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RNA分子诊断行业技术发展情况:RNA分子诊断是以RNA为检测靶标的分子诊断新技术,与传统DNA分子诊断技术相比,灵敏度更高,特异性更强,可以广泛应用于临床医学检测、血液筛查、食品安全检测和传染性疾病防控。
目前RNA的扩增主要有两种实现路径,一种是基于逆转录联合PCR扩增(RT-PCR)的技术,该技术在检测RNA时会受DNA的干扰,特别是在原核生物中DNA和RNA的序列完全一致,需要先去除DNA再对RNA进行扩增检测,而去除DNA的过程也不可避免会造成RNA的降解损失。另外一种是以SAT专利技术为代表的基于RNA逆转录后再进行转录扩增的RNA恒温扩增技术。两种技术平台发展情况如下:
(1)RT-PCR技术:RT-PCR(ReverseTranscription-PolymeraseChainReaction)即逆转录PCR,也称为反转录PCR,是将RNA的逆转录(RT)和cDNA(complementaryDNA,体外经过逆转录后与RNA互补的DNA链)的聚合酶链式扩增反应(PCR)相结合的技术。首先经反转录酶的作用,从RNA合成cDNA,再以cDNA为模板,进行PCR反应。当RT-PCR反应运用于分子诊断时,其检测靶标为RNA,扩增产物为DNA,可以实现对RNA的检测目的。
RT-PCR是基于PCR的技术,PCR技术起源于1988年,技术上实现了在体外模拟发生于细胞内的DNA快速扩增特定基因或DNA序列复制的过程,此后陆续衍生出很多不同的细分技术,但基本原理类似。在中国,业内一般所称的PCR技术包括常规PCR(检测DNA的技术)和RT-PCR(检测RNA的技术),为区分PCR技术在检测DNA和RNA的不同应用场景时,以常规PCR和RT-PCR技术分别指代二者。
目前国内外主要厂商包括ThermoFisher、华大基因、达安基因、圣湘生物、之江生物、硕世生物等,已开发出将RT-PCR与实时荧光检测相结合的实时荧光RT-PCR技术(ReverseTranscription-Real-timePolymeraseChainReaction),可将RNA逆转录为DNA后再作为模板进行实时荧光PCR以进行检测,主要应用于RNA病毒检测等领域。
(2)RNA恒温扩增技术:RNA恒温扩增技术是一种用于放大扩增特定的RNA片段的分子生物学技术,其主要技术原理是同一温度下,首先通过反转录酶产生靶标核酸(RNA)的一个双链DNA拷贝,然后利用RNA多聚酶从该DNA拷贝上产生多个RNA拷贝;有时,每一个新产生的RNA拷贝还可以从反转录开始进入下一个循环;达到指数扩增RNA的目的。该技术相关产品最早于1995年在美国推出(transcriptionmediatedamplification,TMA,转录介导的恒温扩增技术)。
1)TMA技术:转录介导的恒温扩增技术(transcriptionmediatedamplification,TMA)是一种将RNA恒温扩增与杂交保护检测(hybridizationprotectionassay,HPA)结合在一起的核酸扩增检测技术。该技术是豪洛捷于90年代推出,具体原理为RNA在反转录酶(MMLV)的作用下进行反转录反应,形成RNA-DNA杂交分子。MMLV酶同时具有的RNaseH活性可水解杂交分子形成单链DNA,继而形成双链DNA,双链DNA在T7RNA聚合酶作用下进行转录扩增反应。反应完成后,进行HPA检测,即在扩增产物中加入荧光探针与产物进行杂交,杂交后再加入检测液进行发光检测。美国豪洛捷公司从1995年到2012年开发的TMA检测产品均是采用HPA技术进行终点检测,非实时荧光检测。
2012年,豪洛捷于美国推出了实时荧光转录介导的恒温扩增产品,并于2019年在中国推出了类似产品,但与上海仁度生物科技股份有限公司技术相比,实现实时荧光检测的原理不同。业内通常用TMA技术统称TMA技术(杂交保护检测)和实时荧光转录介导的恒温扩增技术,二者差异是前者为终点检测,后者为实时荧光检测。
