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            生命科學新基建——系統化實驗室自動化,機會在哪里?


            cye.com.cn 時間:2022-9-20 18:22:03 來源: 作者: 我來說兩句


            導語:

            當生命科學產業下游應用領域不斷擴延,檢測的需求勢必不斷增加,實驗室自動化已經成為了產業發展的必然趨勢。然而,目前多數的實驗室自動化場景只停留在零散模塊階段,并沒有真正實現全鏈條的覆蓋。未來,我們是否有機會減少人工操作,更好地實現全方位的實驗室自動化?不妨與華興資本醫療與生命科技團隊一起展開探索。


            1實驗室自動化是產業發展的必然趨勢


            生命科學產業大多數領域都經歷了規模驅動的發展階段,尤其是以實驗室作為生產中心的檢測服務型業務,檢測量的增加往往會直接導致人力投入的加大,并不可避免地增加管理成本、人為錯誤和實驗數據追溯難度。


            隨著下游應用領域的需求持續快速增長,檢測服務方開始不斷擴大產能和人員規模,最終使得實驗室行業成為了非常典型的“勞動密集型”場景。

            資料來源:Wind

            其背后的主要因素往往包括實驗室設備全鏈條覆蓋的缺失及現有人機交互對于人員投入的過多依賴。具體表現為:一方面,現有實驗室設備無法全鏈條覆蓋實驗室場景下的全部應用,另一方面,基于現有人機交互的產品形態,更多的設備往往意味著更多的人員投入。目前以常見單體設備為代表的實驗室“簡單自動化”已經很難滿足行業發展的進一步要求。如何利用機器和機器之前的協作來實現設備間的相互勾稽,最大程度減少對人的依賴,形成“系統化的實驗室自動化”已經成為了行業發展的必然趨勢。

            資料來源:Unsplash,玄刃科技

            系統化的實驗室自動化,可以減少實驗室人員投入以及人為錯誤的產生,并可以24*7的不間斷工作完成既定任務;硬件平臺同時配合LIMS和數據庫系統實現全流程的實驗室管理,從根本上達到降本增效。


            2 生命科學需要什么樣的自動化

            實驗室自動化最核心的價值并非在于替代人,而是減少實驗流程對人的依賴。


            在汽車和3C行業的自動化生產線,人機接口更多用來監控自動化系統的運轉,而非需要生產人員親身參與到生產流程。同樣,生命科學自動化的終局為“關燈實驗室”,目前市場上各類參與者所做出的努力也正是為了實現這一過程。

            工業領域自動化產線

            Source:Unsplash

            現階段實驗室內的自動化仍然是以單體設備的人力串聯為最主要的表現形式,從簡單的搖床培養、移液分杯,到復雜的單B細胞篩選,儀器設備都是以實現單一功能為核心的單體自動化,同時這些設備均以“人機交互”的方式運作。如果需要實現全鏈路的自動化,除了用機器操縱機器,還需要對底層邏輯進行有針對性的設計和改造。


            正如特斯拉實現自動駕駛并非依靠機器人開車,汽車行業的自動化并非由機器人來操縱設備,生命科學的自動化不是簡單的擬人化。系統化的實驗室自動化通過視覺、移動、執行、數字四大技術平臺,實現類比眼、手、腦的完整自動化體系,各個功能模塊在各個功能單元都會有體現,實現全鏈路的感知、執行和數據拾取。未來實驗室將在無人值守的情況下完成實驗、由人發起實驗并搭建實驗SOP模型,運用APS排程軟件最高效地布局硬件流程,后由機器完成樣本庫管理、預處理、實驗分析、后處理、檢測及數據采集五大步驟。

            資料來源:華興資料整理

            我們認為,成熟的實驗室自動化,需要的是由下而上的系統化革新,從底層邏輯的角度,由人機交互變成機器之間的動作交互和數據鏈接,實現無人值守的“樣本進、結果出”式的系統化實驗室自動化。


