数字PCR作为第三代PCR技术，它是将分子生物学与现代微机电、微纳制造等工程技术相结合的典范。数字PCR以聚合酶链式反应的理论和技术体系为基础，结合现代微机电和光学检测技术，实现单分子水平的核酸精确定量检测。数字PCR的核心思想是将核酸样品平行划分为大规模单分子水平的微反应单元，然后对众多微反应单元内的靶序列进行扩增和光学检测，实现绝对定量和痕量分析。该技术的诞生和发展为核酸精确测定和基因分析提供了全新的思路，并具有比传统实时荧光定量PCR技术更好的精确性和灵敏度。目前，该技术已经在肿瘤个体化诊疗、基因编辑、液体活检等前沿生命科学研究、临床医学检验及生物医学检测等多个领域实现突破性应用和发展。

       一、数字PCR简介

       Naica crystal全自动微滴芯片数字PCR仪系统

       PCR(Polymerase Chain Reaction)反应即聚合酶链式反应,是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术,它可看作是生物体外的特殊DNA复制,PCR的最大特点,是能将微量的DNA大幅增加。利用这一特性,可以将样本中微量DNA进行大量扩增(如血液,唾液,病原体等),进而进行下一步检测。

       对样本DNA进行定量分析的一种方法为定量PCR,其原理是利用荧光探针对产物进行标记,利用与参照DNA荧光强度的比值得到样本DNA含量。然而定量PCR往往需要绘制标准曲线,且需要参照样本作为对比,得到的DNA定量也是相对定量分析,无法满高精度的测量需求。        数字PCR原理实例

       数字PCR技术就是力求做到对DNA绝对定量的技术,该技术利用对样品进行微滴化处理,使得每个微滴成为“微反应器”,进而实现“单分子模板PCR扩增”。该策略进行统计分析时,可以不依赖于标准曲线和参照样本,直接检测目标序列的拷贝数,使得检测灵敏度,精确性大大提高。因而在极微量DNA样本检测;复杂成分中微量检测;稀有突变检测等需要高精度定量分析领域具有优势。

       二、市场综述

       研究报告预测，2019-2024年全球定量PCR和数字PCR市场将以8.8%的年复合增长率增长，从2014年的41.13亿美元增长到2014年的62.7亿美元。其中，数字PCR的增速更快达11.9%，将从2014年的4.75亿美元，增长到2024年8.34亿美元；定量PCR的年增速为8.37%，从2014年的36.28亿美元，增长到2024年的54.37亿美元。
       截止到2016年,北美仍然是最大的市场,其次是欧洲,再其次是亚太地区。虽然亚太地区目前市场份额不是最大的,然而在未来5年增长率将会是最高的,其中中国,日本,印度三个国家将是亚太地区市场和技术增长的主要来源。

       对企业类型进行划分,分为三档企业,其中第一档为收入大于10亿美元企业,第二档为1亿至10亿美元,第三档为小于1亿美元。发现分别占有45%,34%,21%,这说明该行业存在巨头,但是尚未形成垄断,对于相对初步的企业仍有机会。
       三、增长优势

       利于数字PCR市场增长的条件有很多,主要体现在医疗服务本身的需求,政策利好以及人口增长和老龄化等因素。

       1、精准医疗与肿瘤治疗需求

       精准医疗(Precision Medicine)是以个体化医疗为基础、随着基因组测序技术快速进步以及生物信息与大数据科学的交叉应用而发展起来的新型医学概念与医疗模式。其中一个重要的环节就是对于特定患者的基因,基因组样本进行分析,对于致病突变检测和定量分析的精确性要求尤其高,因此呼唤新一代PCR技术的应用,而这正是数字PCR的优势所在。

       具体到肿瘤治疗领域,普遍认为早期检测和个体化治疗将提高治疗效果。而这两个领域数字PCR都将带来进步。

       在肿瘤形成的超早期,会出现肿瘤细胞的坏死和凋亡,这些凋亡或坏死的肿瘤细胞会释放其DNA进入外周血,因此通过分析循环血液中是否含有肿瘤特异的游离DNA可以达到肿瘤早期筛查的目的。然而此时DNA含量极低,因此需要高灵敏度和高精确性,这是除了数字PCR技术其他技术所达不到的。另外进行个体化治疗时,需要对基因组样本进行分析,此时利用数字PCR技术也能大大提高结果的可信性,进而建立合理治疗方案。

       2、国内政策利好

       《“十三五”医疗器械科技创新专项规划》中,提到需要发展前沿关键技术,引领医疗器械创新,其中列出5类重大产品研发重点发展方向作为重点任务。在体外诊断类一项,提出要发展新型分子诊断系统。重点开发现场快速提取/检测核酸一体化平台、新型基因测序仪、随检全自动核酸检测系统、定量数字PCR等系统。

       另外早在2014年,国家食品药品监管总局(CFDA)制定印发《创新医疗器械特别审批程序(试行)》,力求保障医疗器械的安全、有效,鼓励医疗器械的研究与创新,促进医疗器械新技术的推广和应用,推动医疗器械产业发展。

       可以预测,在政策的鼓励与扶持下,数字PCR在未来审批程序将有望简化,有望在国内产生高速发展。

       3、人口增长与老龄化

       由于我国人口增长和愈发显著的老龄化趋势,导致肿瘤医药市场增长和体外检测需求增长。数字PCR在肿瘤检测、传染病检测、遗传病等疾病检测上具有极大的优势,增长的医疗市场将进一步推动数字PCR的增长。
       四、数字PCR主要品牌和企业

