流式細胞儀行業研究
作者：琉筠
摘要：流式細胞分析，測量液相中懸浮細胞或微粒的一種現代分析技術。流式細胞儀則是對細胞進行自動分析和分選的裝置。本報告從流式細胞儀的歷史、分類、原理、應用、市場、品牌及產品等方面進行論述。
本期行業研究正文共7065字，全文閱讀時間約12分鐘
1 流式細胞儀的發展歷史
1930年，Casperrsson和Thorell開始致力於細胞的計數；1934年，Moldaven是世界上最早設想使細胞檢測自動化的人；1953年，貝克曼庫爾特推出了世界上第一臺流式細胞儀。
1972年，Herzenberg研製出一個細胞分選器的改進型，能夠檢測出經熒光標記抗體染色的細胞的較弱的熒光信號；1973年，BD公司與美國斯坦福大學合作，推出了世界上第一臺商用流式細胞儀FACSⅠ。20世紀80年代初期，最早的三色流式細胞儀出現；到了20世紀90年代中期，出現了四色流式，隨之，立即出現了補償問題。
在2002年，貝克曼公司推出了Cytomics™ FC 500 流式細胞分析儀，它具有雙激光5色，用於臨床研究市場；2003年，貝克曼公司新增 FC 500 MPL 和 CXP 版本分別用於研究和臨床使用；2007 BD推出FACSCantoll系統，實現多至8色熒光分析和幹細胞SP檢測；2008 BD推出升級型流式細胞分選儀BD FACSAria II；至今，可檢測熒光參數數量已經穩定增加到27～30色。
後續又出現了質譜流式技術，質譜流式技術還處於起步階段，美國DVS Sciences公司研發的質譜流式細胞儀已經發展到第二代，即CyTOF2 質譜流式細胞儀；富魯達公司也推出了自己的質譜流式細胞儀產品；在國內，這一技術尚屬空白，東勝創新正在進行相關的技術推廣。
2 流式細胞儀分類及其工作原理
按照檢測系統的差異可將流式細胞儀分為光譜流式細胞儀和質譜流式細胞儀。
2.1 光譜流式細胞儀的工作原理
常規流式細胞儀主要由4部分組成：液流系統、光學系統、電子系統、分析系統。它只能檢測懸浮的單細胞或微粒的信號。一般是將待測細胞或微粒進行熒光染色後製成懸液標本，在一定氣體壓力下將待測樣品壓入流動室，用不含細胞或微粒的緩衝液（又稱鞘液）在高壓下從鞘液管噴出，鞘液管入口方向與待測細胞或微粒流成一定角度，使鞘液包繞著細胞或微粒高速流動，形成一個圓形的流束（即鞘流），待測細胞在鞘液的包裹下單行排列，依次通過流式細胞儀的檢測區域，經激發光激發後產生熒光信號。流式細胞儀通常以激光作為激發光源，經過聚焦整形後的光束垂直照射在樣品流上，被熒光染色的細胞在激光束的照射下產生散射光和激發熒光。
光譜流式細胞儀基本原理示意圖（資料來源：流式中文網）
熒光信號的接收方向與激光束垂直，經過一系列雙色性反射鏡和帶通濾光片的分離，形成多個不同波長的熒光信號。這些熒光信號的強度代表所測細胞膜表面的強度或其細胞內、核內物質的濃度，經光電倍增管/PMT陣列接收後可轉換為電信號，再通過模/數轉換器，將連續的電信號轉換為可被計算機識別的數字信號。
流式細胞儀還可以對分析中的目的細胞進行分選提取，它通過分離含有單細胞的液滴而實現的。在流動室的噴嘴上安裝有超高頻的壓電晶體，可以產生高頻振盪，使液流斷裂為均勻的液滴，待測細胞就包含在液滴之中。將這些液滴充上正或負電荷，當帶電液滴通過電場,在電場的作用下發生偏轉，然後落入相應的收集器之中，從而實現細胞分選。
2.2 質譜流式細胞儀的工作原理
質譜流式細胞儀是將採用金屬元素標記物（通常是金屬元素標記的特異抗體或者染料）標記或識別細胞表面和內部的信號分子，然後用光譜流式細胞儀原理分離單個細胞，再用感應耦合等離子質譜（ICP-MS）觀察單個細胞的原子質量譜，最後將原子質量譜的數據轉換為細胞表面和內部的信號分子數據，並通過專業分析軟件對獲得的數據進行分析，從而實現對細胞表型和信號網絡的精細觀察。如圖中所示，用金屬標籤抗體標記的細胞進入質譜流式細胞儀後，逐個通過ICP質譜檢測裝置，然後對每個細胞中各種金屬標籤進行定量檢測，進而得知每個細胞中各目標蛋白的含量。
