生物芯片研究现状与市场分析.doc

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1、技 术 与 市 场 生物芯片研究现状与市场分析 1 2 2 2 赵晓勤 ，毛开云 ，陈大明 ，江洪波 1. 上海图书馆，上海科学技术情报研究所，上海 200031 2. 中国科学院上海生 命科学信息中心，上海 200031 摘要： 生 物芯片 技术 广泛应 用于基 因组 学与蛋 白质组 学的 科学研 究、临床 疾病诊 断、新 药研发、 司法鉴 定和 食 品安全等领 域。对全球生 物 芯片公 开专利进行 检索，发现全 球生物芯 片专利公开 量自 2001 年开 始快速增长， 至 2005 年达 到顶峰，之 后呈现缓慢下降的趋势。从专利区域分布来看，居前三位的国家分别为美国、日本和中国。 机构分布

2、方面，前三位是日本的 Seiko Epson Corp，中国的 Shanghai Biowindow Gene Dev Inc. 和 Bode Gene Dev Co., Ltd. Shanghai。从技术构成来看，居前三位的 IPC 类别分别为核酸检测、免疫检测、其他生物样品检测。全球 生 物芯片市场呈现快速增长的趋势，目前以北美和欧洲市场为主，中国和印度是生物芯片最具发展潜力的市场。中 国发展生物芯片产业时应加强各种技术的集成，重视知识产权的布局，在基础研究和临床诊断两个方向积极培育市场。 关键 词： 生物芯片；技术研发；市场发展 DOI:10.3969/j.issn.1674-0319.

3、2018.01.002 生物芯 片（ biochip）又 叫微 全球第一块生物芯片于 1992 年 仍存争议，但可以明确的一点是， 阵列（ microarray）， 借鉴 计 算机 诞 生， 20 世纪 90 年代因 人类基因 当前生物芯片已经有机地整合到整 芯片技术，把生命医学中的各种 组计划（ HGP）的实施而得到快速 个生物技术产业，成为其中有巨大 生物 化 学 反 应与 分 析 过 程集 成 发展。 进入 21 世 纪， 我国在制定 发展前景的一个分支。 在一 个 芯 片 表 面 上， 以 实 现 对 科技创新与产业发展政策时，生物 DNA、 RNA、 多 肽 和 蛋 白 质 等 芯片

4、技术与产业得到了重视。 2012 1 生物芯片技术研发现状 生物活性成分 进行高通量、快速 年 12 月，我国发 布了生物产业 的检测。生物芯片技术的主要特 发展规划，在重点领域和主要任 1.1 生物芯片分类 点体现在 3 个方面：一是微型化， 务三“突破核心部件制约，促进生 成千上万个生化反应过程在芯片 物医学工程高端化发展”中明确提 全球首个生物芯片产品问世 上同时进行；二 是高通量，生物 到了加快发展包含生物芯片在内的 虽然已有 20 多年的时间，但生物 芯片通过一次检测可以给出成千 新兴技术，推动我国体外诊断产业 芯片分类方式也没有完全统一的标 上万条信息；三 是高度交叉，生 的发展

5、。 2017 年 5 月，我 国发布 物芯 片 技 术 涉 及 生 命 科 学、 医 了“十三五”生物技术创新专项 分别是按用途、作用方式和成分来 学、材料科学、信息科学等技术 规划，也在“颠覆性技术”专栏 分类。按用途可分为生物分析芯片 的交叉与融合。该技术广泛应用 中 明确 提及要 发展 微流控 芯片， 和生物电子芯片。一般所指的生物 于基因组学与蛋白质组学的科学 推动生物检测技术 向微量、痕量、 芯片主要为生物分析芯片；而生物 研究、临床疾病诊断、新药研发、 单 分 子、 高 通量 等 方 向发 展 。 司法鉴定和食品安全等领域 。 虽然目前对该技术的产业化程度 可分为被动式芯片和主动式

