华大基因国产测序平台BGISEQ-500，开启“个性化医疗”新征程
2016-01-26 16:06:07   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近日，『第十七届“微言大义”研讨会：微流控技术及应用』在上海IC咖啡举办，本次会议由麦姆斯咨询、IC咖啡、中国传感网国际创新园、上海市物联网行业协会主办。来自微流控及生物芯片企业、生物医疗厂商、研究院所、学校和投资机构等150余人参与了本次研讨会，华大基因高级芯片工程师郑欢做了题为《华大基因的国产测序平台与应用》的报告。

华大基因成立于1999年，是全球最大的基因组学研发机构。华大基因以“产学研”一体化的创新发展模式引领基因组学的发展，通过遍布全球的分支机构与产业链各方建立广泛的合作，将前沿的多组学科研成果应用于医学健康、农业育种、资源保存等领域，推动基因科技成果转化，实现基因科技造福人类。经过十六年的发展，华大基因足迹遍布全球。

继超级测序仪Revolocity™之后，华大基因于2015年10月24日推出拥有完全自主知识产权、桌面型、高通量、一站式、开放性基因测序仪BGISEQ-500。在此之前，从科学发现到产业发展，从技术发明到造福人类社会，华大基因做了大量工作：完成了41000例人全基因组重测序、85000例人的外显子测序，这两个数据背后代表着华大基因发表的上千篇科研文献和无数的科学发现；同时完成了480000个新生儿的耳聋筛查、740000个产前诊断，这两个数据背后代表着华大基因至少为中国减少了4000多个因出生缺陷而不幸的家庭。

华大基因高级芯片工程师郑欢介绍华大基因16年发展历程

BGISEQ-500是一款远超预期的、有真正实战意义的国产测序仪，同时兼具了精准、简易、快速、灵活、经济五大优势。

华大基因高通量基因测序仪BGISEQ-500

华大基因高通量基因测序仪BGISEQ-500五大优势

* 精准：为临床和科研提供精准的测序数据。遗传统计学显示，人和猩猩的差异小于百分之一，人种间的差异小于千分之一，兄弟姐妹之间的差异小于万分之一，而肿瘤和正常细胞之间的差异，往往小于百万分之一。只有能准确检测出如此微小差异的测序仪，才能达到科研和临床的应用需求。BGISEQ-500测序准确度达到同行业领先水平。

* 简易：让所有的医疗机构和实验室都能方便的应用。为了保证测序仪能够简单易用，从开始到结束，从样品到报告，人工手动操作时间小于35分钟。使用无线射频识别(RFID)等标签技术，可自动监控整个实验过程，同时设计了整套样品管理、测序管理、信息分析管理的软件，能够实现从样品到报告全程简单且高效的良好测序体验。

* 快速：快速获取数据结果，减少等待时间。该仪器可实现快速测序，从样品到最后的结果最快只需要24个小时。为了实现这一目标，华大基因研究团队从上千个酶突变体中筛选得到最优秀的测序酶，能够使这个生化反应时间缩短到60秒完成。使用了目前市面上所有测序仪当中最快的相机，每秒钟能产生660Mb的数据，相当于7200转的硬盘的读写速度的五倍。同时开发了更高效的生物信息数据处理方法，测序完成之后的下机时间只需要15分钟，比目前大部分的测序仪都要快。

* 灵活：BGISEQ-500 能够适用于临床与科研实验室的不同使用场景和应用类型。拥有两种规格芯片：高通量芯片（FCL）一次测序能够完成两个高深度的人全基因组测序数据，而低通量芯片（FCS）能够在一次测序完成两个高准确度的临床外显子重测序。通过不同的试剂和芯片配置，这个仪器能够完成至少16种不同的模式，产量范围8Gb-200Gb。目前主流的测序仪如果要产生这十多种模式至少需要3台仪器才能完成，这大大节省了整个实验室仪器采购和管理成本。

* 经济：全套系统与同行相比节约1/3，个人全基因组测序价格仅需6699元。

这样一台里程碑式的测序仪采用了哪些先进技术呢？郑欢为大家做出了如下解答：

* DNB技术：基因组DNA首先经过片段化处理，再加上接头序列，并环化形成单链环状DNA，随后使用的滚环扩增技术（Rolling circle amplification, RCA）可将单链环状DNA扩增2-3个数量级，所产生的扩增产物称为DNA纳米球（DNA nanoball, DNB），最终纳米球经过DNB装载技术固定在阵列化的硅芯片上。

