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临床质谱将是诊断领域下一个“蓝海”?中泰证券2017-12-12

与基因测序相比,质谱适用于几乎所有分子的检测,包括核酸、蛋白、多肽、糖基等生物大分子和代谢产物、激素、维生素等生物小分子,既能定性又能定量;而基因测序的检测对象仅限于DNA分子。毫无疑问,质谱应用于临床将比基因测序拥有更广阔的施展空间。那么,质谱将会成为继“基因测序”之后诊断领域又一“蓝海”吗?

临床质谱检测是诊断领域下一个“基因测序”

我们认为现在的临床质谱检测类似于早期的基因测序。质谱与基因测序一样,由科研逐渐走向临床,作为一种新兴技术,我们认为临床质谱与基因测序有许多共同点,这也就意味着质谱很可能复制基因测序的发展,有很大的发展潜力,现在正处于快速发展的初期。

临床转化时间短,国内外发展时间差距小,时间差不到十年。质谱与早期基因测序一样,主要应用于科研领域,进入临床仅十年左右。

国内相关指南与规范有望推动行业的快速发展。NGS中NIPT的应用指南出台后,加速了NIPT行业的快速增长,而目前质谱的相关指南和规范并不完善,更多政策有望于2018年陆续出台,预计会推动临床质谱行业的快速发展。

上游仪器寡头垄断,多数企业通过采购质谱仪以服务模式开展业务。全球NGS市场主要被Illumina和Life垄断,国内多数企业通过采购进口测序仪提供测序服务;质谱仪基本被SCIEX、安捷伦等垄断,国内多数企业包括第三方也是通过采购质谱仪提供检测服务。

成熟临床应用处于开发期,平台延展性强,未来可开发项目多。目前NGS比较成熟的临床应用只有NIPT,肿瘤、遗传病等检测仍处于积累阶段;质谱目前比较成熟的临床应用包括微生物鉴定和新生儿筛查,维生素、激素等小分子检测和药物浓度监控等国内检测量还少,未来在代谢组学等领域有望延伸出更多临床检测项目。

临床质谱检测可以部分替代传统临床诊断方法学,应用范围广

什么是质谱?质谱就是使样本中各组分电离生成不同荷质比的离子,经加速电场的作用,形成离子束,进入质量分析器,利用电场和磁场使具有同一质荷比而速度不同的离子聚焦在同一点上,不同质荷比的离子聚焦在不同的点上,分别聚焦得到质谱图,从而确定其质量。质量是物质的固有特性之一,不同的物质有不同的质量谱,利用这一特性,质谱可以进行定性分析;同时谱峰强度与化合物含量有关,因此质谱也可以进行定量分析。根据不同进样系统、离子源或者质量分析器的组合,质谱分为多种类型,比如色谱质谱联用仪、基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、电喷雾电离质谱等。

临床质谱应用范围广阔,可在生化、免疫、微生物、分子等多领域对传统方法学进行替代。质谱技术在临床检验中的应用,主要涉及临床生化检验、临床免疫学检验、临床微生物检验以及临床分子生物诊断等多方面,质谱诊断比传统诊断技术更具灵敏性、特异性和准确性,且具有高通量、高效率和低成本的优势。质谱技术可在单次诊断中同时系统精确地检测出几十个甚至上百个生物标记物,并可检测出多种传统诊断技术无法检测到的生物标记物,如激素类小分子标记物等。

不同临床应用领域需要选择不同类型的质谱,微生物鉴定、新生儿筛查等为主流。根据组件选择搭配的不同,质谱分成多种类型,不同类型特性不同,适用于不同的临床领域,比如液相色谱串联质谱适用于小分子定量分析,包括新生儿筛查、维生素检测、药物浓度监测等;基质辅助激光解析电离飞行时间质谱常用于微生物鉴定(目前临床质谱应用相对成熟的领域);电感耦合等离子体质谱适用于微量元素检测(暂无商业化产品)等。

临床质谱检测是与基因测序并驾齐驱的平台型技术

精准医疗的前提是精准诊断,精准诊断的实现形式就是基因测序和质谱。基因检测作为对生命本源(DNA)的精确检测,将人区分成独立个体,从而实现个性化的诊断,而质谱则是因其高精准性从科研领域走向临床,可以对人体内的各项物质及其代谢产物进行监测,尤其是在代谢组学等领域具有较大的潜在价值。

通过与NGS的对比,我们可以看到:

不管是NGS还是临床质谱检测,其临床应用的探索与开发仅有十年左右。NGS龙头Illumina于2010年推出Hiseq2000 奠定其行业领先地位,同年NIPT开始初步应用于临床,至今NIPT仍然是NGS最成熟的商业化应用;而在临床质谱领域,目前全球应用相对成熟的微生物鉴定,从开发至今也不到十年。

