核酸检测自动化背后,生命科学实验室如何革新?丨快公司

杨亚茹

杨亚茹

· 9月9日

与工业和3C制造领域一样,生命科学领域中所有劳动密集、效率低下的环节都需要一场自动化革命。

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核酸检测自动化背后,生命科学实验室如何革新?丨快公司

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图源自视觉中国

图源自视觉中国

当新冠病毒闯入人类生活,核酸检测成为防疫刚需,实验室自动化这一“冷门”赛道瞬间升温。

实验室自动化流水线起始于上个世纪50年代,2009年进入中国,根据自动化程度分为TTA、TLA两大类别,前者是以实现功能为核心的模块化组合分析系统,后者是无人操作的全自动实验室流水线。

节省报告周转时间、提升测试通量、解放人力、减少人工错误等诸多优势,决定了自动化流水线将是生命科学实验室未来的重要环节。

去年6月,北京“新发地”疫情爆发,区域全员核酸检测拉开帷幕,在短时间内检测样本数量激增,核酸检测自动化需求亟待满足。

在生命科学领域布局良久的镁伽机器人(以下简称“镁伽”)认为机会到了,展开了为期25天的核酸检测自动化大作战,交付了能够代替人工的核酸检测自动化设备。现在,每台经过升级的机器可以完成40多人的检测工作量,显著提升了后续疫情防控的效率。实验室自动化产业就此被推到了市场中心。

数据显示,2020年,全球实验室自动化(TTA和TLA)市场规模达到了613亿元,预计2026年将达到947亿元,年复合增长率(CAGR)为6.4%。

未来,这一赛道将持续爆发。在“核酸检测机器人”之外,镁伽也正将更多“机器人”带进生命科学领域。

改变实验室而起的创业行动

把时间调回3年前。

2018年11月,第九届慕尼黑上海分析生化展期间,成立两年的镁伽带着自己的实验室自动化解决方案亮相,展区不大,却吸引了不少人驻足。当时,镁伽是整个展会现场唯一用机器人来解决实验室自动化的国内公司。

镁伽创始人兼CEO黄瑜清告诉钛媒体App,当时的“火爆”场景让他坚定了生命科学自动化方向,同时,镁伽第一批来自生命科学领域的大客户也都结识于这场展会,包括今年5月领投镁伽第7轮融资的药明康德 。

事实上,镁伽的创业方向,早期并不被市场看重。

2016年6月,拥有研发、工程背景和项目管理经验的黄瑜清、乔志新、张琰走上创业道路,参与过多款精密仪器类产品的研发和量产,这一创业团队马上就拿到了第一笔种子轮融资。

但直至第四轮融资之前,投资人看中的都不是黄瑜清团队所认准的方向——生命科学领域实验室自动化解决方案,而是其应用场景更成熟、变现能力更强的工业机器人业务。

确定实验室自动化的方向,是黄瑜清基于早期观察和对市场趋势的预判。

一个最简单的场景是医院检验科,很多的护士在满足大量患者血常规检查的需求,从采血、装瓶、开盖、离心、提取、分装到送检,护士要全程参与,而在药厂的实验室里,人均博士的专家们每天也要花费大量的时间在人工流水线操作中。

黄瑜清认为这些场景中的自动化需求没有被满足,而其所处的生命科学领域,将是未来自动化大展拳脚的第三大应用场景。

“在传统工业机器人领域有日本发那科、安川电机、瑞士的ABB以及库卡‘四大家族’,但后起之秀的3C制造领域,这‘四大家族’的市占率很小,取而代之的是雅马哈、爱普生等企业,主要是因为工业和3C的场景、需求不同,比如手机流水线就有更高的节拍要求,是专攻汽车流水线的设备不能满足的,这导致‘四大家族’无法直接复制已有产品。”

梳理了成熟的两大自动化领域后,黄瑜清觉得自动化新场景一定能给新厂牌长成巨头的机会,而下一个和工业、3C并列的超级行业,可能就是生命科学以及新零售。

目前,工业机器人可分为多关节机器人、协作机器人、Delta机器人和SCARA机器人四大类。在3C领域,SCARA机器人的需求最大,我国SCARA机器人市场已基本形成由爱普生、雅马哈两家外资企业主导的格局,2020年两家企业合计占据中国市场份额的50%。正如黄瑜清所言,新场景有机会哺育出新巨头。

比起应用场景成熟的工业机器人和3C制造机器人,生命科学领域的自动化还处于0到1的阶段。基于镁伽创始团队的从业背景,黄瑜清决定两手抓,一边为生命科学领域的自动化做技术储备和自动化模块产品探索,一边入局工业协作机器人领域,获取稳定的现金流,保障公司的生存条件。