2)SAT专利技术:RNA实时荧光恒温扩增检测技术(SimultaneousAmplificationandTesting),简称SAT专利技术,是将RNA恒温扩增技术和实时荧光检测技术相结合的一种新型核酸检测技术,并于2010年推出首批产品。SAT专利技术是上海仁度生物科技股份有限公司自主研发的专利技术。其主要技术原理是同一温度下,首先通过M-MLV反转录酶产生靶标核酸(RNA)的一个双链DNA拷贝,然后利用T7RNA多聚酶从该DNA拷贝上产生多个(100~1000个)RNA拷贝;每一个RNA拷贝再从反转录开始进入下一个扩增循环;同时,带有荧光标记的探针和这些RNA拷贝特异结合,
产生荧光。该荧光信号可由荧光检测仪器实时捕获,实时反映扩增循环情况。该技术是上海仁度生物科技股份有限公司拥有的核心技术,相较于传统的RT-PCR的检测方式,扩增效率更高,检测时间更短;且针对RNA和DNA共存的样本,检测RNA具有不受基因组DNA的干扰,不需要去除DNA,减少RNA的损失,扩增效率更高等优点。因其高灵敏度、高特异性、低污染、反应稳定等特点,目前已应用于病原体检测、血液病毒筛查、环境微生物检测等领域,具有广阔的应用前景。
3)T7RNA恒温扩增和多生物素信号放大相结合的双扩增技术:T7RNA恒温扩增和多生物素信号放大相结合的双扩增技术,是一种将RNA恒温扩增与多生物素信号放大相结合的核酸扩增检测技术,武汉中帜于2015年推出该技术的首个产品。其技术具体原理为首先进行RNA恒温扩增:RNA在转录酶和T7聚合酶的作用下,经过逆转录和转录,实现RNA恒温扩增。然后进行多生物素信号放大检测:扩增后的RNA产物加入到包被有捕获探针的微孔中进行杂交,同时加入捕获探针对应的特异探针,微孔中的捕获探针可与RNA产物结合使其锚定在微孔中,特异探针的一端可结合到RNA产物上,另一端与下一步加入的放大探针结合,实现信号放大过程,标记有多生物素的放大探针随后与酶联物结合,最终形成捕获探针-RNA扩增产物-特异探针-放大探针-酶联物复合体,最后加入化学发光底物,在化学发光仪上进行检测。该技术是恒温扩增的终点检测技术,与实时荧光检测技术不相同。
(3)RT-PCR技术和各个RNA恒温扩增技术的比较情况:
1)RT-PCR技术和RNA恒温扩增技术在分子诊断领域的应用情况:理论上,在实验室环境下RT-PCR和RNA恒温扩增技术(以SAT技术为例)对于所有的RNA均可以进行检测,但是在临床上,在部分领域RNA恒温扩增技术具有一定优势。
A、感染检测领域:当同一个病原体内DNA和RNA同时存在时,在实验室环境下,可以通过DNA酶等手段去除DNA后,采用RT-PCR检测RNA。但在实际应用中,去除DNA的同时会带来RNA的降解,而且延长了检测时间,因此,在DNA和RNA同时存在的情况下,RT-PCR技术检测临床应用难度较高,目前该领域的RNA分子诊断主要为RNA恒温扩增技术;对于RNA病毒类型,由于基于PCR技的RT-PCR技术发展较早,市场认可度较高,目前主要为RT-PCR技术。具体情况如下:
B、肿瘤检测和其他领域的应用前景:在肿瘤诊断、生育健康、遗传病、伴随诊断等领域,理论上,所有的RNA靶标都可以采用SAT或RT-PCR检测。类似于感染检测领域,有些RNA靶标的检测需要排除DNA的干扰,由于染色体上同时存在对应于RNA的DNA拷贝,如果用RT-PCR方法检测,需要去除DNA,否则,会干扰RNA检测;去除DNA的过程还会导致RNA损失,影响检测灵敏度;但是SAT技术无需去除DNA的过程,可以直接检测RNA。举例来说,非编码RNAMALAT1,是在非小细胞肺癌中一个非常重要的预后分子标志物,但是这个RNA的序列与人基因组DNA上的序列完全一致,且具有不同的生物学意义,如果使用RT-PCR必须去除基因组DNA,否则会导致假阳性结果。因此,在这些情形下,SAT技术检测优势明显。