質譜流式細胞儀原理示意圖（資料來源：百度百科）
2.3 不同類別流式細胞儀的比較
質譜流式細胞儀與光譜流式細胞儀相比，主要有兩點不同：一、標籤系統的不同，前者主要使用各種熒光基團作為抗體的標籤，後者則使用各種金屬元素作為標籤；二、檢測系統的不同，前者使用激光器和光電倍增管作為檢測手段，而後者使用ICP質譜技術作為檢測手段。
不同類別流式細胞儀的比較（資料來源：百度百科，流式中文網）
2.4 流式細胞儀的技術優勢
流式細胞術能夠快速測定單個細胞或細胞器的生物學性質，並把特定的細胞或細胞器從群體中加以分類收集。與傳統的儀器相比，具有測量速度快和高通量的特點，可進行多參數測量，其既能進行細胞分析，又能精確的分選細胞。
流式細胞儀的技術優勢（資料來源：醫療器械融資網）
3 流式細胞儀的應用
3.1科研應用
3.1.1 細胞結構研究方面的應用
流式細胞儀在細胞結構方面的應用主要包括測定細胞的大小、顆粒度、表面積、核漿比、DNA含量與細胞週期、RNA含量、蛋白含量等。
細胞週期檢測：流式中常用碘化丙啶（PI）與DNA結合，其熒光強度與DNA含量成正比，進而反映細胞的增殖狀態。
細胞凋亡檢測：利用Annexin-V能與PS高親和力結合的能力，可以區別凋亡及壞死細胞，因此使用結合FITC的Annexin-V和PI，就可以區分存活的早期細胞和壞死或晚期凋亡細胞。
3.1.2 細胞功能研究方面的應用
流式細胞儀在細胞功能研究方面，也應用廣泛，如細胞表面（胞漿和核的）特異性抗原、細胞的活性、細胞內外因子、激素結合位點、細胞受體、蛋白質磷酸化、PH值、鈣離子濃度等。
淋巴細胞及其亞群分析：流式細胞儀可同時檢測一種或幾種淋巴細胞表面抗原。如利用細胞特異性表面標記和分泌的細胞因子等劃分細胞亞群，可以研究不同情況下機體的免疫狀態及特定細胞群體的免疫功能。
3.2臨床應用
3.2.1 臨床細胞免疫中的作用
正常人群淋巴細胞T4/T8比值大約為2∶1，但在人體細胞免疫力低下時可出現比例倒置。用FCM還可以監測腎移植後病人的腎排斥反應，如果T4/T8比例倒置，病人預後良好，較少發生腎排異現象；反之排異危險性增加。同樣此種測定技術也用於艾滋病的診斷和治療中。
3.2.2 血液病診斷和治療中的應用
白血病的診斷和治療：各種血細胞系統都具有其獨特的抗原，當形態學檢查難以區別時，免疫表型參數對各種急性白血病的診斷和鑑別診斷有決定性作用。利用FCM可以測定出血細胞表達各種抗原的水平，協助臨床確診。
同其它腫瘤的治療一樣，測定DNA倍體和進行細胞週期分析對指導白血病化療有一定作用，不同的白血病患者或同一患者在不同病期白血病細胞增殖狀況不同，定期瞭解細胞增殖情況採取相應藥物可以提高療效。
目前臨床除化療藥物治療外還採用造血幹細胞移植技術治療急性白血病和一些疑難性疾病。FCM通過對人白細胞抗原(HLA)配型的測定可以為異體幹細胞移植病人選擇出最合適的供體。FCM測定CD34、HLA-DR、CD33等細胞表面標誌物，成為幹細胞移植技術重要的監測手段。用FCM檢測一系列指標觀察病人的恢復狀態，可以對預後做出早期的判斷。
網織紅細胞的測定及臨床應用：網織紅細胞計數是反映骨髓造血功能的重要指標，FCM通過某些熒光染料(吖啶橙、噻唑橙等)與紅細胞中RNA結合，定量測定網織紅細胞中RNA，得到網織紅細胞佔成熟紅細胞的百分比。為幹細胞移植術後恢復的判斷、貧血的治療監測、腫瘤病人放化療對骨髓的抑制狀況等提供了依據。
其它種類血液病的診斷和治療監測：陣發性睡眠性血紅蛋白尿症是一種造血幹細胞克隆病，細胞CD55、CD59抗原表達減低是該病的一個特點。該抗原屬於血細胞表面磷脂酰肌醇錨連蛋白家族，是重要的補體調節蛋白，它通過與補體C8、C9的結合以阻止補體膜攻擊複合物的形成，從而抑制細胞被補體激活溶解。
3.2.3 腫瘤學中的應用