2019年6月,镁伽完成了A+轮融资,由博世创投领投,后者看中的不再单是镁伽“赚钱养家”的工业协作机器人业务,而是认准了镁伽对实验室自动化解决方案的坚持探索。此时,镁伽已经从慕尼黑上海分析生化展上带回了一批客户,分布于基因测序、制药与生物制药、临床诊断等生命科学领域。

其实,早在公司成立的第2年,镁伽就构建了一个面向生命科学实验室自动化标准动作单元的“技术货架”,包括自动扫码系统、自动开关盖系统、高速定位贴标签系统等等,当有新的需求出现时,从“货架”上挑选模块,就能像搭积木一样拼成新的解决方案。

拿到核酸检测自动化项目,镁伽的“技术货架”模式被验证。

核酸检测自动化带来了新发展机遇

2020年6月11日,1例新冠病毒感染患者突现,结束了北京当时连续56天无新增病例的平静,新发地市场迅速被锁定为疫情暴发的单一源头,围绕新发地市场,争分夺秒的区域全员核酸检测开启。

北京一家第三方医学检验机构被分配了大兴区的检测任务,每天检测人数在100万人量级。为了打赢这场硬仗,该检验机构招募1600名临时检验人员,每天一大一小两辆卡车,分别装着咽拭子样本和30万张写满个人信息的A4纸从北京奔赴天津实验室。依靠人海战术,这家机构抗住了大兴区的核酸检测任务。

但是,区域疫情接连出现,常态化的核酸检测需求短期内也不会消失,响应速度要提升,检测时间要缩短,临时增添人手不是长久之计,需要为一些关键步骤找到自动化解决方案。

镁伽接过客户需求,用25天的时间,打赢了这场核酸检测自动化之战。在订单敲定第二天,近半数镁伽员工投入了核酸检测自动化项目。从第一台可以单日处理超2000个咽拭子样本的小型设备出厂到现在,镁伽已经将产品更新迭代至全自动病毒检测系统,全程无需人工干预。

开始阶段,在核酸检测实验室,自动化要处理的是最复杂和危险的环节——病毒样本的分杯,拿到采样点收集来的咽拭子管后,带盖上样、自动扫码、信息录入、自动开盖,再提取可能含有阳性样本的咽拭子样本转移到深孔板,之后是自动关盖、原管原盖回收。
图源自镁伽

图源自镁伽

从立项、设计图纸、同步写软件、发给供应商去加工、跟踪物料、场内去组装、调试到出货,25天紧凑的筹备周期后,镁伽交付了第一批两台核酸病毒检测分杯系统。当时,受疫情影响,供应链产能压缩,物料供应紧张,项目组同事都蹲守在供应商客户一端,7×24小时盯物料进度。

黄瑜清印象最深的细节是:“本来约定好晚上12点第一台机器发货,但最后一车物料晚上10点才送到我们厂区,盯物料的同事蹲在地上就哭了,接着又是整个团队熬了一个通宵,第二天早上5点,货车才开出厂区,那会太阳刚刚冒头。”

客观环境的压力之外,系统本身的复杂性也是挑战。以开盖环节为例,由人来做,是一个简单的拧开动作,但要实现自动化却有大量不简单的技术细节要攻克。

2020年的冬天,在天津的一场全员检测中,230万人的核酸检测要在30小时内出具结果,政府动用了7000人去全市各采样点做咽拭子采集。采集员男女老少形形色色,每个人拧紧瓶盖的力度不同,而各采样点的咽拭子管型号各异、容量不一。此外,咽拭子管从零下的室外到恒温的实验室环境,不同的管身材质又对应着不同的膨胀系数。来料一致性的偏差和波动,需要镁伽的核酸检测自动化解决方案在最初设计时就考虑周到。

我们会把开口设计得非常复杂,包括实时的力距检测、深度学习的训练模型,自动开盖一个环节就有很多个技术专利在上面。”黄瑜清说,之前两三年的技术储备在这个时候发挥了作用,让镁伽在机会出现的时候能攥在手里。

目前为止,镁伽最初推出的小型分杯系统已经进入了全国十多家医院,一共卖出了100余台。

现在,镁伽的核酸检测自动化设备已经有小型、高通量、超高通量和全流程自动化四种,其中前两款聚焦在病毒样本前处理阶段,每台每天各自能完成3-5人、4-6人工作量,各自处理2000+个、3000+个样本。

超高通量病毒样本分杯系统每天可以完成25人工作量,处理超14000个样本,同时支持10混1检测,检测效率提高了10倍,较人工效率提高14倍,还减少了2/3以上的实验室空间,配置完成后一键启动,全程无需人工干预。

