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生命科学新基建——系统化实验室自动化,机会在哪里?

2022-09-20 13:46:14   来源:  作者: 

摘要:当生命科学产业下游应用领域不断扩延,检测的需求势必不断增加,实验室自动化已经成为了产业发展的必然趋势。

当生命科学产业下游应用领域不断扩延,检测的需求势必不断增加,实验室自动化已经成为了产业发展的必然趋势。然而,目前多数的实验室自动化场景只停留在零散模块阶段,并没有真正实现全链条的覆盖。未来,我们是否有机会减少人工操作,更好地实现全方位的实验室自动化?不妨与华兴资本医疗与生命科技团队一起展开探索。

 

1实验室自动化是产业发展的必然趋势

 

生命科学产业大多数领域都经历了规模驱动的发展阶段,尤其是以实验室作为生产中心的检测服务型业务,检测量的增加往往会直接导致人力投入的加大,并不可避免地增加管理成本、人为错误和实验数据追溯难度。

 

随着下游应用领域的需求持续快速增长,检测服务方开始不断扩大产能和人员规模,最终使得实验室行业成为了非常典型的“劳动密集型”场景。

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资料来源:Wind

其背后的主要因素往往包括实验室设备全链条覆盖的缺失及现有人机交互对于人员投入的过多依赖。具体表现为:一方面,现有实验室设备无法全链条覆盖实验室场景下的全部应用,另一方面,基于现有人机交互的产品形态,更多的设备往往意味着更多的人员投入。目前以常见单体设备为代表的实验室“简单自动化”已经很难满足行业发展的进一步要求。如何利用机器和机器之前的协作来实现设备间的相互勾稽,最大程度减少对人的依赖,形成“系统化的实验室自动化”已经成为了行业发展的必然趋势。

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资料来源:Unsplash,玄刃科技

系统化的实验室自动化,可以减少实验室人员投入以及人为错误的产生,并可以24*7的不间断工作完成既定任务;硬件平台同时配合LIMS和数据库系统实现全流程的实验室管理,从根本上达到降本增效。

 

2 生命科学需要什么样的自动化

实验室自动化最核心的价值并非在于替代人,而是减少实验流程对人的依赖。

 

在汽车和3C行业的自动化生产线,人机接口更多用来监控自动化系统的运转,而非需要生产人员亲身参与到生产流程。同样,生命科学自动化的终局为“关灯实验室”,目前市场上各类参与者所做出的努力也正是为了实现这一过程。

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工业领域自动化产线

Source:Unsplash

现阶段实验室内的自动化仍然是以单体设备的人力串联为最主要的表现形式,从简单的摇床培养、移液分杯,到复杂的单B细胞筛选,仪器设备都是以实现单一功能为核心的单体自动化,同时这些设备均以“人机交互”的方式运作。如果需要实现全链路的自动化,除了用机器操纵机器,还需要对底层逻辑进行有针对性的设计和改造。

 

正如特斯拉实现自动驾驶并非依靠机器人开车,汽车行业的自动化并非由机器人来操纵设备,生命科学的自动化不是简单的拟人化。系统化的实验室自动化通过视觉、移动、执行、数字四大技术平台,实现类比眼、手、脑的完整自动化体系,各个功能模块在各个功能单元都会有体现,实现全链路的感知、执行和数据拾取。未来实验室将在无人值守的情况下完成实验、由人发起实验并搭建实验SOP模型,运用APS排程软件最高效地布局硬件流程,后由机器完成样本库管理、预处理、实验分析、后处理、检测及数据采集五大步骤。

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资料来源:华兴资料整理

我们认为,成熟的实验室自动化,需要的是由下而上的系统化革新,从底层逻辑的角度,由人机交互变成机器之间的动作交互和数据链接,实现无人值守的“样本进、结果出”式的系统化实验室自动化。

 

