2021.07.09 作者：林佳欣
1979年，John Ugelstad教授和他的同事发明出一种生产大小一致的多聚体微球技术。1989年，McCormick建立了一种用酚化的二氧化硅吸附去除蛋白质的基因组DNA提取方法。它与经典的酚-氯仿提取法相类似，即用酚化的二氧化硅酚代替酚，这是最早出现的固相吸附提取方法。
随着现代分子生物学和医学对高通量，高灵敏度，自动化操作需求的与日俱增，20世纪90年代，磁珠法DNA提取技术得到了大力发展。1998年，第一个利用磁珠法提取DNA的商品化试剂在美国成功申请专利。现如今，纳米磁珠的类型已经发展得各式各样，但固态球状材料的基本组成并无太大差异，基础结构一般分为3层，最内层的核心是聚苯乙烯，第二层为包裹磁性物质——四氧化三铁（Fe3O4），最外层表面是官能基团修饰的高分子材料所构成，其中官能团发挥与核酸结合的作用，提取、生物素捕获、片段筛选功能的不同，表面官能基团也不同，一般多采用SiO2。
Fe3O4或γ-Fe2Ο3纳米颗粒性能优良，具有磁导向性、超顺磁性以及表面可连接生化官能团的功能，称为纳米磁芯。但同时，Fe304或γ-Fe2Ο3纳米颗粒具有纳米效应和磁效应，容易发生氧化反应，化学稳定性较差、表面羟基不足的缺点限制了其广泛应用。而SiO2以其良好的生物相容性和化学稳定性弥补了这一缺点。SiO2表面丰富的Si-OH基团能够使其极易被修饰。在Fe304或γ-Fe2Ο3纳米颗粒表面包覆一层SiO2，可以屏蔽磁偶极子的相互作用[1]。有机物或无机物和这些超顺磁纳米磁芯复合所得到的颗粒称为超顺磁亚微米颗粒（paramagnetic submicron particles，PMSP）[2]。无外加磁场时，PMSP中纳米磁芯极性随机化而无磁性，在外加磁场下磁芯定向排列而呈现磁性和定向运动。在PMSP表面固定生物活性分子，通过这些固定化生物分子的亲和作用选择性结合混合物中特定成分，用外部磁场产生的磁力选择性分离复合物，从而选择性分离出所结合的成分，此过程称生物亲和磁分离。[2]
磁珠法提取核酸技术采用了纳米级磁珠，这种磁珠微珠表面包覆了一层SiO2，能在微观界面上特异性地识别和高效结合核酸分子。磁珠表面的硅羟基能够与溶液中的核酸通过氢键和静电作用发生特异性结合，在高盐条件下与核酸结合，在低盐环境下易于洗脱，可以直接从复杂的生物体系中迅速分离核酸。磁珠在磁场条件下可以发生聚集或分散， 从而可彻底摆脱离心等所需的手工操作流程。
图 1 磁珠法核酸提取示意图
磁珠法核酸提取是纳米科技与生物技术的完美结合，可应用在临床疾病诊断、输血安全、法医学鉴定、环境微生物检测、食品安全检测、分子生物学研究等多种领域，相比于传统提取方法，具有以下几种优势：
（1）样本需求量低：微量的材料即可提到高浓度的核酸；
（2）操作简单快速：整个操作流程基本分为五步（裂解、结合、洗涤、干燥、洗脱），全程无需离心操作，大多可在30~60分钟内完成；
（3）质量稳定可靠：游离的磁珠与核酸的结合量更大，特异性结合使得核酸纯度更高，还可通过控制磁珠表面基团来调节核酸回收量；
（4）全自动化操作：与核酸提取仪配套使用可实现自动化、高通量操作，一键启动，即可实现几十甚至上百个样品的提取；
（5）安全无毒无害：不含有酚、氯仿等有毒化学试剂，符合现代环保理念。
IVD，即体外诊断，是医疗器械的第一大市场。它主要分为4大赛道：生化诊断、免疫诊断、分子诊断、POCT。其中，分子诊断被称为IVD的黄金赛道。分子诊断，是应用分子生物学方法，检测遗传物质的结构或表达水平的变化，从而做出诊断的技术。
纵观体外诊断行业产业链，上游以原材料供应商为主，中游包括试剂研发生产商、仪器研发生产商，下游面向医疗机构、科研机构、高校等。
图 2 体外诊断产业链及影响因素分析
体外诊断上游增速主要取决于行业中下游增速，约在15%-20%。上游原料主要包括抗原抗体、酶、微球、NC膜、电子元器件等，我国体外诊断试剂上游原材料市场容量预计将达60亿，再加上体外诊断仪器关键零部件，总体市场容量将高达100亿元以上。
2015-2019年我国IVD试剂行业市场规模不断增加，据《中国医疗器械蓝皮书》数据，2019年IVD市场规模达713亿元，年复合增长率高达18.7%。上游核心原料约占整体市场的10%，其中微球、NC膜等载体系统约占核心原料的25%，据此可推算出2019年国内微球等载体系统的市场空间约为18亿元。
图3 2015-2019年中国体外诊断市场规模（单位：亿元）
全球的IVD市场规模约为714亿美金，按照中国的核心原料占比推算，2019年全球IVD微球的市场空间约为17.85亿美金，折合人民币约为125亿元。
图 4 全球体外诊断行业市场规模及增速
核酸检测作为新冠疫情的重要诊断指标，随着国内以及全球疫情的爆发，连带着整个IVD行业井喷式发展，下游各大医疗机构及科研机构对检测试剂盒的需求量急速增长，从而大幅带动上游核心原料销售增长，国内一些优质的核心原料供应厂家，有望在短期内快速完成市场导入和品牌建设。
目前国内IVD领域使用的磁珠微球主要以进口产品为主，为国外企业所垄断，市场痛点在于过度依赖进口原材料，自主研发能力有待提高。国产品牌占整体市场不到10%，并且由于替换原材料可能引起产品质量的波动，同时还需要进行注册申报，因此客户粘性较大，受制于国外企业的现象格外突出。从供给端来看，目前国内的生产企业多数规模较小，仅有少数企业能实现部分原材料自给，但一些关键性的原料仍依赖进口，产品质量参差不齐、品牌影响力与国际品牌存在较大差距；从需求端来看，研发型客户主要需求特征是量小质量要求高，产业化客户主要需求特征是有替换动力，但替换周期长。长期来看，分子诊断上游原料如抗原抗体、酶、磁珠、耗材等进口替代空间较大，未来发展潜力大，疫情期间将会是国内企业布局的良好时机。
在核心材料上，本土化的供应商要进一步提升自主创新能力与产品质量，增强核心竞争力，同时要更加全面系统化地进行有效质量控制，从原材料的研发到最后的生产纯化流程中的所有工艺都必须严格把关，争做体外诊断试剂、仪器生产的坚实后盾，共同推动我国体外诊断行业走上更加健康的发展道路。
参考文献
[1]张乐，邵慧萍，郑航，任向远.Fe3O4@SiO2磁性复合微球的制备与表征[J].稀有金属材料与工程,2018,47(02):594-599.
[2]刘冬，龙高波.生物分离用超顺磁微米颗粒的特征及制备[J].川北医学院学报，2019,34(04):486-492.