2)各个RNA恒温扩增技术的比较情况:境内外企业所运用的RNA恒温扩增技术具体应用情况的比较分析如下所示:总体而言,在RNA恒温扩增领域,虽然各家技术路径不同,由于实时荧光检测可以在保证较高自动化程度的同时能够实现精确定量,因此终点检测技术正在被实时荧光检测所取代。上海仁度生物科技股份有限公司的SAT专利技术,在国内最早推出实时荧光RNA恒温扩增检测技术产品(2010年),目前已获证的实时荧光检测产品种类最多,因此,在国内市场相较于其他技术路线而言,具备起步时间早、产品线丰富等竞争优势。
3)RT-PCR和各个RNA恒温扩增技术的市场份额从国内感染病原体RNA分子诊断总体市场来看,RT-PCR技术的市场规模自2015年的4.6亿元增长至2019年13.2亿元,是该市场的主流技术;RNA恒温扩增技术的市场规模自2015年的0.1亿元增长至2019年2.9亿元,所占市场份额自1.9%上升至18.0%。
国内感染病原体RNA分子诊断市场,区分病原体类别,在RNA病毒(仅含有RNA)领域,RT-PCR占据主流市场地位,在2019年占比为93.8%,RNA恒温扩增合计占比为6.2%;在细菌、真菌、支原体、衣原体、DNA病毒(同一个病原体同时存在DNA和RNA)等病原体的RNA分子诊断领域,RT-PCR技术目前没有获证的国产产品,该类别的RNA分子诊断市场均为RNA恒温扩增技术,可从NMPA官网注册证信息获得佐证。
在各RNA恒温扩增技术之中,上海仁度生物科技股份有限公司SAT技术的市场规模自2015年的0.09亿元增长至2019年1.0亿元,所占市场份额达到34.8%;豪洛捷TMA技术(包括终点检测法和实时荧光法)在2019年的市场规模同样约1.0亿元,所占市场份额为34.8%;武汉中帜T7RNA恒温扩增和多生物素信号放大相结合的双扩增技术的国内市场规模在2019年为0.3亿元,所占市场份额为10.5%。
(4)RNA分子诊断行业技术发展趋势:
1)新的RNA检测靶点越来越多:根据“DNA-RNA-蛋白质”的分子生物学遗传物质表达的中心法则,RNA分子一直被认为是遗传信息和执行具体功能的蛋白质之间的一个重要过渡。最近,越来越多的证据已清楚地表明,与经过多年研究的DNA认识不同,目前对RNA的认识只是冰山一角,已经被应用于临床靶点更是屈指可数。随着越来越多的新的RNA靶点被发现,目前很多使用DNA或蛋白质为检测靶点的产品,包括感染、肿瘤、伴随诊断、遗传病、食品安全等领域,都将会被RNA靶点所取代。
2)RNA分子诊断在部分领域优势凸显:以SAT为代表的RNA恒温扩增技术目前已成功地应用于沙眼衣原体、淋病奈瑟菌、解脲脲原体、生殖支原体、结核分枝杆菌、肺炎支原体、肠道病毒以及甲流病毒等多种临床检测。RNA恒温扩增技术可降低扩增产物污染风险,可以检测包括尿液在内的多种样本,无需抽血穿刺,可实现无创检测,也解决了RT-PCR技术中检测准确性的问题。另外,由于RNA只存在于活的细菌中,而病原体死亡后DNA仍然能够稳定存在几周甚至更久的时间,因此可以通过RNA检测结果更精准地判断患者是否治愈,避免临床上抗生素的过度使用。在感染疾病检测领域,以SAT专利技术为代表的RNA恒温扩增技术优势逐渐明显。
3)仪器一体化、自动化趋势:随着老龄化人口增长及公众医疗需求的不断提升,实验室也面临着检测量不断增加、技术人员短缺的压力,同时由于分子诊断操作步骤多,对实验室环境和操作人员的专业性、技术性要求都很高,仪器一体化、自动化可以较好的解决这些难题。面对未来可能持续日益增长的分子诊断需求,由于SAT采用了恒温扩增技术,比RT-PCR更容易实现一体化、自动化,可以协助实验室工作人员高效、安全地完成大规模检测任务,提高检测效率,RNA分子诊断整体向着整合化、全自动一体化的方向发展。
中金企信国际咨询公布的《2022-2028年中国RNA分子诊断行业市场全景调研分析及投资可行性研究预测报告》
