生命科学仪器现状及北京支持方向建议

王郅媛1 杨鹏宇1 解 静1 孙立桐 吴爱华

(1.北京科学仪器装备协作服务中心，北京100035； 2.中国仪器仪表学会分析仪器分会，北京100085)

当前，全球科技竞争日趋激烈，生命科学技术在解决人类面临的环境、资源、健康等重大问题上展现出广阔前景[1]。工欲善其事，必先利其器。生命科学技术的突破，越来越依赖于作为“研究工具”的生命科学仪器的创新[2]。所以，国内外对生命科学仪器的需求十分强劲。但是，生命科学技术应用所涉及生命科学仪器有上百种，相关国产技术的发展阶段不尽相同，市场需求也大小不一。同时，多种国产生命科学仪器相对进口仪器而言，技术竞争力不强，市场占有率不高[3]。因此，有必要通过调查研究来筛选出特别值得支持的生命科学仪器研发方向。

本文首先通过对生命科学仪器行业用户、企业等进行深入调研、访谈，获得一手资料。然后，疏理并分析国务院及各相关部门出台的文件，细致研究了多篇相关文献，查阅分析了大量有价值的网络资料。最后，根据市场需求情况、政策符合度情况、国产技术成熟度情况及国产技术研发布局情况进行逐步分析，找出了具有支持必要性的生命科学仪器以及适合北京地区优先支持的生命科学仪器研发类别。

1 生命科学仪器的分类及功能

生命科学以生物学为基础和主体, 包括了生物学的各个领域，其以分子生物学为核心，同时还包括以细胞生物学、微生物学、植物学、动物学和临床检验为基础的农学、林学、医学等应用学科。所谓的生命科学仪器顾名思义就是生命科学领域中使用的仪器[4]。

根据仪器原理、主要功能等不同维度可将生命科学仪器分为不同类别。但通过统计研究发现，在不同的生命科学学科中使用的仪器有较大区别，为了能更清楚的表述不同仪器在生命科学领域中应用功能，本文据此将生命科学仪器大体分为7类，分别为：分子生物学仪器、细胞生物学仪器、微生物检测仪器、动物生理、病理仪器、植物生理生态仪器、临床检测仪器、生命科学通用仪器等。

生命科学通用仪器：是指在生命科学不同学科中或其他领域普遍使用或通用的仪器，例如：显微镜、电镜、液相色谱、液质联用仪、实验室通用设备等。

2 生命科学仪器市场情况及技术发展趋势

2.1 生命科学仪器市场情况及趋势

2.1.1生命科学仪器市场情况

据美国SDi公司发布的报告，2018年全球实验室分析及生命科学仪器行业规模达750亿美元[5]，并预测2019年增长率为6%。据《化学与工程新闻》(C&EN)杂志统计，2018年全球TOP20仪器企业排行榜被8家美国企业、5家日本企业、3家瑞士企业、3家德国企业及1家英国企业所占据(见表1)。排名第一的赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)2018年仪器业务收入高达63.33亿美元。

这些大企业集团每年还在不断通过兼并和收购的方式进行扩张。以赛默飞世尔科技公司为例，2016年收购了全球知名的扫描电子显微镜制造商FEI公司和基因分析仪器制造商Affymetrix公司，2017年初又收购了流程系统制造商Finesse Solutions公司，之后又宣布收购了荷兰桌面扫描电子显微镜制造商Phenom-World公司。

表1 2018年全球TOP20仪器企业

2.1.2生命科学仪器市场走向

有关媒体报道，全球生命科学仪器市场将以6%的速度增长。近年生物产业在我国作为七个战略新兴产业之一，成为政策与资金关注的焦点，其已步入快速发展期。近几年，全球分子诊断市场发展速度达到10%以上，而中国分子诊断市场增速超过20%。而另一个生命科学热点中，以转基因技术为核心的生物育种更是我国生物农业发展的龙头。

生物产业的发展必然为生命科学领域重要工具——生命科学仪器带来巨大的市场机会。国家支持力度加大以及生物产业本身蓬勃发展带来的巨大采购需求，使得中国市场是生命科学仪器最强大的驱动力。

2.2 生命科学仪器技术发展趋势

2.2.1生命科学仪器技术向操作简单方向发展

随着样品越来越复杂，简单的解决方案显得越来越重要。因此供应商更注重仪器的简单、便捷，以使研究者可以更快的学会使用这些设备。科研仪器的功能在增加，但是用户经常没有时间去查看用户手册。因此，仪器的系统软件及控制面板需要更智能、更直观，以使用户在5分钟之内可以掌握仪器90%的使用功能。

2.2.2生命科学仪器技术向快速、灵敏、准确方向发展

生命科学分析其中的一个挑战是：小分子可以被精确的表征，但是生物大分子会有自然变异并且会随着细胞环境的变化而出现差异，造成生命科学研究者的样品不仅量少且复杂。这就要求分析检测仪器快速、灵敏、准确。除此之外对样品前处理的技术要求更加快速高效。

