美國前總統歐巴馬登高一呼的精準醫療 (precision medicine) 與顛覆許多疾病既定學理機制的腸道菌研究 (gut microbiota) 是近年生物科技領域最火紅的關鍵字代表，推動這股浪潮的濫觴正是次世代定序 (next generation sequencing; NGS)，一個在 2015 年全球產值已達千億台幣，同時也將人體全基因體定序成本從 27 億美金降到 1,000 美金的革命性技術 (註 1)。
NGS 讓定序不僅只是定序
1977 年，英國科學家 Frederick Sanger 在知名期刊《PNAS》發表了新穎的 DNA 定序技術，利用雙脫氧核苷核酸 (dideoxyribonucleotide) 能終止 DNA 合成的特性，來判讀 DNA 上的序列 (註 2)。Sanger 定序法讓研究人員得以從基因的角度來加速探討演化、疾病與生化調控機制，至此開啟了生醫研究的新藍海。儘管如此，Sanger 定序法的速度已無法滿足規模越來越龐大的基因體研究。直到 2005 年，市場首部商業化次世代定序儀器-羅氏 (Roche) Genome Sequencer 20 (GS 20) 的上市揭開了 NGS 時代的序幕，能大幅降低定序所需的時間、錯誤率及成本。更重要的是 NGS 讓定序不單單只是定序，大量的基因資料能作為學術與臨床之應用。以腸道菌的研究為例，正是 NGS 技術普及而崛起的研究方向，因腸道菌成千上萬的種類，是傳統第一代 DNA 定序法無法負荷的。此外，藉由 NGS 技術得到更完整的基因資訊，也是實踐個人化醫療 (personalized medicine) 的重要基礎。
NGS 技術服務 : Illumina 獨佔鰲頭
NGS 產業早期是 Roche (454 Life Sciences)、Illumina (Solexa) 與 Applied Biosystems (SOLiD) 三強鼎立的狀況。不過隨著 Roche 宣布結束 454 NGS 平台，ABI 的 SOLiD 平台也節節敗退，當前Illumina幾乎是一統 NGS 市場江湖，市佔率高達約 90%。儘管第三代 NGS 技術已逐漸成熟，如Pacific Biosciences (PacBio) 基於 SMRT (single molecule, real-time) 技術推出的 PacBio RS 平台，具有較長的讀長且無 GC 偏好性等優點。但第三代 NGS 系統由於錯誤率與成本仍待降低，因此臨床上主要還是使用以 Illumina 為首的第二代 NGS 系統。Illumina 當初只是一家員工數 30 人、營收 50 萬美金的小公司，時至今日 Illumina 已是擁有 4800 名員工，年營收高達 22 億美金的基因定序龍頭公司 (註 3)。
Roche 與 PacBio 兩強合作破局
2013 年，Roche 結束與 IBM 共同開發奈米孔定序技術 (DNA Transistor) 的合作案，也放棄與 DNA Eletronics Inc.合作的半導體定序儀器開發。但Roche 並沒有就此放棄 NGS 市場，他們看上 PacBio 的 SMRT 技術，同年以總額 7,500 萬美金與 PacBio 簽下合作計畫。2015 年 10 月，雙方成功推出基於 SMRT 的新一代定序儀 Sequel，擁有比原有 PacBio RS II 平台更小的體積且更高通量的優點。意想不到的是 2016 年末，Roche 突然宣佈中止與PacBio 的合作案，為 NGS 市場投下一顆震撼彈 (註 4)。隨後市場上謠傳 Roche 擬收購 NGS 龍頭 Illumina，但其實 2012 年時 Roche 就試圖買下Illumina，但最後因 Illumina 的毒丸策略 (poison pill) 而作罷 (註 5)。不過隨著 Illumina CEO Jay Flately 退休，也許 Roche 再次嘗試收購Illumina 的機會還是不小。
美國 FDA 首次核准 NGS 伴隨式診斷試劑