2021年8月12日,镁伽推出了全自动病毒检测系统,从病毒样本的分杯向后延伸,覆盖了核酸提取、PCR体系构建、qPCR检测,可以直接拿到检测报告,7个半小时可以完成2300人的样本检测,能代替40多人的工作量。
全自动病毒样本检测系统(图源自镁伽)

全自动病毒样本检测系统(图源自镁伽)

开始阶段的自动化设备,主要负责样品分配工作,全自动病毒检测系统是则是在其基础上做了整个检测环节的扩充,按照黄瑜清的描述,“这边咽拭子管样品直接进去,另一边直接拿到检测报告”。

此外,针对新冠病毒相关使用场景,镁伽也推出了适用于港口、医疗机构、隔离观察点等地的集成式移动核酸检测实验室,以及新冠病毒血清学检测解决方案。但是,核酸检测不是生命科学实验室自动化的唯一场景。

生命科学实验室需要一场自动化革命

随着生命科学行业向大数据科学迈进,传统的处理效率已经不能满足生物学家的需求,自动化与智能化的需求开始大量增长。

在诊断测试实验室场景中,自动化产品需要对样品进行快速、准确的处理和分析,并且具有完整的可追溯性,还要符合认证质量标准和既定标准,这需要从样品到达、检测过程、结果记录到出测试报告等全流程都实现自动化。

与工业和3C制造领域一样,生命科学领域中所有劳动密集、效率低下的环节都需要一场自动化革命。在黄瑜清看来,三大变化正在推动这场革命走向高潮。

首先,从技术角度来说,生命科学领域对于自动化的要求从一开始就需要高度人性化,甚至是工业4.0级别,而自动化工程技术发展到现在的智能制造,已经迈过了进入实验室的门槛。

其次,从商业层面考量,自动化设备和系统面世之初,价格极其昂贵,而生命科学场景中的用人成本同时高企,两厢比较,后者才是核心。而随着人才的攒聚、自动化的普及,两端的价格达到了一个平衡点,为自动化技术进入实验室添了动力

同时,从趋势变化而言,中国生命科学行业此前长久处于被低估的状态,以体外诊断为例,2018年的数据显示,中国人均每年的体外诊断支出不足2美元,欧美成熟市场每人每年支出在25-30美元,日本超过30美元,从医疗服务到新药研发,整个市场正在回归正确的估值水平,这给了自动化技术发挥其效率加速剂的机会空间。

以药物筛选为例,传统的方法是:实验室拿到上百万个候选化合物,需要一个一个进行药效、毒性及成药性的评估,再统一出具报告,但加入了人工智能深度学习的实验室自动化系统平台,使用已经训练成熟的模型去预测所有化合物的大致结果,筛选淘汰大部分,将精准筛选化合物的量级从百万级别降至十万级别,这能极大缩短药物筛选的时间。

2018年底,面对多个生命科学领域的应用场景,镁伽开始着手自主研发、创建通用型智能自动化生物实验室——鲲鹏实验室。

区别于此前镁伽在生命科学领域推出的具有针对性的其他自动化产品,鲲鹏实验室是一个功能集合体,目前构建了多个不同生物学场景的自动化平台,包括MegaCell全自动细胞实验平台、MegaMolecule全自动分子实验平台、MegaMicro超高通量全自动病毒核酸检测系统、MegaOmics组学样品前处理智能自动化平台。

鲲鹏实验室的应用场景涵盖了细胞生物学、分子生物学、毒理学、合成生物学、药物筛选、分子诊断、二代测序和样品库管理,基本纳入了整个生命科学领域的80%到90%场景。

黄瑜清告诉钛媒体App,“可以理解为镁伽建了一个生物生命科学的工厂,在工厂里面有不同的设备,能够做不同的事情。我们拿到一个客户的需求,会去自动化组合这些能力,为客户提供服务。

2021年8月,镁伽鲲鹏实验室一期在北京昌平区生命科学园正式落成,同时也在上海、苏州开始布局满足不同功能的自动化生物实验室,预计于2022年初陆续投入使用。而黄瑜清也在思考下一代的全自动化实验室应该如何设计。

“今天的生命科学领域 ,无论是化学还是生物,做实验的方式还都是50年甚至100年前的方式,虽然已经有了半自动化、自动化设备出现并慢慢普及,但我们也观察到,现在的自动化也都是在为手工试验服务,比如深孔板,甚至是高内涵。我们面向下一代全自动化实验室设计时,发现很多原有设备都应该重新再做一遍。”

黄瑜清坦言,这个过程会很长,可能要10年、20年,但改造、升级的趋势是确定的,风头已经起了,风势会越来越大。

(本文首发于钛媒体App,作者丨杨亚茹,编辑丨孙骋)

本文系作者杨亚茹授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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