您现在的位置是:首页 >新闻频道资讯 2019-12-02 16:18:22

十年磨一剑!全球唯一获批具备一键式自动化NGS建库功能的思路迪ANDiS400前世今生

 

伟大的事物总有种和谐的美感。比如矗立在人类文明曙光中的胡夫金字塔,又比如乔布斯的iPhone。在它们呈现出的极致的简洁性背后,隐藏着精巧的设计和大量复杂的工作。时至今日,科学、技术和现代工业的飞速发展为我们提供着数不胜数的产品和解决方案,但只有少数能够脱颖而出,它们创造性地满足了某些基本的需要,作为伟大的产品被人们铭记。

如何将NGS在中国普及,让更多的患者从肿瘤精准诊疗中实际受益

当我们把目光投向肿瘤诊疗领域,随着更多靶向药物的上市以及免疫治疗、液体活检等新技术的涌现,越来越多的肿瘤患者看到了生存的曙光。在这样的背景下,成为关键性问题。正是基于对真实临床需求的深刻洞察,思路迪ANDiS(Automated NGS Diagnostic Solutions)自动化封闭式建库仪应运而生,并在第九届中国病理年会上正式发布(查看此前报道)。更为可喜的是,该款设备于近日获得医疗器械许可证,。ANDiS凭借其先进的设计理念——一键式自动化和全封闭式,为更多医院开展高质量下一代测序(NGS)检测提供了可行的方案。它的诞生凝结着思路迪在自主创新道路上的不懈努力,也折射出肿瘤诊疗一体化理念在临床中的重要价值。

思路迪创始人熊磊博士

自2014年推出其首款基于NGS的肿瘤基因检测产品以来,思路迪一直致力于推动NGS在中国的临床应用。“让NGS能够普及到每一个有肿瘤病人的医院”是的目标,但这一目标的实现却面临着以下两个挑战:

图:思路迪创始人熊磊

第一,NGS技术的复杂性制约着临床应用的普及。

多年来开展NGS检测服务的亲身经历,让思路迪对于NGS的复杂性有着深刻的理解。“上百步的实验操作,最少几百平米的实验面积,为了避免因为有诸多PCR过程导致交叉污染而设置的至少8间独立分隔且需要净化级别的实验室以及最少数十名训练有素的实验技术人员。这些条件,连国内知名大型三甲医院都很难满足,更不要提普及到中国广大地市级医院。”熊磊博士感慨道。

图:传统NGS实验室-8间房设计

第二,管理与质量问题也是NGS临床落地必须解决的问题。

操作越复杂,参与人员就越多,出错的概率也就越高,尤其是在医院检验科、病理科医生这种高强度的工作中。严格的质控流程可以发现检测过程中的错误,但是这只是后置性措施,而且无形中大大增加了成本和操作时间以及复杂性,更为重要的是,病人的治疗时间被耽误了,珍贵的临床样本被浪费了,患者也许失去了再次被精准诊断的机会。

自动化是必然方向。

如何才能突破这些障碍?熊磊博士说:“从全球医院检验体系的发展过程中,我们可以看到,新型检测技术在临床普及必定需要从手工操作走向自动化。以PCR为代表的分子诊断技术已经充分证实了这一点。”

陈才夫博士,思路迪诊断首席技术官,

也以自己在PCR分子诊断技术发展历程中的亲身经历对分子检测自动化的趋势进行了说明。陈才夫博士先后在Applied Biosystems、Pall Corporation、Thermo Fisher、IDT等国际知名公司创建和管理研发团队,在分子诊断行业拥有近30年经验,对分子诊断技术及发展有着极高的见地。

图:思路迪诊断首席技术官陈才夫

陈博士回忆道:“1996—1997年,当时在做qPCR产品的时候,我们主要考虑的有三件事:第一是多重目标,如何借助多个颜色标记实现多个位点的检测;现在NGS也是如此,从小Panel到大Panel。

第二是数字化,这样才能够测得更灵敏、更准确;这点与现在NGS的分子标签的使用相同。

第三就是自动化,医院诊断需要的是标准化、规范化、易质控的检测项目。实现自动化,尽可能地减少人为干扰是必然的发展趋势。”

但是自动化的实现绝非轻而易举。以PCR这种相对操作简单的技术平台为例,直到2005年Cepheid(见下图)的第一款全封闭卡盒式自动化PCR检测产品的问世,才实现了qPCR的封闭式自动化。针对NGS这类高度复杂的实验体系,开发自动化平台的难度更是可想而知。

图:Cepheid GeneXpert

挑战并没有吓住思路迪。带着对行业发展趋势的笃定,研发工作启动了。

首先是技术路线的选择。直接基于广泛在科学研究和药物研发市场使用的移液工作站进行开发似乎顺理成章,也更加容易,多家提供移液工作站解决方案的公司都在早年和思路迪接触过,但熊磊博士认为,这种路线其实存在着很多问题:

