Download pdf - Семинар ДНК 16/05/2014 Трошин

Разрабатываемые технологии NGS

Владислав Трошин

[email protected]

8-929-509-44-89

ООО «Троицкий Инженерный Центр»

Россия, 142190 г. Москва, г. Троицк, Сиреневый бульвар, д.1.

www.trdc.com

Рынок существующих технологий

Рынок существующих технологий

Мировой рынок NGS систем

Общее число устройств превышает 2500 шт. по данным из открытых источников и 10000 тысяч штук

оценочное число. Так, в Китае оценочное число NGS систем 500-700 шт. Явно большее число устройств

в Японии, Израиле, скандинавских странах.

916

233

189174158

95 89 80 7853 51 40 39 33 32 29 24 23 18 17 15 15 14 14 13 12 12 11 9 9 6 6 6 6 4 4 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Un

ite

d S

tate

sC

hin

aG

erm

any

Un

ite

d K

ingd

om

Sou

th K

ore

aSp

ain

Can

ada

Fran

ceA

ust

ralia

Ital

yN

eth

erla

nd

sTa

iwan

Jap

anB

razi

lSw

ede

nIn

dia

Be

lgiu

mD

en

mar

kSi

nga

po

reSw

itze

rlan

dR

uss

iaN

orw

aySo

uth

Afr

ica

Ho

ng

Ko

ng

Au

stri

aW

allis

an

d F

utu

na

Sau

di A

rab

iaH

un

gary

Fin

lan

dM

alay

sia

Me

xico

New

Zea

lan

dC

hile

Po

lan

dSl

ove

nia

Qat

arIc

ela

nd

Po

rtu

gal

Isra

elU

AE

Turk

ey

Ire

lan

dG

ree

ceP

hili

pp

ines

Esto

nia

Ke

nya

Uru

guay

Luxe

mb

ou

rgB

ulg

aria

Ro

man

iaV

ietn

amC

zech

Rep

ub

licTh

aila

nd

Arg

en

tin

a

Гонконг

Сингапур

Стоимость секвенирования

Стоимость секвенирования падает очень

быстрыми темпами:

1. Завершение проекта «Геном человека»;

2. Выход на рынок первых NGS систем;

3. Появление и распространение настольных

NGS систем, снижение стоимости

обработки данных;

4. ? Если цена секвенирования генома

упадет ещё на 2 порядка, то данная

технология станет доступной

практически любому человеку.

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

09

.20

01

09

.20

02

10

.20

03

04

.20

04

10

.20

04

04

.20

05

10

.20

05

04

.20

06

10

.20

06

04

.20

07

10

.20

07

04

.20

08

10

.20

08

04

.20

09

10

.20

09

04

.20

10

10

.20

10

04

.20

11

01

.20

12

07

.20

12

01

.20

13

07

.20

13

01

.20

14

Изменение стоимости секвенирования

Стоимость секвенирования генома, $

Стоимость секвенирования Mb последовательности ДНК, $

1

2

3

4

Кроме научных исследований активно

начинается использование NGS систем в

медицине, начинает развиваться

персонализированная медицина.

На рынке уже представлены компании с

продуктами для персональной медицины. К

примеру, компании Myriad

http://www.myriad.com/products/ и Cardiodx

http://www.cardiodx.com , предлагающие

продукты для диагностики заболеваний,

связанных с генетикой. Их генетические тесты

уже прошли все стадии проверки, клинические

тесты и доступные на рынке.

http://www.genome.gov/sequencingcosts/

http://www.myriad.com/products/

http://www.cardiodx.com/

Поколения NGS систем

Поколения NGS систем

Первое поколениеВторое поколение и поколение2,5

Третье поколениеЧетвертое поколение

Базовая технология

Разделение по размерам ДНК с метками на концах молекул, полученных методом обрыва цепи или разрушения ДНК

Циклический процесс добавления нуклеотидов, детектирования сигнала, промывки. Так называемый секвенирование синтезом.

Секвенирования синтезом, разрушением или любым другим способом.

Прямое чтение последовательности ДНК на основе какого-либо физического эффекта

РазрешениеУсреднение данных с множества копий молекул ДНК

Усреднение данных с множества копий молекул ДНК

Данные с одной молекулы ДНК

Данные с одной молекулы ДНК

Точность чтения Высокая Высокая Управляемая Управляемая

Длина чтения (max) 800-1000 bp 200-500 bp 1000-5000 bp >10000

Пропускная способность

Низкая Высокая Управляемая Управляемая

Стоимость чтенияВысокая в пересчете на одно основание. Низкая на запуск чтения.