NGS与质谱均为可应用于多个领域的平台化技术,且与大数据积累关联性强。基因检测通过对疾病的本质与起源进行检测分析,获得最精确的诊断结果和最合适的治疗方案,临床上可以用于妇幼、肿瘤、遗传病等多个领域;而质谱可以直接对体内各种物质及其代谢产物进行定量检测,全程对疾病的诊断、治疗、预后进行监测,目前已经应用于妇幼、感染、遗传病等领域;基因测序需要通过大数据分析获得结果和疾病的相关性,而质谱需要的则是不断完善数据库(主要是微生物和代谢组学领域的应用),以提高检测结果的准确性。NGS和质谱的临床应用均未被完全开发,未来仍有较强的平台延展性。

高技术壁垒的产品或服务通常由更专业、更专注的企业提供。通过对比NGS的商业化进程,我们可以看到成功的测序设备生产商并不是罗氏(罗氏收购454,最终关闭454业务)、雅培等传统诊断巨头企业,而是集中在更专注、更专业化的Illumina、Ion Torrent等企业;同时,在测序临床服务领域,最早在临床推广NIPT的Sequenom也是专注于质谱阵列基因分析技术的企业,并成功将NGS和质谱两大技术平台结合使用。再看质谱的商业化历程,可以看到微生物领域领头羊梅里埃并不是最早开发微生物质谱的企业,而是受布鲁克和BD合作的影响(岛津OEM制造);质谱龙头SCIEX则是一直专注于质谱领域;Agena则是从Sequenom独立出来,其MassARRAY 核酸质谱技术平台是世界首台获得美国FDA批准用于临床基因检测的质谱技术平台。我们可以看到四大传统分析仪器制造龙头占有超过70%的质谱仪市场,其中丹纳赫子公司SCIEX市占率22%,排在第一位,安捷伦、赛默飞和布鲁克市占率分别为20%、17%和16%,紧随其后,waters和梅里埃也占有10%左右份额。

强大的技术专业领先性使得设备制造企业在产品上占据全球制高地,但是在商业化推广上缺乏经验,与有渠道优势企业的结合可以推动新兴技术的市场化。以微生物质谱为例,梅里埃设备技术来源为国际领先仪器制造商岛津,而梅里埃则是在微生物领域市占率最高的企业,两者的合作进一步巩固了梅里埃在微生物领域的领先地位,同时也将质谱的临床应用推进了一大步,至今微生物鉴定仍然是质谱临床应用最成熟的领域之一;同理BD作为微生物市占率第二的企业,选择与质谱制造商布鲁克合作,也加速了质谱的临床推广。

美国临床质谱持续快速发展,中国临床质谱潜在市场300亿元

美国临床质谱占总检验市场15%左右,第三方检测机构主导其快速增长

美国临床质谱检测占医学检测市场约15%,第三方检测推动其持续快速发展。根据我们行业草根调研,美国临床质谱检测占总医学检测市场的15%左右,同时根据Quest的收入结构,2016年75亿美元收入中约10亿来自质谱检测项目,质谱占比约在13%,基本验证草根调研的结果,因此美国临床质谱检测市场总量大约在90亿美元。2016年美国临床质谱销售量在700台左右,按照每台30万美金计算,则2016年美国临床质谱仪销售额为2.1亿美元,因此通过第三方检测以服务模式进行检测成为临床质谱检测的主要模式。

全球临床用质谱产品销售预计增速20%,远超过整体诊断市场的增速。根据Kalorama Information的统计和预测,2016年全球质谱产品销售市场总规模达到18亿美元,预计到2021年达到32亿美元,年均复合增速在12%,其中试剂耗材规模增速超过行业增速,有望达到15%。从应用领域来看,科研用质谱虽然占据主要地位,但是临床用质谱增速更快,未来有望持续保持20%以上增长。

中国临床质谱在萌芽阶段,2018年有望成为开启300亿蓝海市场的转折点

中国临床质谱中期潜在市场300亿元,目前仅占医学检测市场1%不到,远小于美国的15%。我们按照美国临床质谱占比15%来预测,中国医学检测终端市场规模大约在2000亿元,则临床质谱的潜在市场在300亿元左右。根据我们草根调研,国内各第三方实验室的质谱检测大多仅有千万级别,其中较大的是广州金域和北京和合诊断,两者合计约不超过3亿元,我们估计国内质谱市场总规模不超过10亿,占总医学检测市场不超过1%,距离美国的15%还有很大距离。值得注意的是,国外临床质谱发展仅十余年,仍然处于快速发展期,因此国内长期临床质谱检测市场还有较大的想象空间。