這是FCM在臨床醫學中應用最早的一個領域。首先需要把實體瘤組織解聚、分散製備成單細胞懸液，用熒光染料(碘化吡啶PI)染色後對細胞的DNA含量進行分析，將不易區分的群體細胞分成三個亞群(G1期，S期和G2期)，DNA含量直接代表細胞的倍體狀態，非倍體細胞與腫瘤惡性程度有關。
發現癌前病變，協助腫瘤早期診斷：人體正常的體細胞均具有比較穩定的DNA二倍體含量。FCM可精確定量DNA含量的改變，作為診斷癌前病變發展至癌變中的一個有價值的標誌，能對癌前病變的性質及發展趨勢作出估價，有助於癌變的早期診斷。
在腫瘤的診斷、預後判斷和治療中的作用：FCM在腫瘤診斷中的重要作用已經被認可，DNA非整倍體細胞峰的存在可為腫瘤診斷提供有力的依據。
FCM不僅可對惡性腫瘤DNA含量進行分析，還可根據化療過程中腫瘤DNA分佈直方圖的變化去評估療效，瞭解細胞動力學變化。臨床醫師可以根據細胞週期各時相的分佈情況，依據化療藥物對細胞動力學的干擾理論，設計最佳的治療方案。
3.2.4 血栓與出血性疾病中的應用
血小板功能的測定：正常情況下血小板以分散狀態在血管內運行，但當血管損傷、血流改變或受到化學物質刺激時血小板被活化而發生一系列改變。由於血小板的活化程度可由血小板膜糖蛋白表達水平的高低來判斷，FCM測定血小板膜糖蛋白的表達情況成為檢查血小板功能的一種新手段。
血小板相關抗體的測定：免疫性血小板減少性紫癜病人血漿中可產生血小板自身抗體，結合在血小板表面，稱為血小板相關抗體，其分子可以是IgG、IgA或IgM，用羊抗人IgG、IgA、IgM熒光抗體標記被測血小板，FCM可以測定血小板相關抗體含量。
4 流式細胞儀國內市場分析
近些年中國流式細胞儀不僅數量和種類增加，也出現了不少自產的流式細胞儀。目前國產流式細胞儀以雙激光居多，為分析型機器，還沒有分選型儀器上市。相比全球流式細胞儀市場多色普遍化、機型隨應用領域細分、機械化量等新特點，我國流式細胞儀市場還有很大的發展空間。
4.1 流式細胞儀國內市場
截至2019年，據估計全球流式細胞儀的市場約36億美元，其中科研應用市場規模約16億美元，年增長率低於10%，臨床應用市場規模約20億美元，年增長率大於10%；而國內市場12億元，其中科研應用市場規模和臨床應用市場規模相當，年增長率大於10%，未來市場容量很大。
4.2 流式細胞儀國內市場整合情況
國際血液分析巨頭Sysmex公司2013年收購了老牌的流式公司Partec。Beckman Coulter於2014年收購了國產首家流式細胞技術公司-蘇州賽景生物；2018年5月，中科院蘇州醫工所研發團隊將開發的流式細胞儀的所有相關技術成果全部轉換至中生(蘇州)醫療科技有限公司；2018年9月25日安捷倫宣佈以2.5億美元的現金收購國產流式細胞儀制造商——艾森生物(ACEA)；2019年1月，Luminex完成對默克的流式細胞儀產品組合的收購；2019年2月18日，深圳市達科為生物技術股份有限公司與常州必達科生物科技有限公司宣佈共同開發、合作推出Exflow品牌國產流式細胞儀產品。
目前市場上的流式細胞儀主要由國外企業生產，主要企業是Beckman、BD、Thermofisher以及Merck等，國內較有競爭力的廠家是邁瑞醫療、艾森生物(被安捷倫收購)、重慶博奧、蘇州中生等。
4.3 流式細胞儀國內市場分佈
4.3.1 流式細胞儀國內市場價位分佈
由流式細胞儀中標價位分佈圖可知，價格區間為100萬以下的佔主體地位，佔比為43.75 %，價格區間100-200萬的佔比31.0 5%，200-300萬的佔比12.20 %。由此看出，我國國內市場仍偏好中低端流式細胞儀。
流式細胞儀中標價位分佈（2018 & 2019年）（資料來源：儀器信息網）
4.3.3 流式細胞儀國內市場用戶類型分佈
全年流式細胞儀中標用戶單位類型分佈（2018 & 2019年）（資料來源：儀器信息網）
據統計，2018年全年流式細胞儀中標用戶單位類型中，高校和科研院所為購買主力軍，佔比58.4 %。醫院佔比36.45 %，而政府只佔3.8 %。以上數據說明，我國國內流式細胞儀的市場主要集中於科研院所和醫院。