第一,交叉污染。

陈才夫博士介绍到,在工作站式的检测中,对于高灵敏的分子诊断来说,由于其多个样本的平行检测是在一个开放式的工作站环境中,交叉污染是不可避免的问题。因此FDA指南要求基于移液工作站式的自动化PCR设备必须提供交叉污染的数据。很多知名设备生产商的数据都显示,使用移液工作站进行PCR分子诊断操作,带来的交叉污染所造成的假阳性率从千分之几到百分之几不等。

图:HPV分子检测FDA指南节选

在未来每年单个医院就面临上万例的检测量下,就可能有几十乃至上百人得到假阳性的结果。而肿瘤基因检测有别于其它辅助诊断,其检测结果直接影响患者的治疗方案。千分之几到百分之几的假阳性概率发生在任何一例患者身上,都很可能性命攸关。只有独立的封闭式的检测体系,才能真正地避免这种情况的发生,真正实现零污染,这才是对患者负责到底的态度。

第二,灵活性。

陈才夫博士认为,工作站检测的通量灵活性差,需要成批检测,所以既往罕见在医院检验病理科使用,更多是在药物研发机构中使用,一般用于高通量筛选实验。例如,小型工作站,一般至少需要8个样本,因为是工作站统一操作,因此一般只能使用一种检测试剂,也就是说不能在同一批次同时检测多种不同的panel。如果将探针外置,每次操作临时加入不同的反应孔,一则增加人工操作步骤,带来出错风险;二来人工操作带来每个样本的探针添加误差,导致数据稳定性出现波动。目前NGS检测的样本类型有组织、血液甚至其他体液样本;不同样本检测的panel要求也存在不同;不同临床需求也需要不同的建库方法。这就需要在医院能够同时运行不同的程序和不同的panel产品,以满足临床个性化的需求。显然基于移液工作站的自动化设备是不能实现肿瘤个性化诊疗的目的。熊磊博士补充到,医院的检测要求从来都是满足个性化需求,且拥有随到随做的插队检测系统。

图:思路迪体外诊断副总裁蔡平

第三,成本。

提到,自动化工作站的原理使得其需要消耗大量的一次性耗材,成本投入,不利于未来广大医院的检测普及。

只有全封闭卡盒式设计才能真正地将NGS技术在同时杜绝交叉污染和满足灵活性两个条件下,做到真正的普及,

“我们做决定不是根据难易程度,而是其方向是否满足患者的终极需求。”陈才夫博士强调,“ANDiS独立封闭卡盒式的设计实现起来必定会有很多的挑战,我们也确实花了大量的时间、人力、物力去解决,但是惠及更多的肿瘤患者。”在陈才夫博士看来,“移液工作站式的自动化注定只是权宜之计,最终会被替换掉。”

佐证这个判断的就是Cepheid和Filmarray两家国际著名的分子感染检测平台的全球市场占有率。和罗氏、PE、雅培、贝克曼等基于移液工作站原理的全自动化PCR相比,前二者是全封闭卡盒式自动化平台,目前在全球装机已经接近2万台,因为其样本制备和反应全过程封闭在一个独立的卡盒内,不仅简单易用,还完全杜绝了交叉污染,成为目前主流的分子感染检测平台。

iCubate创始人韩健博士

面对比常规PCR步骤多数十倍的NGS技术,用一个封闭式的系统实现复杂的NGS建库,之前还鲜有人敢尝试。思考着在全新的领域该如何落脚,熊磊博士想起了之前与分子诊断公司的交流。为了不断推进多重PCR的分子诊断技术及检测自动化更适用于临床诊断。韩健博士在创建iCubate之初与很多临床医生进行过交流。其中与西雅图儿童医院秦萱教授的沟通令他印象深刻。秦萱教授曾高度认可高灵敏多重PCR与自动化技术的结合,并强调污染对诊断结果造成的影响不可忽视,只有采用封闭式的检测系统才能从根本上解决样本间交叉污染的问题。韩健博士多年对分子诊断的理解也使他深刻地认识到这一点,最终促成了韩健博士开发全封闭式的iCubate检测平台。iCubate的核心产品是一次性全封闭卡盒及其配套的iCubate全自动多重微生物核酸检测系统,能够实现多重PCR的自动化(查看此前报道)。

图:iCubate创始人韩健

这套技术是否可以为NGS的自动化提供帮助呢?思路迪找到韩健教授,双方的交流很快碰撞出了火花,韩教授非常支持思路迪在NGS技术方向的全自动化探索。思路迪很快引进该技术,并开始招募组建设备工程和电气软件研发团队,自动化NGS建库平台的研发迅速展开。也正是3年前彼时的那抹火花,才使得今日ANDiS自动化封闭式建库仪能够呈现于世人面前。