6、芯片。 第 一 作者： 赵 晓勤， 博士， 副 研究 员， 主要 从 事生 物技 术 领域 的 科技 情报 研 究与 咨 询。 被动式芯片即指各种微阵列芯片， E-mail： 基金项目： 上海市软科学研究项目“生命科学和生物技术前沿领域发 展跟踪研究”（ 17692110000） 生物实验中的样本处理纯化、反应 12 生物产业技术 2018. 01（ 1 月） 2 3 1 E-mail： 如基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片 通 讯作者： 江洪波，博士， 研究馆员，主要从事 科技查新咨询、专利 战略和竞争情报 研究。 和组织芯片等。主动式芯片是指将 技 术 与 市 场 生物芯片研究现状与市场分

7、析 标记、检测等实验步 骤进行集成， 通过一步反应来完成的芯片，包 括微流体芯片（ micro ui dic chip） 和缩微芯片实验室（ lab on a chip）。 按芯片检测的成分则可分为基因芯 片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯 片等 。 1.2 生物芯片技术发展现状与趋势 2500 2000 1500 1000 500 0 9 9 7 9 98 99 9 0 00 00 1 0 0 2 0 03 0 0 4 0 05 00 6 0 0 7 00 8 0 0 9 0 10 01 1 0 12 01 3 0 1 4 0 4 15 0 1 6 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2

8、 2 2 2 2 2 2 2 2 采用 Clarivate 公 司的 Derwent Innovations Index 数 据 库（ 简 称 DII）和 Derwent Innovation 分析平 台（简称 DI）分别从德温特手工 代码（ Manual Code）中找到“ Mi- croarrays and Biochips”（ 微 阵 列 和生物芯片），并制订检索策略， 将与生物芯片相关的专利检出和 保存（数据检索日期为 2017 年 12 月 8 日，由于专利数据公开一般滞 后 18 个月，所以 2016 年的数据仅 供参考），检索出 30 137 个专利族， 并通过专利文献计量分析来

9、反映生 物芯片的技术发展现状与趋势。 年 度 （ 数据来源于 Derwent Innovation） 图 1 全球生物芯片专利公开量年度分布情况 1000 800 600 400 200 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 年 度 （ 数据来源于 Derwent Innovation） 15 2 01 6 1.2.1 全球生物芯片专利年度发 展趋势 1997 2016 年， 全 球 生 物 芯片公开专利数量的年度分布情 况见 图 1。可以 看出，生 物芯片 专 利 的 公开 量 自 2001 年 突 然 猛 增， 2005 年达到顶峰，专利公开 量达 2315 个专

10、利族，之后呈现缓 慢下降的趋势。 其中，生物芯片领域在中国 公开的专利，检索出 8418 条专利， 计 5 947 个专利族。 1998 2016 年 专利 公开量的年度分布情况见图 2。可以看出，除 2001 年公开量特 别多之外，自 2003 年开始呈缓慢 增长的趋势。 图 2 中国生物芯片专利公开量年度分布情况 1.2.2 全球生物芯片专利区域分 出， 专利公开量居前三位的研发机 布情况 构分别为日本的 Seiko Epson Corp （ SHIH-C）， 中 国 的 Shanghai Biow- 后，共计 2625 个专利族。值得一 布情况 开量相差并不是太大。 全球生物芯片相关专利

11、研发 在 中 国 公 开 的 专 利 研 发 机 机构的 分布 情况见 图 4。可 以看 构，国内的研发机构主要有上海 2018. 01（ 1 月） 生物产业技术 13 0 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 从 1997 2016 年全球生物芯 indow Gene Dev Inc. SHAN-N） 片专利公开量主要国家 / 地区分布 和 Bode Gene Dev Co., Ltd. Shang- 情况（图 3）可以看出，居前三位 hai（ BODE-N），经 查 询 SHAN-N 的分别为美