以NGS为例,2016年10月废除NIPT试点,对于NIPT行业起到显著的推动作用,以华大、贝瑞和康为首的行业龙头企业均实现30%以上的业绩增长,行业进入快速发展期。与之对应,我们认为临床质谱检测可能也会经历类似的过程,目前质谱各临床应用领域的标准和监管办法仍不完善,同时考虑到国外质谱早期临床项目先以LDT的形式在临床医学实验室使用,国内相关机构已在积极制定LDT管理办法,我们预计临床质谱相关政策有望于2018年陆续完善出台,推动临床质谱行业的快速发展。

国外巨头和国内质谱仪/试剂盒有望陆续获批,2018年有望成为国内临床质谱元年。以串联质谱为例,根据我们草根调研的情况来看,2012年美国新增装机大约在100台左右,此后美国串联质谱领域进入加速上升期;而中国在2014-2015年受质谱法在新生儿筛查领域逐渐替代部分传统方法学影响,有个加速上升的趋势;我们预计2017年中国的年装机水平有望达到2012年的美国发展阶段(也就是新增装机100台),未来有望复制美国2012年以后的的装机速度和趋势;与此同时,不管是微生物质谱还是串联质谱,2018年有望进入产品集中获批的时间点(外资中安捷伦和岛津的串联质谱仪有望于2018年获批,多家国产厂商的配套试剂盒也有望拿证;安图的微生物质谱有望于2017年底或2018年初获批,2018年实现上市销售),更多企业加入到质谱临床推广的队伍中,进一步推动临床质谱的发展。总的来说,我们认为2018年中国的临床质谱检测有望进入加速上升期。

综合来看,美国临床质谱仍处于快速发展阶段,目前占总医学检测市场大约15%,未来占比有望继续扩大,而国内1%都不到,中期潜在市场空间有300亿元,长期想象空间更大。中国临床质谱相关政策有望在短期陆续完善出台,同时国内技术发展水平和市场推广逐渐成熟,相关产品有望陆续获批,我们预计2018年国内临床质谱检测有望进入加速发展期。

微生物鉴定、新生儿筛查、维生素检测,国内临床质谱最先商业化的三大领域

微生物质谱:外企垄断,保守估计24亿市场

微生物鉴定在临床上通常用于辅助诊断,判断感染类型、指导用药,鉴定环节越准确,诊断结果和治疗方案选择越恰当。微生物质谱(MALDI-TOFMS)鉴定微生物的主要原理是利用已知菌种建立数据库,通过检测获得微生物的蛋白质图谱,由于不同菌种核糖体蛋白(2~20k Da)大小有差异,将所得的谱图与数据库中的微生物参考图谱比对后可以得到鉴定结果。

优势:快、全、便宜、自动化。目前常用的检测方法为生化原理检测,流程较复杂,先判断革兰式阴性还是阳性,再根据形态、酶反应、显色等不同方法,将具体微生物种类鉴定出来,随着感染微生物的复杂程度不同,传统生物检测时间长到几天,短到几小时都有可能,且能鉴定出来的的种类有限,准确度一般。使用微生物质谱则:1、检测时间以分钟计,可实现高通量检测;2、目前最多可检测2000+种细菌,远高于传统的几百种;3、试剂耗材相对传统使用较少,除了一次性仪器投入,试剂耗材只有基质液和靶板;4、点板手工操作,后续自动检测分析。

国内微生物市场仍处于快速增长期。根据安图生物招股说明书所述,国内微生物检测试剂市场在2015年预计达30亿,增速在25-30%左右,仍然处于一个快速增长阶段。目前国内仅梅里埃和BD两家外企及北京毅新博创的微生物质谱获得CFDA认可,虽然外企大范围市场推广时间较短(大约2-3年),市场总装机量不超过400台,但是根据2016年检验医学网的数据,2015年在细菌鉴定和药敏检测中,梅里埃的质谱仪已达到了2%的市占率,增长迅速。总体来看占据主导地位的还是梅里埃和西门子的传统检测系统,目前合并统计后生物梅里埃在细菌鉴定和药敏检测中市占率高达61.08%,西门子紧随其后为26.71%,我们认为随着国产产品技术水平逐渐提高,未来有较大进口替代空间。

数据库是微生物质谱的核心壁垒。MALDI-TOF MS技术在临床微生物菌种鉴定领域的应用,除了技术本身,更重要的是依赖于质谱菌种鉴定数据库,因此,数据库中图谱的质量、数量都将直接影响鉴定的成功率与准确率,由于病原微生物分布流行情况不同,实验室在原有数据库基础上可补充建立本地病原微生物的质谱指纹图谱库,提高鉴定成功率。目前梅里埃和BD的产品均可以鉴定2000+种微生物,安图生物在微生物检测领域积累20多年,已开发出具有自主知识产权的中国本土化微生物菌株数据库,可鉴定超过1500种微生物,未来竞争优势良好。