Низкая в пересчете на одно основание. Высокая на запуск чтения.

Управляемая Управляемая

Секвенирование РНК Только по копии в ДНК Только по копии в ДНК Прямое Прямое

Время одного цикла Часы. Дни. Часы. Часы.

Подготовка образцовСложная. Требуется амплификация.

Сложная. Требуется многократная амплификация.

Зависит от технологии.Зависит от технологии.

Анализ данных Рутинный.

Сложный из-за большого количества данных и необходимости сопоставлять короткие цепи.

Сложная из-за необходимость использовать новые алгоритмы.

Слажная из-за необходимости использовать новые алгоритмы.

Данные Только последовательность. Только последовательность.Последовательносить и некоторые другие данные.

Последовательносить и некоторые другие данные.

За основу взято: Eric E. Schadt∗, Steve Turner and Andrew Kasarskis. A window into third-generation sequencing. Human Molecular Genetics, 2010, Vol. 19, Review Issue 2.

Распределение по платформам

ПлатформаЧисло

устройствСтоимость,

USDСтоимость всех устройств, USD

КомпанияЧисло

устройств

Полная стоимость,

USD

Illumina HiSeq 2000 (2500)

826 690000 569940000 Illumina 1520 720565000

Illumina Genome Analyser 2x

511 250000 127750000 ABI SOLID 329 157920000

ABI SOLiD 329 480000 157920000 Roche 367 183500000

Roche 454 367 500000 183500000 Ion 308 21400000

Ion Torrent (PGM) 248 50000 12400000Pacific Bioscience

44 30800000

Ion Proton 60 150000 9000000 Всего: 2568 1114185000

Illumina MiSeq 183 125000 22875000 Основано на открытых данных. Учитываетсятолько стоимость устройств. Стоимостьобработки данных и сервисы не учитываются(реагенты, чипы и т.д.)

Pacbio RS 44 700000 30800000

Total: 2568 1114185000

В основном секвенаторы второго и третьего поколений. Распространение секвенаторов первого

поколения ограничивает высокая стоимость устройства, единичного анализа и время работы.

Большинство устройств для секвенирования имеет стоимость выше 150000 USD, требует доступа к

значительным вычислительным устройствам (суперкомпьютерам, облачным сервисам), имеют высокую

цену обслуживания и запуска, таким образом приобрести и использовать оптические NGS секвенаторы

могут только крупные научные центры.

Распределение по платформам

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Illumina HiSeq2000 (2500)

Illumina GenomeAnalyser 2x

ABI SOLiD Roche 454 Ion Torrent (PGM) Ion Proton Illumina MiSeq Pacbio RS Total:

Тыся

чи

Machines by platform Total value, USD

Общий рынок NGS систем, расходных материалов, сервисного обслуживания и т.д. составил в 2011

году 1.6 миллиарда USD. В 2013 году уже 2-2,5 миллиарда USD. Прогнозируется рост до 5-6.6

миллиардов USD к 2016 году. Только устройств второго и третьего поколения продано за все время их

выпуска на рынок на сумму более 1 миллиарда USD.

Например, рыночная капитализация компании Illumina (NASDAQ: ILMN) более 18.6 млрд. USD, а

капитализация Pacific Bioscience (NASDAQ: PACB) более 317 млн. USD.

Общая ситуация

Основным лидером в области высокопроизводительных систем являются компания Illumina (второе

поколение секвенаторов). В области настольных систем для анализа относительно небольших

последовательностей Life Technologies (Ion PGM – второе-третье поколение) по числу установленных

секвенаторов и компания IIlumina (MiSeq) от выручки от проданных устройств. Но учитывая

относительно недавний выход Ion Torrent на рынок при очень активных продажах наиболее вероятно их

лидерство в этом сегменте рынка. Вывод в начале 2012 года нового продукта для анализа полных

геномов (Ion Proton – более производительная версия Ion PGM) по цене в 150000 USD может сместить

рынок в сторону их продуктов.

Происходит вывод на рынок устройств 3-го поколения. Несколько компаний разрабатывает устройства

4-го поколения.

