美国前总统欧巴马登高一呼的精准医疗 (precision medicine) 与颠覆许多疾病既定学理机制的肠道菌研究 (gut microbiota) 是近年生物科技领域最火红的关键字代表，推动这股浪潮的滥觞正是次世代定序 (next generation sequencing; NGS)，一个在 2015 年全球产值已达千亿台币，同时也将人体全基因体定序成本从 27 亿美金降到 1,000 美金的革命性技术 (注 1)。
NGS 让定序不仅只是定序
1977 年，英国科学家 Frederick Sanger 在知名期刊《PNAS》发表了新颖的 DNA 定序技术，利用双脱氧核苷核酸 (dideoxyribonucleotide) 能终止 DNA 合成的特性，来判读 DNA 上的序列 (注 2)。Sanger 定序法让研究人员得以从基因的角度来加速探讨演化、疾病与生化调控机制，至此开启了生医研究的新蓝海。尽管如此，Sanger 定序法的速度已无法满足规模越来越庞大的基因体研究。直到 2005 年，市场首部商业化次世代定序仪器-罗氏 (Roche) Genome Sequencer 20 (GS 20) 的上市揭开了 NGS 时代的序幕，能大幅降低定序所需的时间、错误率及成本。更重要的是 NGS 让定序不单单只是定序，大量的基因资料能作为学术与临床之应用。以肠道菌的研究为例，正是 NGS 技术普及而崛起的研究方向，因肠道菌成千上万的种类，是传统第一代 DNA 定序法无法负荷的。此外，借由 NGS 技术得到更完整的基因资讯，也是实践个人化医疗 (personalized medicine) 的重要基础。
NGS 技术服务 : Illumina 独占鳌头
NGS 产业早期是 Roche (454 Life Sciences)、Illumina (Solexa) 与 Applied Biosystems (SOLiD) 三强鼎立的状况。不过随着 Roche 宣布结束 454 NGS 平台，ABI 的 SOLiD 平台也节节败退，当前Illumina几乎是一统 NGS 市场江湖，市占率高达约 90%。尽管第三代 NGS 技术已逐渐成熟，如Pacific Biosciences (PacBio) 基于 SMRT (single molecule, real-time) 技术推出的 PacBio RS 平台，具有较长的读长且无 GC 偏好性等优点。但第三代 NGS 系统由于错误率与成本仍待降低，因此临床上主要还是使用以 Illumina 为首的第二代 NGS 系统。Illumina 当初只是一家员工数 30 人、营收 50 万美金的小公司，时至今日 Illumina 已是拥有 4800 名员工，年营收高达 22 亿美金的基因定序龙头公司 (注 3)。
Roche 与 PacBio 两强合作破局
2013 年，Roche 结束与 IBM 共同开发奈米孔定序技术 (DNA Transistor) 的合作案，也放弃与 DNA Eletronics Inc.合作的半导体定序仪器开发。但Roche 并没有就此放弃 NGS 市场，他们看上 PacBio 的 SMRT 技术，同年以总额 7,500 万美金与 PacBio 签下合作计画。2015 年 10 月，双方成功推出基于 SMRT 的新一代定序仪 Sequel，拥有比原有 PacBio RS II 平台更小的体积且更高通量的优点。意想不到的是 2016 年末，Roche 突然宣布中止与PacBio 的合作案，为 NGS 市场投下一颗震撼弹 (注 4)。随后市场上谣传 Roche 拟收购 NGS 龙头 Illumina，但其实 2012 年时 Roche 就试图买下Illumina，但最后因 Illumina 的毒丸策略 (poison pill) 而作罢 (注 5)。不过随着 Illumina CEO Jay Flately 退休，也许 Roche 再次尝试收购Illumina 的机会还是不小。
美国 FDA 首次核准 NGS 伴随式诊断试剂
NGS 产业百家争鸣，为的就是能在临床上占有一席之地。美国食品药物管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 在 2016 年末核准了首个 NGS 伴随式诊断试剂 (companion diagnostic)，来自 Foundation Medicine 公司的 FoundationFocus™ CDxBRCA。此试剂是搭配治疗带有 BRCA 基因突变的晚期卵巢癌患者之新颖药物 Rubraca 使用，帮助诊断患者是否适合使用 Rubraca 来治疗。基于 NGS 技术的 FoundationFocus™ CDxBRCA 改善了传统测试方法只能识别种系遗传 (Germline) 之 BRCA1/2 突变患者 (约占 BRCA1/2 患者数的一半)，而不能诊断起因于体细胞 (somatic) BRCA1/2 突变患者之缺点 (注 6)。FDA 此核准案无疑是对 NGS 伴随式诊断试剂的发展打了一剂强心针，相信未来更多的 NGS 伴随式诊断试剂会屡见不鲜。
台湾首家被外商并购的 NGS 相关公司-有劲
国际上 NGS 相关公司并购案屡见不鲜，台湾当然也没缺席。英国 Premaitha Health 是一家专注于非侵入性产前染色体检测 (Non-Invasive Prenatal Testing, NIPT) 的公司。着眼于亚洲新生儿人口的庞大市场，Premaitha Health 宣布以 50 万美金和 25% 的股权交换 (76,054,570 股)换算价值 730 万英镑 (2.81 亿台币) 收购有劲生物科技 (Yourgene Bioscience)，有劲生技成为台湾第一家被外商收购的基因公司 (注 7)。有劲生技除了台湾外，也在新加玻与印尼设立分部，同时也与马来西亚、越南、斯里兰卡、泰国与印度的生技公司和医院有合作协议。在亚洲市场多年的耕耘成果，势必是被英商Premaitha Health 看中的重要因素之一。
迈向精准医疗的挑战
随着定序时间与成本的降低，高通量的 NGS 技术已逐渐普及，在临床的应用上深具潜力，不过仍有许多问题尚待克服。史丹佛大学 Euan A. Ashley 博士发表在《Nature Review Genetics》的文章就提出了一些建议，如 DNA 定序和分析演算需根据临床需求调整，包含优化比对算法 (alignment algorithms)、注意质量覆蓋度 (quality-coverage metrics) 与建立对变异解释的共识标准 (consensus standards for variant calling and interpretation)。当这些议题获得解决，NGS 才能更往往精准医疗的方向迈进。
文 / Nate Hsu
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延伸阅读：贝瑞和康肿瘤事业部总经理 王帘读专访：浅谈液态检体未来发展参考文献：
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.
