办公室。

 

纳米孔社区进行产品商业化


2012年二月的AGBT会议上,Oxford Nanopore首次展示了纳米孔的测序数据,并概述了GridION和MinION系统背后的硬件和软件。在接下来的几个月里,该公司开始着手第一个测序系统——手持MinION设备的首秀。

 

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MinION,图片来自Oxford Nanopore官网


2014年春季,公司启动了MinION的推广计划MAP,针对早鸟用户可退换1000美元的押金。随后的几个月,期刊上开始陆续出现基于MinION的研究成果,Oxford Nanopore也基于早鸟用户的反馈对产品对性能和流程进行了优化和改进。

 

2015年5月,Oxford Nanopore将MinION技术的用户聚集在一起召开了第一次纳米孔传感会议。现场有20位演讲者进行了发言,Oxford Nanopore听取了MAP计划参与者对技术的一系列应用。到了2016年的第二届纳米孔社区会议,已经有三个小组展示了基于手持MinION的人类基因组测序数据。

 

他们通过这一会议成立了所谓的纳米孔社区,开始了MinION的商业化。

 

2018年,公司还推出了MinION的配套设备MinIT。该设备包含GPU技术,可以优化快速基础呼叫和数据分析,取代或与笔记本电脑并排使用。由于纳米孔独特地实时传输数据,MinIT通过增强的计算能力支持MinION不断增长的速度和能力。

 

第二代便携式MinION设备于2020年3月问世。MinION Mk1C将测序和分析与屏幕相结合,提供一款一体化的便携式和手持测序设备。

 

这一时期推出的产品还有PromethION和SmidgION。

 

2014年10月,Oxford Nanopore在ASHG会议上首次公开了台式测序仪PromethION概念,用户可以根据选择用于特定实验的样本数量和纳米孔数量,满足单个样本和多个样本的测序。到了2020年,PromethION已实现48个流动池单次运转产出超过7Tb的序列数据。


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 PromethION 24/48,图片来自Oxford Nanopore


SmidgION则在2016年首次亮相,也是全球首次提出手机测序仪概念。

 

2018年11月的纳米孔社区会议,Clive Brown还在演讲中提到公司正在研发新产品R10。这是一种新的纳米孔,拥有更长的通道,可以用于更高精度的测序。

 

2016年后,Oxford Nanopore开始加大市场动作。单分子测序系统GridION X于2017年2月上线,并在同年5月开始出货。


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 GridION,图片来自Oxford Nanopore官网


这一年,公司还推出RNA测序方案GTEx,能够实现直接、实时的RNA测序。2018年,纳米孔直接测序RNA的文章发表在《Nature Methods》,介绍了一众不需要逆转录或者扩增,实现长链RNA直接测序的方法。

 

开始全球化


尽管在概念上受到学术界的认可和关注,但纳米孔测序的错误率也曾一度让人诟病。在一段漫长的历史中,Oxford Nanopore始终在进行技术的改进。直到2018年的第四届纳米孔社区会议,CTO Clive Brown向在场的近600名与会者介绍了纳米孔技术的多项升级,以实现更高精度、更易于使用的格式获得更高的序列数据产量。

 

与测序技术同样升级的还有算法的升级。PromethION在客户手中的性能开始攀升,超过了每个流量单元一次产生的数据可以达到100Gb(PromethION设计为按需运行多达48个流量单元)。诺丁汉大学的一个团队还是用使用MinION实现了2.3Mb的连续DNA序列的读取。

 

配件方面,随着MinION/GridION和PromethION产量的不断提高,Oxford Nanopore发布了“Rev D”流电动池,使得在单个MinION流动池上可以生成多达30Gb的序列数据。MinION流动电池的价格仅为500美元,这使得序列数据越来越容易获得。

 

这一年开始,PromethION从早期进入阶段过渡到商业化。也是在2018年,Oxford Nanopore首次进入了中国市场,并开始了全球业务探索。

 

2019年7月,牛津纳米孔公司位于牛津郡哈维尔的新生产设施上线。近年来,随着纳米孔产品需求的增长,销售额增长了2-3倍,该工厂旨在支持生产的快速扩张,包括许多自动化流程,以确保生产的平稳和一致。