思路迪Assay Development研发部高级总监许青博士

然而iCubate的平台主要是PCR检测的自动化,在iCubate平台的基础上,要使其更好地适用于肿瘤NGS文库的构建这一比PCR操作和反应体系复杂数十倍的技术,还需要对原有平台进行消化、吸收与优化。告诉测序中国,其团队在研发初期遇到了许多技术障碍:首先,面对NGS如此复杂的步骤,卡盒内置枪头要移动远远比PCR操作多得多的步骤(多达数百次移动操作),每增加一次移动操作,就带来一次对结果的精度挑战;其次,NGS操作所需要的试剂组分远远多于PCR试剂组分,如何将这些组分尽可能减少合并到更少的反应孔,以降低操作的复杂度;再次,如何确保合并试剂组分之间不冲突,以及预置在一个卡盒中的所有试剂都统一实现同一温度储存,这些条件改变带来的稳定性研究,也是Assay Development团队面临的挑战;最后,自动化操作设备是一个系统工程,需要设备工程、电气工程团队与湿实验团队之间相互磨合,局部最优并不能带来最终结果的最优。所有这些都没有现成经验可以借鉴,没有同类产品可以学习,NGS如此复杂的操作步骤是否可以实现卡盒式操作也无人可以给出答案,可以说全封闭卡盒式NGS自动化是NGS研发领域的无人区,对团队的实力和韧性提出了更高要求。

图:思路迪Assay Development研发部高级总监许青

对于研发过程的艰难困苦,陈才夫博士感触良多。“在研发的初期,ANDiS的建库成功率只有80%左右,而且不同批次间很不稳定,这对一个临床诊断产品是不可接受的。这个问题困扰了我们很长时间,几乎使项目濒临夭折。最大的苦恼是找不到这个问题发生的原因。后来,我们引进了更多设备工程研发方面更有经验的资深工程师,寻找可能的原因,一项一项地进行测试,花了大量的人力和物力,幸运的是我们最终突破了这个难点。目前ANDiS的建库成功率基本能够稳定在98%以上,预计很快会达到99.9%以上。与此同时,通过对assay做新的反应体系改造,建库操作也从最初仅PCR就需要7个小时缩短到以一个完整的NGS建库最短只需3.5小时,手工操作时间仅需3分钟。”

蔡平补充道,“这使得医院可以做到常规2.5天出具NGS报告,极端情况下,最快可以做到1.5天出具NGS诊断报告。这对医院来说至关重要,因为许多新技术虽然可以带来先进的诊断,但由于出具报告时间太长,大大影响了医院的患者治疗周转期,从而很难为医院所采纳。”

思路迪IT大数据副总裁杨韩雁先生

与自动建库相对应,自动出报告是另一个关键环节。说,思路迪在开始基因检测业务的第一天,就致力于发展“干实验”环节自动化系统的技术开发,从早期支持人工分析和报告撰写流程的信息管理系统,到基于数据库且需要专业技术人员管理变异数据的半自动化系统,到今天建立的涵盖人工智能技术、规则引擎技术和知识库构建技术的软件技术平台,思路迪开发了干实验中的(estnformation maagementssistant)。该系统在整个数据分析与报告过程中无需专业技术人员参与,保障“干实验”的准确性、稳定性和时效性。

图:思路迪IT大数据副总裁杨韩雁

“湿实验”和“干实验”的技术壁垒被一个接一个地攻克,ANDiS和TINA诞生了。它们像一对情侣,相伴而生,相向而行,象征着硬件和软件的完美结合,为医生带来帮助,为患者带来温暖。

国家二类医疗器械注册许可证(注册证编号:沪械注准20192220494)

2019年11月15日,全球首款具备自动化封闭式建库功能的设备,ANDiS400成功获得,为NGS在全国各地大、中、小医院的大规模推广应用进一步铺平了道路。谈到ANDiS成功上市的关键因素,陈才夫博士用一个词进行了概括:。“熊磊博士就是认准了这件事儿,认为它一定能够做成。在找不到技术突破口时,他承受着巨大的压力,是‘让全球每一肿瘤患者都接受精准的治疗’这一使命所带来的强大的信念支持才得到了今天ANDiS的成功上市。”陈才夫博士认为,自主研发ANDiS这样一套封闭式系统,需要多领域的人才参与,需要与国内外一流公司合作,并且在市场拓展、产品注册等方方面面相互配合才能成功。

而对于ANDiS的未来,熊磊博士有着更远大的目标:“我们现在开发的只是第一代的产品,这并不是我们的终极目标。接下来我们还要进行更多的完善,兼容更多的方法学,满足不同临床应用场景的需求,真正做到设备可及、试剂可及、方法与性能可及。”

ANDiS是一个伟大的产品吗?实践是最好的试金石。展现在我们眼前的,是一个斩钉截铁、毫不含糊的作品。它简单,简单到几乎每一个人都可以轻松地构建NGS文库。它复杂,复杂在仪器、试剂、化学反应体系、数据分析的精密运行与协调统一。回顾ANDiS的“前世今生”,我们为思路迪在面对挫折的过程中展现出的精神力量所打动,也为中国团队取得的重要突破而由衷高兴。我们时常把初心写到PPT里,而现在“初心”就在我们眼前——ANDiS,一个自动化封闭式建库仪,医生的可靠帮手,它知道自己为何而来。

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