我们保守估计微生物质谱出厂口径市场规模在24亿元。由于当前微生物市场中质谱占比较小,且对传统鉴定方法存在替代关系,我们通过医院理论配置数量来测算微生物质谱的市场规模。根据卫计委截止到2017年6月底的数据,全国三级医院2286家,二级医院8118家,理论上三级医院每家需要配置至少一台,大型二甲医院也需要配置,我们保守假设市场装机量3000台,按出厂价格80万计算,则微生物质谱设备的理论市场规模在24亿元。

串联质谱应用广阔,国内集中布局新生儿筛查和维生素检测

国内临床串联质谱(LC-MS/MS)集中在新生儿筛查和维生素检测领域。美国串联质谱商业化应用相对成熟的主要是药物浓度监测、小分子标志物检测、新生儿筛查和维生素检测等,各自占比比较均衡,中国新生儿筛查占了最主要的市场,根据我们草根调研,可能超过70%的份额,其次是维生素检测。我们认为造成这种差距的主要原因在于中国的LDT(实验室自建方法体系)政策并未放开,限制了质谱项目临床化推广和发展,目前还停留在较基础的检测领域。

优生优育等政策有望推动新生儿筛查项目的逐步增加。在美国,新生儿筛查是强制的(30种疾病强制筛查),除非家长出于宗教原因拒绝检测,2012年6月美国疾病预防控制中心报告中显示,美国每年400万新生儿中有98%的人接受筛查。欧洲只有少数国家明确要求做新生儿筛查,比如西班牙、法国、意大利等。我国在1994年颁布的《母婴保健法》中就提到在全国逐步推广新生儿筛查,目前全国范围新生儿先天性甲状腺功能低下和苯丙酮尿症两项足跟血筛查属于免费项目,部分地区(北京、广州等)已有4项免费(先天性甲减、苯丙酮尿症、葡萄糖6-磷酸脱氢酶缺乏症和听力筛查)。

LC-MS/MS在新生儿筛查上较传统方法学更准确、成本更低。传统新生儿筛查方法包括细菌免疫、放免、酶免、时间分辨荧光等,单次仅能检测一种疾病,相较于一次可同时检测多种疾病的质谱法来说,操作更复杂、耗时长,且单个样本检测成本高;从收费上看,虽然国家对部分疾病检测采取免费形式,但是加上40+项自费筛查项目,实际收费在100-1000元不等,而质谱法国内并未有统一收费,只在部分省市有定价,其中江苏省每次收费在180元左右,上海市在300元左右,重庆市接近500元左右。

获CFDA认证企业少,占据先发优势企业有望率先分享近30亿蓝海市场。2007年全国平均筛查率达到39%,2010年超过50%,我们预计当前筛查率已经达到90-100%,但主要是常规筛查方法。中国每年新生儿数量大约在1600万,假设90%采用质谱法进行筛查,按照终端平均200元/次的单价,则新生儿质谱筛查的潜在市场空间为28.8亿元。

维生素检测,质谱法有望成为最优检测方法学。维生素检测中应用较为广泛的就是维生素D检测。维生素D是一类脂溶性维生素,属固醇类衍生物,是包括人类在内的高等动物生命必需的重要营养素。维生素D主要的生理功能是调节体内钙、磷代谢并维持血浆钙、磷水平稳定,参与个体牙齿和骨骼的正常生长发育,目前临床上发现维生素D与多种疾病相关,包括骨科疾病(佝偻病、软骨病等)、免疫系统疾病(包括I型糖尿病、肺结核等)。

LC-MS/MS可准确定量D2和D3浓度,有望成为维生素D检测的金标准。维生素D主要包括五种化合物,分别为维生素D1、D2、D3、D4和D5,其中最重要的是D2和D3,维生素D2需要从食物摄取,而D3主要从皮肤和阳光接触合成,D3在人体内的作用是D2的3倍以上,从代谢时间上看,D2需要24-48小时代谢,而D3吸收代谢较快,只需要4-6小时就可以从肾脏排出。传统免疫方法学无法准确区分维生素的分型,仅能检测出维生素D的总含量,贸然作出诊断或治疗,容易出现维D中毒或治疗无效的情况;而LC-MS/MS特异性好,可以同时分别定量D2和D3的单一浓度,实现最有效的临床诊断。

市场前景大,暂无明确的单独项目管理办法。国内质谱法检测维生素多为一类注册或备案,相关企业包括济南英盛、复星长征、可力梅塔和迪安诊断等,目前终端并未明确质谱法的单独收费,普通维生素D检测价格根据不同级别医院情况,在50-100元不等,由于针对人群为普通人,如果纳入常规体检菜单中,检测量有望实现高速增长,未来市场的想象空间。