(5)上海仁度生物科技股份有限公司的技术路径顺应行业发展趋势:
上海仁度生物科技股份有限公司选择RNA分子诊断技术路径,在感染病原体检测领域中的生殖道、呼吸道(结核分枝杆菌、肺炎支原体)和乙肝RNA检测领域,上海仁度生物科技股份有限公司的SAT产品上市之前,国内已上市的病原体检测的核酸产品均以检测DNA为靶标(PCR法)。上海仁度生物科技股份有限公司在国内,最早推出生殖道(沙眼衣原体、淋病奈瑟菌、解脲脲原体、生殖支原体)、呼吸道(结核分枝杆菌、肺炎支原体)和乙肝检测领域以RNA为检测靶标的核酸检测试剂产品,后续各类型分子诊断试剂产品的研发均基于其SAT专利技术平台;而且上海仁度生物科技股份有限公司自主研发的全自动核酸检测分析系统(AutoSAT)是首台国产全自动、高通量、具有随到随检和急诊功能的RNA分子检测流水线,可搭载RNA实时荧光恒温扩增技术平台(SAT)的全系列试剂产品,实现了分子诊断随到随检,满足门急诊快速、精准的检测需求。
上海仁度生物科技股份有限公司的SAT技术,顺应RNA分子诊断行业“新的RNA检测靶点越来越多、RNA分子诊断在部分领域优势凸显、仪器一体化、自动化趋势”的发展趋势,上海仁度生物科技股份有限公司的SAT技术已被写入众多生殖、呼吸专家共识与诊断指南推荐目录。由于专家共识与诊断推荐指南系医学领域内汇聚行业共同观点或具体临床问题诊疗方案的权威性文件,在相当程度上肯定了过去一定时期内具体医疗诊断领域的诊疗手段与临床方法,并对未来的诊疗手段与临床方法具备权威指导意义,是上海仁度生物科技股份有限公司技术路线符合所处行业未来发展趋势的客观依据,具体情况如下:
以上海仁度生物科技股份有限公司生殖道产品系列为例,其沙眼衣原体核酸检测试剂盒(RNA恒温扩增)对应的行业专家共识《非淋菌性尿道炎病原学诊断专家共识(2016)》中存在针对RNA检测与SAT技术的如下表述:“目前检测CT最好的方法是RNA检测。RNA检测主要包括SAT(simultaneousamplificationandtesting,SAT)和TMA(transcription-mediatedamplification,TMA)技术,这两种技术的扩增仪原理完全相同。由于RNA在非病毒性病原体微生物细胞中存在多拷贝(其16SrRNA在每个细胞中多达10^4拷贝),与以DNA为靶标的PCR等技术相比,其灵敏度和准确性更高,并且可以检测包括尿液在内的各种样本,且不同部位的样本结果一致性很好。研究表明,在男性患者中,尿液和尿道拭子RNA检测结果的一致性几乎可达100%。另外,由于RNA只存在于活的细菌中,所以RNA检测结果可以用于疗效判断,符合目前精准医疗的要求,是目前为止最好的检测方法。”
此外,在诊断指南《梅毒、淋病和生殖道沙眼衣原体感染诊疗指南(2020年)》同样存在包括“核酸检测:PCR、RNA实时荧光核酸恒温扩增法、转录介导核酸恒温扩增法等检测男性尿道拭子、女性宫颈管拭子或男女性尿液标本沙眼衣原体核酸阳性。核酸检测应在通过相关机构认定的实验室开展。”的相关表述。以上海仁度生物科技股份有限公司呼吸道产品系列为例,其肺炎支原体核酸检测试剂盒(RNA恒温扩增)对应的行业专家共识《儿童肺炎支原体呼吸道感染实验室诊断中国专家共识(2019)》亦存在与SAT技术的相关表述:“RNA检测技术:RNA检测技术是基于核酸恒温扩增技术和实时荧光检测技术相结合的一种核酸检测方法,简称实时荧光恒温扩增技术(simultaneousamplificationandtesting,SAT)。其采用的靶标为16SrRNA,在Mp中以多拷贝形式存在(多达10^4拷贝量),其灵敏度和准确性与DNA检测方法相比都有很大提高。由于RNA随病原体死亡而降解,可作为评价Mp感染转归、药物疗效的指标,其检测结果与Mp的感染严重程度相关性较好,因此Mp的RNA检测是目前早期快速诊断、判断疗效的最好方法之一。