Происходит разделение рынка на два направления – секвенаторы с высокой производительностью,

высокой стоимостью для научных центров (более 150000 USD) и секвенаторы с низкой

производительностью (настольные системы) для отдельных лабораторий (устройства Ion Torrent PGM,

Illumina MiSeq и Roche 454 GS Junior – стоимостью до 150000 USD).

Разделение линеек продукции основных производителей на два направления. Производительные

системы для научных центров и настольные системы для лабораторий и малых компаний. Цены

устройств делятся аналогично 300-900 тыс. USD за большие системы, менее 150 тыс. USD за

настольные системы. Появляются «промежуточные системы» - Next Seq 500.

Устойчивый рост отрасли. Потребность в устройствах для диагностики с низкими затратами на

обслуживание. Цена самого устройства влияет пока незначительно. Основная масса проданных

устройств относится к верхнему ценовому диапазону.

Разрабатываемые технологии

Нанопоры

Для секвенирования с использованием пор предлагают различные технологии. В общем виде

технологии основаны на том, что при прохождении ДНК через пору регистрируется какой-либо сигнал.

Это может быть ионный ток, туннельный ток, изменение ёмкости, флюоресценция и т.д.

Genia Technologies, Inc.

http://www.geniachip.com/

Регистрируется

изменение тока при

прохождении отдельных

нуклеотидов через

нанопоры.

OxfordNanoporeTechnologies

https://www.nanoporetech.com

Регистрируется изменение тока при прохождении

отдельных нуклеотидов через нанопоры или

прохождения цепочки ДНК через пору.

Предполагается использовать различные варианты

пор (биологические, изготовленные методом

литографии, из графена и т.д.)

IBM

Регистрируется

изменение тока при

прохождении цепочки

ДНК через

сформированное

методами литографии

устройство.

http://www.geniachip.com/

https://www.nanoporetech.com/

Нанопоры

Nabsys

http://nabsys.com/

Регистрируется изменение

тока при прохождении

цепочки ДНК с метками

через поры.

Noblegen Biosciences, Inc.

http://www.noblegenbio.com/Technology.htm

l

Регистрируется изменение тока при

прохождении цепочки ДНК с метками


Другой метод предполагает регистрацию

флуоресценции меток при прохождении

цепочек ДНК через поры.

Nabsys

http://twoporeguys.com/

Регистрируется изменение

тока при прохождении

цепочки ДНК с метками


http://nabsys.com/

http://www.noblegenbio.com/Technology.html


Нанопоры

Two Pore Guys


Дополнительно к регистрирующей поре

добавляются ещё два слоя для фиксации

цепочки ДНК.

HEWLETT PACKARD

US 2006/0275911 A1

ДНК протаскивают между частицами серебра в фокусе

лазерного излучения для получения SERS.


Электронный микроскоп

ZS Genetics

http://www.zsgenetics.com/

Секвенирование с помощью электронного

микроскопа. Цепочки ДНК допируют атомами

тяжёлых металлов.

Electron Optica

http://www.electronoptica.com/

Секвенирование с помощью электронного

микроскопа. Цепочки ДНК допируют атомами

тяжёлых металлов.

http://www.zsgenetics.com/

http://www.electronoptica.com/

Чипы

GenapSys

http://genapsys.com/

Секвенирование на чипах. Предположительно в

основе технологии лежит изменение силы тока

при присоединении новых нуклеотидов.

Существует ещё около 30 компаний с различными проектами на стадии R&D.

http://genapsys.com/

Троицкий инженерный центр

ООО «Троицкий инженерный центр» - частная коммерческая

организация, созданная для проведения научно-

исследовательских и опытно-конструкторских работ, производство

и продажи наукоёмкой продукции, оказания консалтинговых и

маркетинговых услуг в области высоких технологий.

Мы предлагаем услуги по инженерному, маркетинговому и

технологическому сопровождению разработок в области

оптической спектроскопии, электроники и связанных областях.

Пример задачи: создание считывающего устройства для

микрофлюидных чипов. Цена коммерческих устройств около 2

млн. руб. Отечественного пока не представлено.

Спасибо за внимание!

Владислав Трошин

[email protected]

8-929-509-44-89

ООО «Троицкий Инженерный Центр»

Россия, 142190 г. Москва, г. Троицк, Сиреневый бульвар, д.1.

www.trdc.com