12、国、日本和中国，美 和 BODE-N 这两 家 公 司 实 际 上 国专利公开量5667 个专利族，日 是一家机构，即上海博德基因开 技 术 与 市 场 6000 4000 2000 0 国家 /地区 （ 数据来源于 Derwent Innovation） 前 10 名 中 有 4 家 机 构 是 国 外 机 构， 其 中 SHIH-C 的 专 利公 开 量 达 422 个 专利族，可 见其在 中国 进行了一定的专利布局。 1.2.4 全球生物芯片专利技术分 布情况 对公开专利的 IPC 分布情况进 行分析的结果如图 5。可以看出，居 前 三位的 类别分别 为 C12Q000168 图 3 全

13、球生物芯片专利公开量主要国家 / 地区分布情况 4000 3000 2000 1000 S S B B W C T （ 数据来源于 Derwent Innovation） 图 4 全球生物芯片 TOP 20 研发机构分布情况 8000 6000 （核酸检测）， G01N003353（免疫检 测）， G01N003700（其他生物样品 检测），专利公开量依次为 7639 个 专 利族（ 占 31.5%）、 3088 个 专利 族（占 12.8%）， 2555 个专利族（占 10.6%）。 从国内外研发机构拥有的生 物芯片关键技术来看，国外如日 本 的 SHIH-C 以生物芯片的构造、 设计与制造

14、技术为主，技术内容 涵 盖 液 体 弹 出 装 置、 流 道、 墨 盒、液滴喷射头、室压力、路型 基 板等；国内 的主要技术涵盖核 酸检测、含多肽的医学制备、基 因编码动物蛋白检测等，检测的 应 用范 畴包括 胚胎发 育紊乱 症、 胚胎发育畸形和医用 DNA 重组。 4000 2000 0 0 0 01 6 8 00 3 35 3 00 3 70 0 0 01 50 9 00 01 0 0 0 03 3 54 3 00 3 80 0 0 1 44 7 0 03 3 50 0 0 01 3 4 2 生物芯片市场分析 2.1 全球生物芯片市场概况 全球 范围来看，生物芯片市 场的发展主要受生物芯片

15、技术驱 C1 2Q G 1 N G 01 N C 12 N C 12 M G 0 1N A 61 K C0 7 K 0 G 0 1N C1 2 M 动，因此生物芯片市场发源于美 IPC （ 数据来源于 Derwent Innovation） 图 5 全球申请生物芯片专利 TOP 10 IPC 分布情 况 博德基因开发有限公司、复旦大 发 有限公司和博道基因技术有限 学、浙江大学、上海博容基因开 公司，列前五名。值得一提的是， 国。在人类基因组计划实施之后， 1998 年 6 月， 美国 正式 宣布 启动 “基因芯片计划”，共投入资金约 20 亿美元，由美国健康服务部和 能源部等政府部门与私营企

16、业合 作。 1998 年 12 月， Affymetrix 公 14 生物产业技术 2018. 01（ 1 月） 0 I I I C N N R N U R O Y - - D - C - - - - P K N G N A G G N P F O M A F O O A A R I K 0 技 术 与 市 场 生物芯片研究现状与市场分析 司 和 Molecular Dynamics 公 司 宣 布 成 立 基 因 技 术 协 会（ Genetic Analysis Technology Consortium）， 以形成 一个统一的技术平台生产 更有 效而 价廉 的设备。 2016 年 4

17、月，美国市场 调研公司 BCC Re- search 发布 的 全球生物 芯片市 场 调 查 报 告 显 示， 2014 年 全 球生 物 芯 片 产品 市 场 已达 到 39 亿美元，并预计 2015 2020 年， 将以 31.6% 的 年复合增 长率快速 发展，从 2015 年的 47 亿美元，增 长 到 2020 年的 184 亿 美元 。 2016 年 8 月， Grand View Research 公 司预测，到 2024 年全球 生物芯片 市场总 值将 达到 258 亿美元，其 中 DNA 芯片 约 占总 值 的 三 分之 一，其发展动力主要来源于新药 开发过程中的基因组学与蛋