2.2.3生命科学仪器技术向着高通量发展

随着样品量的增加以及从一个样品中需要得到信息量的增加，生命科学研究者的工作量也在不断增加。这要求生命科学仪器技术朝着高通量发展。以蛋白组学研究为例，蛋白质被分离后，接下来的挑战是将数百、数千个蛋白质进行鉴定。传统的鉴定方法耗时、耗力，高通量筛选是使用者重点关注的方向。

2.2.4生命科学仪器技术向高自动化、小型化、集成化发展

随着样品量的增加，用户更喜欢自动化程度高的平台，因为高自动化水平代表了高通量且自动化水平的提高可以提高数据的精度和重现性。自动化、集成化程度高的专用平台将硬件、软件和试剂集成为一个综合、一键式分析系统，可将原先需要几天的工作在几分钟内完成。

3 有支持必要性的生命科学仪器

3.1 较大市场需求的生命科学仪器

据统计，2012年国内市场生命科学仪器年销售额在0.5亿元以上的仪器约16种(不包括生命科学通用仪器)，其中销售额最高的为PCR仪，约12.2亿元，其主要应用基因扩增，其他种类生命科学仪器的市场销售额如图1所示。

图1 销售额在0.5亿元以上的生命科学仪器

3.2 有重大应用价值且依赖进口的生命科学仪器

在通用的科学仪器中，有些仪器在生命科学领域有重大应用价值且长期依赖进口。如应用在细胞生物学的科学仪器，例如：荧光显微镜、原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、激光共聚焦显微镜等；在代谢组学研究中经常用到的核磁共振波谱仪；在蛋白组学和代谢组学用到的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪、毛细管电泳质谱联用仪、全二维色谱飞行时间质谱联用仪、液相色谱三重四极杆质谱联用仪、液相色谱电喷雾四极杆飞行时间质谱联用仪；基因组学中用到的基因测序仪等。

4 国家重要战略和北京地区生命科学仪器发展基础

4.1 国家重要战略对生命科学仪器的需求

为加快推进生物技术与生物技术产业发展，科技部特编制了《“十三五”生物技术创新专项规划》，其中布置了重点突破的若干前沿关键技术[6]。

在颠覆性技术方面，发展新一代生物检测技术，包括：新一代基因测序技术；单细胞分离、基因组扩增、转录组扩增和单细胞基因组分析技术；蛋白质测序技术、新型质谱等技术；把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的微流控芯片技术等。这些都是具有支持必要性的生命科学仪器。

4.2 北京地区生命科学仪器发展基础

4.2.1北京政策对生命科学仪器的支持

北京市出台的对科技创新项目的相关支持政策中，明确将“生物医药产业”及“重大疾病科技攻关”列入十二重大专项中。生物医药产业及重大疾病科技攻关离不开生命科学仪器的支持，其中分子生物学仪器、细胞生物学仪器等发挥着重大的支撑作用。例如，我国“世界首例利用高通量测序技术同时避免单基因遗传病和染色体病的试管婴儿诞生”项目，就应用了分子生物学中的基因测序技术。

4.2.2我国相关地区生命科学产业化基础

从统计的数据来看，我国生命科学仪器制造与国外相比还有较大距离。但与其他省份相比，北京地区在生命科学仪器制造方面具有较为坚实的基础，是国内主要的生命科学仪器制造企业的聚集地(见表2)。

表2 我国主要生命科学仪器制造商

续表2

5 生命科学仪器研发方向的建议

5.1 关于未来优先推动生命科学仪器研发方向的建议

如前所述，在国家重要战略、技术发展趋势、生命科学行业需求、国产技术成熟度、北京市政策支持等方面进行综合分析，总结未来应优先支持的生命科学仪器技术，如下：

一是蛋白质测序技术、微流控芯片技术等；

二是PCR(包括梯度PCR、反转录PCR、实时荧光定量PCR、数字PCR等)、基因芯片(包括微阵列芯片)及其鉴定系统、分子杂交仪(特别是原位荧光杂交技术)、基因测序仪(包括二代测序仪及三代单分子测序仪等)、凝胶成像系统及其他高分辨高通量成像系统、核酸提取纯化系统、流式细胞仪(包括图像流式系统)、微生物自动鉴定系统、生物分子纯化系统(例如制备液相、离子交换色谱仪、凝胶过滤层析柱、亲和色谱仪)等；

三是荧光显微镜、原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、激光共聚焦显微镜等；

四是质谱技术，包括：基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪、毛细管电泳质谱联用仪、全二维色谱飞行时间质谱联用仪、液相色谱三重四极杆质谱联用仪、液相色谱电喷雾四极杆飞行时间质谱联用仪等。

5.2 关于推动生命科学仪器研发相关举措的建议

一是建议谨慎考虑企业转型的培育项目。有些企业因为转型，希望依靠某一款新型产品进入新的行业或领域，此类项目需谨慎考虑。因为作为初入者，该企业在生命科学领域并没有优势。如果后期不理想，该企业很有可能放弃该方向。

二是通用生命科学仪器的培育项目要考虑软件方面的配套。专用于某一领域或行业的科学仪器是很少的，大部分都是通用仪器，例如质谱仪器。质谱技术在生命科学的发展和应用，除了设备技术和硬件之外，还要匹配相应的软件。没有软件方面的配套，仪器在生命科学研究的应用会大打折扣。