3 千亿级规模的市场

与成熟的自动化应用场景相比,生命科学是典型的自动化应用“洼地”。

 

自动化的价值核心即为工具的价值,即复杂冗长的实验流程可以更简单、更高效、更高质量地落地,最大化减少人为因素带来的各类干扰。

 

以典型的肿瘤NGS商业临检实验室为例,从样本接收、前处理、核酸提取、NGS建库到测序上机,如果仅依靠手工操作,很难支撑每年上万份的检测需求,最大的瓶颈在于单人的产出限制以及人力投入增加后边际收益的降低。

 

如果在关键的步骤采用单体自动化设备(如前处理分液、核酸提取、建库等),满编100人的实验室可以实现5万样本/年的检测需求和报告的及时交付,其中绝大部分的人员仍集中分布在样本的前处理以及建库两大环节,人工参与的主要环节包括样本在各个实验步骤间的转移,实验流程的监控,部分手工流程的执行等,而这些环节往往是机械式的重复操作。目前已经有企业开始探索NGS场景下的深度自动化改造,例如诺禾致源在中心实验室的全链条自动化系统Falcon,以及近期科技部的“十四五课题”也在启动临床高通量NGS的一体化方案项目。

 

CXO场景中存在大量自动化留白。由于生产场景中涉及的设备更多、流程更复杂,从样本进入实验室到按需完成检测,以及在整个流程各个环节符合GLP、GMP法规,对实验室的管理都提出了更高的要求。因此CXO是系统化实验室自动化部署的巨大潜力应用市场。目前国内头部CXO企业,如药明康德、凯莱英等,均开始进行自动化产线的开发和应用。

 

除了上述提到的具体应用场景,在临检、病理、政府、食品、AI制药、合成生物学等领域,系统化的实验室自动化也大有用武之地。随着行业向标准化、智能化、柔性化的方向发展,我们相信这将会是个千亿级人民币规模的市场。

 

4 群雄逐鹿

目前进入到系统化实验室自动化的企业基本可分为三类:

第一类是以数字化为切入点且有计划向硬件或耗材转型的企业;

第二类包括生产单体自动化设备的厂商;

第三类为跨行业进入生命科学领域的新势力。

 

我们认为,能够实现系统化实验室自动化的团队,需要具备以下的画像:

见证过自动化的高级形态,如参与建设过汽车行业或3C行业的自动化流水线,对工业自动化有着深入的了解和认知;

具备系统落地经验,团队具备对客户需求的感知、理解、转化以及产品落地的全套成功经验,以上经验可以被快速复制到新的应用场景;

硬件和软件的开发及整合能力,即实现系统自动化“手、脑、眼”的功能模块的开发和协调,针对客户进行操作的优化,体现出系统的智能和柔性;

具备自动化和生命科学复合背景团队,可以实现对客户特定应用场景的需求准确把握、升华、通过标准产品和定制化产品的组合来实现客户的需求。

 

以赛默飞为代表的国际巨头,在技术能力上具备了进行全流程自动化整合的能力,但由于成本、供应链、本地化等因素,在中国为客户提供整体解决方案的难度大、成本高,也为国内优秀企业提供了发展机会。具备跨行业经验的团队可提供更具想象力的新型解决方案,比如基于磁悬浮技术新型桌面转运平台,增加了在工作站场景下的“维度+1”的运动体系,提升了实验排程柔性的同时进一步提高了实验效率;这一品类的产品已经超出了生命科学设备类型的传统范畴,显示了跨行业团队为创新技术带来新鲜血液。目前国内玄刃科技已经实现了桌面传输平台的开发并准备进入商业部署。

 

根据对行业的观察结合上述画像描述,我们认为镁伽机器人、玄刃科技、耐优生物等企业都具备高度的发展潜力。华兴资本也在持续关注“系统化实验室自动化”方向并与国内外优秀企业保持沟通,共同探讨这一新方向在国内的发展和落地前景。

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