18、白质 组学的研究及相应的产品开发 。 作为一个典型的技术驱动型 产业，生物芯片产业已形成美国 抢滩最早、欧日紧随其后的技术 产业格局 。近 20 年来，美国的 生物芯片技术初步商业化，拥有 上千家生物芯片企业，其中约 15 家在纳斯达克上市。 2015 年，北 美市场约占全球总市场 45% 的份 额，其主要因素在于个性化药物 的快速发展，以及生物芯片在新 药开 发过程中的应用 。 2012 年， 德国政府投入巨资攻占生物芯片 技术高地，在不少方面取得了超 过美国的成果。 目前，北美地区占据了全球 生物芯片市场的主导地位，而亚 太地区自 2016 年起进入快速发展 阶段，预计中国和印度将成为亚

19、太地区增长最快的生物芯片市场。 个性化医 疗、快速 诊断、药 物开发 和生 命科学 研究 的兴起， 研发投入的增加，医疗保健意识 的提高，推动了全球生物芯片市 场的增长。但制造生物芯片所涉 及的高成本可能会给全球生物芯 片市场带来挑战。在全球 生物芯 片市场中表现较好的企业主要有 Affymetrix 公司、 Illumina 公司、 GE Healthcare 公 司、 Aglient 公 司 和 Roche NimbleGen 公司等 。 2.2 中国生物芯片市场概况 中 国 生 物 芯 片 研 究 始 于 20 世 纪 90 年 代， 之 前 在 中 国还 是 空白的 生物芯 片技术 迎

20、头赶 上， 实现了 从无到 有的阶 段性突 破。 2008 年我国生物 芯片市场约 为 1 亿美元，之后以超过 20% 的速度 增 长， 预 计 至 2020 年 市 场 规 模 将达到 9 亿美元。市场 的快速发 展主要得益于基因组学与蛋白质 组学的科学研究、慢性疾病（如 癌症） 的诊 断、 产前 筛查检 测、 中药物种鉴定、农作物育种、司 法鉴定、食品检测等因素 。 3 我 国推进生物芯片产业发 展需解决的问题 我国生物芯片产业在近 20 年 间，经历了一场概念热炒、投资 高潮、高潮消退的投资泡沫，已 渐渐 步入轨 道， 但要 做大 做强， 在技术与市场上仍存在着一些需 要解决的问题。 3

21、.1 芯片相关技术的集成是重点 发展方向 我国在生物芯片制作相关的 各个技术分支，已 经有较好的经 验积 累，有 一定 的国 际竞 争力。 目前，应着眼于各种相关技术的 整合集成，提出相应的解决方案 并进行应用，以解决检测灵敏度 较低、重复性差、分析范围较狭 窄等问题。 3.2 需求市场规模较小 生物芯片两个最主要的应用 领 域， 一 个 是 基 础 研 究及 新 药 研发，另一个是临床诊断。我国 在基础研究或新药研发领域投入 的力量和经费相对较小，导致生 物芯片需求量不大。并且国际芯 片产品竞争力超过国内产品，因 此国 际 高 水 平研 究 很 少 使用 中 国产品。在临床诊 断领域，生 物

22、 芯 片 与 PCR 和 ELISA 相 比， 没 有绝对优势，很难在短时间内替 代 PCR 和 ELISA。芯 片的优势在 于多人多种疾病一次检测，一人 多种疾病一次检测，或者一次得 到一种疾病更多诊断信息。但是 这些优势现阶段还不能很好的体 现，或由于技术限制，或由于实 践中需求不大。同时，生物芯片 及其设备价格昂贵、操作难，而价 格实惠的国产设备还不成熟。 PCR 和 ELISA 在临床诊断中已经占据牢 固的地位，其方法成熟，形成了标 准，操作简单，各单位都有熟练的 操作人员。因此，生物芯片技术在 我国的产业 化将是一个渐进的过程。 3.3 技术与金融的结合 生物芯片是一个十分专业化 的