            3 千億級規模的市場

            與成熟的自動化應用場景相比,生命科學是典型的自動化應用“洼地”。


            自動化的價值核心即為工具的價值,即復雜冗長的實驗流程可以更簡單、更高效、更高質量地落地,最大化減少人為因素帶來的各類干擾。


            以典型的腫瘤NGS商業臨檢實驗室為例,從樣本接收、前處理、核酸提取、NGS建庫到測序上機,如果僅依靠手工操作,很難支撐每年上萬份的檢測需求,最大的瓶頸在于單人的產出限制以及人力投入增加后邊際收益的降低。


            如果在關鍵的步驟采用單體自動化設備(如前處理分液、核酸提取、建庫等),滿編100人的實驗室可以實現5萬樣本/年的檢測需求和報告的及時交付,其中絕大部分的人員仍集中分布在樣本的前處理以及建庫兩大環節,人工參與的主要環節包括樣本在各個實驗步驟間的轉移,實驗流程的監控,部分手工流程的執行等,而這些環節往往是機械式的重復操作。目前已經有企業開始探索NGS場景下的深度自動化改造,例如諾禾致源在中心實驗室的全鏈條自動化系統Falcon,以及近期科技部的“十四五課題”也在啟動臨床高通量NGS的一體化方案項目。


            CXO場景中存在大量自動化留白。由于生產場景中涉及的設備更多、流程更復雜,從樣本進入實驗室到按需完成檢測,以及在整個流程各個環節符合GLP、GMP法規,對實驗室的管理都提出了更高的要求。因此CXO是系統化實驗室自動化部署的巨大潛力應用市場。目前國內頭部CXO企業,如藥明康德、凱萊英等,均開始進行自動化產線的開發和應用。


            除了上述提到的具體應用場景,在臨檢、病理、政府、食品、AI制藥、合成生物學等領域,系統化的實驗室自動化也大有用武之地。隨著行業向標準化、智能化、柔性化的方向發展,我們相信這將會是個千億級人民幣規模的市場。


            4 群雄逐鹿

            目前進入到系統化實驗室自動化的企業基本可分為三類:

            第一類是以數字化為切入點且有計劃向硬件或耗材轉型的企業;

            第二類包括生產單體自動化設備的廠商;

            第三類為跨行業進入生命科學領域的新勢力。


            我們認為,能夠實現系統化實驗室自動化的團隊,需要具備以下的畫像:

            見證過自動化的高級形態,如參與建設過汽車行業或3C行業的自動化流水線,對工業自動化有著深入的了解和認知;

            具備系統落地經驗,團隊具備對客戶需求的感知、理解、轉化以及產品落地的全套成功經驗,以上經驗可以被快速復制到新的應用場景;

            硬件和軟件的開發及整合能力,即實現系統自動化“手、腦、眼”的功能模塊的開發和協調,針對客戶進行操作的優化,體現出系統的智能和柔性;

            具備自動化和生命科學復合背景團隊,可以實現對客戶特定應用場景的需求準確把握、升華、通過標準產品和定制化產品的組合來實現客戶的需求。


            以賽默飛為代表的國際巨頭,在技術能力上具備了進行全流程自動化整合的能力,但由于成本、供應鏈、本地化等因素,在中國為客戶提供整體解決方案的難度大、成本高,也為國內優秀企業提供了發展機會。具備跨行業經驗的團隊可提供更具想象力的新型解決方案,比如基于磁懸浮技術新型桌面轉運平臺,增加了在工作站場景下的“維度+1”的運動體系,提升了實驗排程柔性的同時進一步提高了實驗效率;這一品類的產品已經超出了生命科學設備類型的傳統范疇,顯示了跨行業團隊為創新技術帶來新鮮血液。目前國內玄刃科技已經實現了桌面傳輸平臺的開發并準備進入商業部署。


            根據對行業的觀察結合上述畫像描述,我們認為鎂伽機器人、玄刃科技、耐優生物等企業都具備高度的發展潛力。華興資本也在持續關注“系統化實驗室自動化”方向并與國內外優秀企業保持溝通,共同探討這一新方向在國內的發展和落地前景。

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