 

让测序随时随地


与市面上主流的大型测序仪不同,Oxford Nanopore的产品更偏便携式,旨在实现“任意时间、任意地点”的测序。他们在2019年还推出了一块“现场试剂盒”,该试剂盒出现使得测序不再需要通过冻干技术和冷链对样本进行处理和运输,科学家们可以在偏远地区和实验室中进行测序。这一产品的出现标志着Oxford Nanopore“任意时间、任意地点”的测序目标又进了一步。

 

不过,此前Oxford Nanopore的使用场景是科研,他们还未涉及临床。

直到2022年3月Oxford Nanopore的技术首次在监管环境中被使用,具体包括英国的亨廷顿病检测、瑞士的传染病检测。

 

在全球新冠疫情的背景下,Oxford Nanopore也抓住了机遇。2020年初,Oxford Nanopore的技术被用于监测冠状病毒疫情。随着这项技术在世界各地的普及,该技术已被70多个国家的研究人员使用。

 

LamPORE新冠肺炎检测是Oxford Nanopore的第一个诊断方法,于2020年10月通过CE认证用于体外诊断。在英国各地团队对23000多个样本进行的一项研究中,Lampores被证明对SARS-CoV-2的检测具有高度准确性。该研究表明,无论是拭子样本还是唾液样本,其敏感性和特异性均大于99.5%。

 

尽管目前在临床场景的应用较少,但至此Oxford Nanopore也实现了初步从科研市场向临床市场登陆。

 

Oxford Nanopore的“挑战”


成立至今,Oxford Nanopore以极快的速度,完成了非并购加持的产品商业化。从技术转移转化角度来说,这是非常了不起的成就。同时,他的商业版图也将持续扩大。

 

然而,Oxford Nanopore发展的背后也一路危机。先是Illumina恶化的关系。

 

2016年2月,IIllumina同时向美国国际贸易委员会和美国南加州地方法院提出诉讼,起诉Oxford Nanopore侵犯其美国专利局第8673550号和9170230号专利,这两个专利的所有权授予相关公司与机构应用与转化MSP纳米孔及相关技术。作为这两项专利的所有者,Illumina公司仅独家授权阿拉巴马大学、伯明翰研究基金会以及华盛顿大学使用该技术。Illumina表示这项诉讼将主要针对Oxford Nanopore的MinIon与PromethIon系统。

 

这也并非两家公司在法庭上的第一次交手。早在2009年合作期间,两家公司展开了一场关于Oxford Nanopore核酸外切酶纳米孔测序策略商业化的诉讼。Oxford Nanopore作为败诉者放弃了在其MinIon与PromethIon系统中应用核酸外切酶纳米孔测序策略,同时也使得两家公司中止了他们的商业协议。

 

最终,双方在2016年庭外和解,纳米孔公司同意不再出口或售卖包含氨基酸序列纳米孔的产品,并销毁目前库存的产品。

 

其次是测序市场日益激烈的竞争。前有Illumina掌控着大部分市场,后有Element和背靠Broad研究所的Ultima。中国市场上,华大智造崛起,并开始了“出海”之路。而长度测序领域,Pacbio在被Illumina终止并购后收购了一家叫做Omniome 的公司,开始整合长短读测序技术。

 

这或许是测序仪市场最繁荣的时代,中、英、美市场三足鼎立,百家争鸣。不过,几家短读长测序公司暂未在长读长测序领域取得收获,这或许是Oxford Nanopore当下的优势。

 

总结


在纳米孔测序领域,Oxford Nanopore是第一个吃螃蟹的“人”。Oxford Nanopore整体定义都更偏向Biotech公司,它目前还没有像Illumina那样通过并购进行扩张,从成果到产品、再到生产和商业化,全部独立完成。

 

如果说SBS为代表的第二代测序技术依然是实际上的统治者,那么Oxford Nanopore则是新一代技术的引领者。对于正在从事科研成果转化创新的初创企业而言,Oxford Nanopore的经验和发展路径或许更值得借鉴。

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