NGS 產業百家爭鳴，為的就是能在臨床上佔有一席之地。美國食品藥物管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 在 2016 年末核准了首個 NGS 伴隨式診斷試劑 (companion diagnostic)，來自 Foundation Medicine 公司的 FoundationFocus™ CDxBRCA。此試劑是搭配治療帶有 BRCA 基因突變的晚期卵巢癌患者之新穎藥物 Rubraca 使用，幫助診斷患者是否適合使用 Rubraca 來治療。基於 NGS 技術的 FoundationFocus™ CDxBRCA 改善了傳統測試方法只能識別種系遺傳 (Germline) 之 BRCA1/2 突變患者 (約佔 BRCA1/2 患者數的一半)，而不能診斷起因於體細胞 (somatic) BRCA1/2 突變患者之缺點 (註 6)。FDA 此核准案無疑是對 NGS 伴隨式診斷試劑的發展打了一劑強心針，相信未來更多的 NGS 伴隨式診斷試劑會屢見不鮮。
台灣首家被外商併購的 NGS 相關公司-有勁
國際上 NGS 相關公司併購案屢見不鮮，台灣當然也沒缺席。英國 Premaitha Health 是一家專注於非侵入性產前染色體檢測 (Non-Invasive Prenatal Testing, NIPT) 的公司。著眼於亞洲新生兒人口的龐大市場，Premaitha Health 宣佈以 50 萬美金和 25% 的股權交換 (76,054,570 股)換算價值 730 萬英鎊 (2.81 億台幣) 收購有勁生物科技 (Yourgene Bioscience)，有勁生技成為台灣第一家被外商收購的基因公司 (註 7)。有勁生技除了台灣外，也在新加玻與印尼設立分部，同時也與馬來西亞、越南、斯里蘭卡、泰國與印度的生技公司和醫院有合作協議。在亞洲市場多年的耕耘成果，勢必是被英商Premaitha Health 看中的重要因素之一。
邁向精準醫療的挑戰
隨著定序時間與成本的降低，高通量的 NGS 技術已逐漸普及，在臨床的應用上深具潛力，不過仍有許多問題尚待克服。史丹佛大學 Euan A. Ashley 博士發表在《Nature Review Genetics》的文章就提出了一些建議，如 DNA 定序和分析演算需根據臨床需求調整，包含優化比對算法 (alignment algorithms)、注意質量覆蓋度 (quality-coverage metrics) 與建立對變異解釋的共識標準 (consensus standards for variant calling and interpretation)。當這些議題獲得解決，NGS 才能更往往精準醫療的方向邁進。
文 / Nate Hsu
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延伸閱讀：貝瑞和康腫瘤事業部總經理 王簾讀專訪：淺談液態檢體未來發展參考文獻：
1. Next Generation Sequencing (NGS) Market Size Report, 2024 (https://goo.gl/8tmY2f)
2. Sanger et al., 1977. DNA Sequencing with Chain-terminating Inhibitors. PNAS 1977 vol. 74 no. 12 5463-5467.
3. PacBio Announces Termination of Agreement with Roche Diagnostics. (https://goo.gl/0mngNo)
4. Illumina CEO Jay Flatley Built The DNA Sequencing Market. Now He’s Stepping Down. (https://goo.gl/5RFCU7)
5. Illumina Adopts Poison Pill in Bid to Thwart Roche. (https://goo.gl/Sx0B1f)
6. Foundation Medicine Receives FDA Approval of FoundationFocus™ CDxBRCA as a Companion Diagnostic for Rubraca™ (rucaparib) for the Treatment of Women with Ovarian Cancer. (https://goo.gl/Q5j8uL)
7. Premaitha to Buy Taiwan’s Yourgene, Reports Narrowed Interim Loss. (https://goo.gl/hDdrZz)
8. Ashley, 2016. Towards Precision Medicine. Nature Review Genetics 2016, 17, 507–522.