       国外品牌

       Bio-Rad

       Bio-Rad的技术主要来源于QuantaLife公司，QuantaLife 利用油包水微滴生成技术开发了微滴式数字PCR技术，这也是最早出现的相对成熟的数字PCR平台，在运行成本和实验结果稳定性方面都基本达到了商品化的标准。2011年，QuantaLife 公司被Bio-Rad公司收购，其微滴式数字PCR仪产品更名为QX100型号仪继续在市场上销售，这个早期型号为dPCR概念的普及和应用领域的拓展发挥了重要作用。2013年该公司又推出了升级型号QX200。

       RainDance

       RainDance于2012年推出Raindrop型号数字PCR，能够提供更高的检测动态范围，适用于处理更大浓度差异的不同样品，这个设备将其原有的二代测序文库制备平台技术平移到数字PCR技术平台，在高压气体驱动下，将每个标准反应体系分割成包含100万至1000万个皮升级别微滴的反应乳液，该公司的创始人之一Darren link表示这种超高的微滴数目可以为用户“提供更高的检测动态范围，适用于处理更大浓度差异的不同样品”。在2017年Bio-Rad完成了对RainDance公司的收购，可以视作数字PCR领域的强强联合。

       ThermoFisher

       applied biosystems于2013年也推出了产品，Quant Studio 3D数字PCR系统，这也是目前数字PCR市场上最新型号的产品。采用高密度的纳升流控芯片技术，样本均匀分配至20,000个单独的反应孔中。在整个工作流程中，样本之间保持完全隔离，可以有效地防止样品交叉污染，减少移液过程，简化操作步骤。同时芯片式设计避免了微滴式系统可能面临的管路堵塞问题。作为applied biosystems在OpenArray芯片平台之外推出的全新的芯片式数字PCR系统，值得一提的是，这个全新的系统在设计理念上综合考虑了系统稳定性与运行成本因素，直接反映了该系统“适合所有分子生物学实验室使用的数字PCR系统”的市场定位。2013年，Thermo Fisher收购applied biosystems。

       法国Stilla Technologies

       法国Stilla Technologies公司位于法国巴黎Villejuif生物园，成立于2013年，专注于开发新一代、高分辨率的基因检测工具，其产品Naica Crystal微滴数字PCR系统是市场上操作最简便、而且是唯一一款同时实现三色检测的数字PCR系统，为生物研究人员提供快捷、精准的核酸绝对定量工具。

       国内品牌

       臻准生物科技（上海）有限公司 

       2017年, 臻准生物科技（上海）有限公司正式推出我国首款拥有完全自主知识产权的芯片式数字PCR系统AccuOne™，可广泛应用于肿瘤液态活检、靶向治疗伴随诊断、无创产前检测、病毒和细菌检测、食品安全检测、遗传相关疾病诊断、基因表达分析、环境检测和分子生态、农业和动植物检测等多个领域。

       2018年7月，由领航基因科技(杭州)有限公司研发的名为iScanner24生物芯片阅读仪获浙江省食品药品监督管理局（浙械注准20182400319）医疗器械产品注册证。该产品适用范围为“与适配芯片配合使用，用于样本待测基因的检测”。

       2018年4月，卡尤迪发布了自主研发的数字PCR产品，可满足临床和科研对高灵敏度的需求，研究机构对检测成本要求严苛的需求，是一款具有多重检测功能和易于使用的平台。

       2017年10月，顺德永诺发布了拥有自主知识产权的微滴式数字PCR仪MiniDrop™。MiniDrop™由Creator微滴生成仪、Detector微滴检测仪、MD Microchip微流控芯片及MD Plotter数据分析软件组成。该系统创新性采用高压驱动的方法，可在40 μm微管道中利用气压驱动在2分钟内将样本分割成50万份。

       2017年9月，小海龟科技发布了芯片式数字PCR产品BioDigital華系统，包括微液滴生成仪、图像采集分析仪、芯片和试剂。该系统可在2分钟内在dPCR芯片上生成2万余个体积为0.79nL的微液滴，检测全流程可在1.5小时左右完成。

       2018年7月，新羿生物发布拥有完全自主知识产权的TD-1数字PCR系统，并推出的液滴生成油、检测油、PCR Master Mix和EGFR突变检测试剂盒等已率先发放试用装，经全国数十家单位独立评测，证明试剂可与进口数字PCR平台很好兼容，质量与进口产品相当，部分指标甚至优于进口产品。

       上述众多原创技术企业为数字PCR自主创新而不懈努力，同时，还有部分企业采取国外数字PCR技术进行本土化的策略，助力我国数字PCR产业的发展。

       科维思、诺禾致源和泛生子与美国Thermo Fisher署合作协议，在中国本地化芯片式数字PCR系统，成为三家在该技术平台上合作的中国企业。2017年，诺禾致源的数字PCR芯片阅读仪Digital PCR NG、科维思的生物芯片阅读仪IA-1和泛生子生物芯片阅读仪GENETRON 3D相继获批。

       随着基因测序产业的不断发展，竞争也愈发激烈，基因测序设备的国产化已经成为共识。具有高灵敏度和特异性的数字PCR已经成为这场竞备赛中的一大热点。在政策支持下，国内相关企业机构大力推进数字PCR的国产化进程。未来希望能够更多更好的国产数字PCR研发成功，共同促进我国精准医疗与基因测序产业的健康发展。