23、领域。行业人员和投资者应回归 理性，认识到生物芯片是一个长期 发展的事物，不可能用短期炒作 而获得利润。如果投资者的前期 调研不够扎实，而生物芯片公司 2018. 01（ 1 月） 生物产业技术 15 5 6 7 6 技 术 与 市 场 亦不充分考虑对方资金的性质和 目的，那么这种短视合作必然导 致夭折。只有建立起创新体系和 科学的创新管理，使产业、资本、 政策和创新体系良性互动，才可 能利用后发优势，使生物芯片发 挥其深远的影响力，推动我国生 物芯片技术产业走向强大。 3.4 知识产权 以生物芯片技术为核心的各 相关产业正在全球崛起，知识产权 问 题是重中之重。我国应对发达国 家和领先企业

24、的专利布局开展深 入分析，促进科学界、企业界和 金融界紧密联合，形成具有可操 作性的商业运行构架，通过全球 定位布局，建立产权结构清晰的 企业，为生物芯片在中国的产业 化奠定良好基础。 参考文献 1 占科，雷万生，常津 . 生物芯片研究现状及其在生物医学领域中的应用 J . 解放军医学杂志， 2011， 36（ 5）： 545-546. 2 务院关于印发生物产业发展规划的通知 EB/OL. 2017-12-20. http： / 3 技部关于印发“十三五”生物技术创新专项规划的通知 EB/OL. 2017-12-20. http： / 4 树成 . 生物芯片技术研究的现状与进展 J. 阜阳师范

25、学院学报（自然科学版）， 2003， 20（ 3）： 41-45. 5 lobal biochip markets： microarrays and lab-on-a-chipEB/OL. 2017-12-20. https： / markets-microarrays-lab-on-a-chip-report-bio049f.html. 6 iochip market size projected to reach $25.8 billion by 2024EB/OL. 2017-12-20. https： / projected-to-reach-258-billion-by-2024-g

26、rand-view-research-inc-591132801.html. 7 丫丫，赵玉林 . 全球生物芯片产业技术发展阶段比较研究 J. 科技进步与对策， 2016， 33（ 10）： 44-48. 8 物芯片行业市场现状监测及 2020 年未来发展趋势 EB/OL. 2017-12-20. http： / Research status and market analysis on biochip ZHAO Xiaoqin ， MAO Kaiyun ， CHEN Daming ， JIANG Hongbo 1. Shanghai Library, Institute of Scient

27、i c and Technical Information of Shanghai, Shanghai 200031, China 2. Shanghai Information Center for Life Sciences, CAS, Shanghai 200031, China Abstract： Biochip technology is widely used in scienti c research of genomics and proteomics, the diagnosis of clinical diseases, the research and developme

28、nt of new drug, forensic identi cation and food safety, etc. The global biochip-related patents were searched and analyzed. The number of biochip patents, which has rapidly grown since 2001, peaked in 2005, and then declined slowly. According to the distribution of these patents, the top three count

29、ries or regions are the United States, Japan and China. Top three patent assignees are Seiko Epson Corp, Shanghai Biowindow Gene Dev Inc. and Bode Gene Dev Co., Ltd. Shanghai, respectively. From the point of view of the technical composition, top three IPC categories are nucleic acid testing, immuno

30、assay, and test of other biological samples, respectively. The biochip market has shown a rapid growth trend. Currently, it is dominated by North America and Europe, and China and India are potential markets. China should strengthen the integration of various technologies in the development of biochip industry, pay attention to the layout of intellectual property rights, and cultivate actively the biochip market in both basic research and clinical diagnosis. Key words： biochip; technology R&D; market development 16 生物产业技术 2018. 01（ 1 月） 1 2 2 2