与其他二代测序技术相比较，DNB测序技术具有以下几个优势：

（1）DNB通过增加待测DNA的拷贝数而增强了信号强度，从而提高测序准确度；

（2）不同于PCR指数扩增，滚环扩增技术的扩增错误不会累积；

（3）DNB与芯片上活化位点的大小相同，每个位点只固定一个DNB，保证信号点之间不产生相互干扰；

（4）阵列化测序芯片和DNB测序技术的结合，使得成像系统像素和测序芯片的面积得到最大化利用。

* Pattern array技术：华大基因测序芯片的规则阵列（PatternArray）采用先进的光刻和干法刻蚀技术，在硅片表面形成阵列和对准标记，通过“涂敷深紫外光刻胶--阵列图案曝光—显影暴露局部硅表面—汽相沉积（氨基硅烷修饰）”系列处理，来实现DNA纳米球的固定。硅片最后被分切成25mmX 75mm的小片，成为测序芯片的基底。

* cPAS技术：联合探针锚定聚合技术（cPAS）：首先DNA分子锚和荧光探针在DNB上进行聚合，随后高分辨率成像系统对光信号进行采集，光信号经过数字化处理后即可获得待测序列。为了实现快速测序这一目标，生化团队探索并优化了大量反应条件，并从上万个酶突变体中筛选得到最优秀的测序酶，使生化反应时间缩短到60秒完成。此外，算法团队的实时图像处理软件，通过自主开发的Sub-pixelRegistration算法，使图像配准精确度达到了亚像素级别，大大提高了碱基识别的准确度；同时，通过Multi-threadparallel compression算法以及对执行效率的优化，实现了图像处理和碱基识别的实时化，数据处理速度处于同行业领先水平。

* MDA-PE技术：在科研和临床应用当中，双末端测序（Pair End, PE）扮演着非常重要的角色。BGISEQ-500开发初期，生化团队就将双末端测序放在了最高优先级上，并成功开发出一套基于多重置换扩增的双末端测序法（MDA-PE）。此方法的原理是，完成第一链（Forward Strand）测序后，在具备链置换功能的高保真聚合酶的作用下，形成第二链（Reverse Strand），并通过DNA分子锚，进行第二链的测序。MDA-PE法具有合成快、准确度高等优点。

* sCMOS 技术：为了使得BGISEQ-500测序的效率更高、更加准确，该产品使用了基于Scientific CMOS技术的高灵敏相机。sCMOS技术和我们手机、单反使用的CMOS技术有着本质的区别，虽然像素只有550万，但是在噪声、动态范围等方面有着质的差异。例如BGISEQ-500所采用的sCMOS相机的噪声只有1.1个电子，而普通CMOS芯片会有30个左右的电子。一个形象的对比是：当同等条件下，手机CMOS相机能刚能拍清楚月亮，而该测序仪sCMOS相机已经能够拍清楚星云。高动态比27000：1，简单的解释是：能同时将1倍亮度的信号和27000千倍亮度的信号同时清晰成像，一个类比是：在轰鸣的拖拉机旁边，能听得到蚊子的叫声。所以sCMOS 技术是目前半导体工业代表性的最顶尖的检测技术之一， BGISEQ-500所采用的sCMOS相机也是目前所有测序仪当中性能最高的相机之一。

BGISEQ-500是通用型测序仪，不仅可以用于临床还可以用于科研。临床方面将主要面向生育健康、肿瘤基因检测、病原微生物快速检测等应用，在科研方面将能够实现全基因组测序、转录组测序、表观基因组测序、宏基因组测序、分子育种测序等不同应用。郑欢为大家具体介绍了无创产前检测和肿瘤基因检测两大应用。

无创产前基因检测（简称NIFTY），NIFTY针对12周以上高危孕妇，通过采集孕妇外周血，从血浆中提取胎儿游离DNA，单芯片每次运行通量可以从16到96个样本，用户可以根据不同的样本量选择相应的运行模式，在最大程度降低运行单次运行成本。NIFTY能同时检测胎儿21-三体、18-三体、13-三体风险，最快24小时可以完成全检测，吻合率高达100%。

BGISEQ-500无创产前基因检测应用

BGISEQ-500测序平台也开发了华安泰™肿瘤个体化诊疗基因检测。这个系列包括6种不同类型的肿瘤检测试剂盒，分别针对肺癌、乳腺癌、肝癌、结直肠癌、胃癌和血液肿瘤，全面覆盖临床指南及已批准上市的靶向治疗和化疗药物相关基因，能完全满足肿瘤基因检测的临床需求。

BGISEQ-500华安泰™肿瘤个体化诊疗基因检测应用

基因是“生命天书”，决定着人的生老病死，而基因检测技术，则可以预测疾病患病率，提前预防并治疗，乔布斯，安吉莉娜•朱莉等名人都曾使用过基因测序技术。随着该技术的普及和价格的下降，未来的基因测序必将朝着“个性化医疗”的目标发展。作为国内基因测序行业的领头羊企业，华大基因始终致力于低的成本、高质量测序平台的研发，并加速更多领域的应用开发，最终推动全人类基因产业乃至生命经济的腾飞发展。