4.3.4 流式細胞儀國內市場品牌分佈
流式細胞儀中標廠商分佈（2018 & 2019年）（資料來源：儀器信息網）
從廠商分佈圖中可以看出，美國BD與貝克曼庫爾特依舊佔據流式細胞儀市場主要份額，其中BD佔比為53.90 %，貝克曼佔比25.40 %；緊跟其後的是國產廠商邁瑞醫療，佔比7.65 %；排名第四的是安捷倫艾森，佔比為5.6 %。Luminex、賽默飛世爾、富魯達、Cytek各佔比為2.00 %、1.30 %、0.90 %與1.40 %。
已在NMPA註冊的流式細胞儀產品（截至2020年3月，共17個）（資料來源：NMPA）
從上圖可以看出，在流式細胞儀注冊獲批數量上，BD公司依然搶眼，有5個流式細胞儀產品註冊獲批；毋庸置疑，其在臨床應用市場也佔據著絕對的領先地位，緊隨其後的依然是貝克曼，有2個流式細胞儀產品註冊獲批。國產廠商共有6個產品註冊獲批，在流式細胞儀的臨床應用市場也佔據一席之地。
國內流式細胞儀市場主要廠商（資料來源：儀器信息網，流式中文網，必應搜索，百度百科，NMPA）
5. 流式細胞儀市場競爭產品
根據儀器信息網和分析測試網的數據以及流式細胞儀的細分市場，對流式細胞儀市場的主要產品進行進一步分析。
5.1 科研應用市場
隨著流式細胞儀的市場競爭日趨激烈，各大廠家均推出了高性價比和定製化的流式細胞儀產品，來增加市場佔有率。
5.1.1 國外產品
BD Accuri C6
生產廠商：BD
產品簡介：是一款觸手可及的流式細胞儀。超高性價比，小巧的體積，低消耗，穩定，簡單易用，超高動態範圍。檢測通道：雙激光4色；檢測通量：1000000個/秒
Attune NxT
生產廠商：賽默飛世爾
產品簡介：是市面上唯一一款具有聲波聚焦專利技術的流式細胞儀，其液流系統採用獨有的聲波輔助流體動力學雙重聚焦，是一款性價比非常高的流式細胞儀。檢測通道包括4激光14色；檢測通量：65000個/秒。
5.1.2 國產產品
EasyCell
生產廠商：唯公科技
產品簡介：產品具有高靈敏度熒光檢出限，高靈敏度側向角散射光檢出限，高速信號處理能力等一系列特點，保證系統的穩定性。檢測通道：雙激光6色。
ZS-AE7S
生產廠商：中生醫療
產品簡介：採用雙側熒光信號收集結構設計，有效提高熒光信號的靈敏度；採用新型的APD（具備單光子檢測能力）探測器替代傳統的PMT探測器，熒光線性得到了很大提升；擁有可視化的熒光補償工具，支持自動在線補償，離線補償，方便初學者上手。檢測通道：單激光5色。
5.2 臨床應用市場
隨著精準醫療的不斷推崇，臨床醫學對流式細胞儀的需求也日益增強，各大廠商紛紛向NMPA申請，以期望迅速佔據臨床應用市場，目前，NMPA已經審批註冊17個流式細胞儀產品。
5.2.1 國外產品
FACSCalibur
生產廠商：BD
產品簡介： 可同時應用於細胞分析和分選。自動化程度高，配備一系列自動化的檢測和分析
軟件；其檢測時採用雙粘體辨別模式，確保DNA分析的準確性；自動化程度高，配備一系列自動化的檢測和分析軟件。檢測通道：雙激光4色；檢測通量：10000個/秒。
DxFLEX
生產廠商：貝克曼庫爾特
產品簡介：該儀器可搭載高通量自動進樣器及板式進樣器，提高工作效率，減少人為錯誤。卓越的靈敏度和易用的軟件使得流式技術更加普及，自動的質控和標準化功能使操作更規範，結果更準確。檢測通道：3激光13色。
5.2.2 國產產品
BriCyte E6
生產廠商：邁瑞醫療
產品簡介：最大優勢是全中文的軟件操作界面，操作流程符合臨床檢驗科室常規檢測項目的操作習慣。BriCyte E6 具有雙激光四色、雙激光五色和雙激光六色等配置，便於用戶靈活選擇熒光素，開展流式檢測項目。另外該儀器提供淋巴細胞亞群四色分析和HLA-B27雙色分析的自動化軟件。
Cytonova
生產廠商：博奧新景
產品簡介：該儀器具備多種配置，採用固定光路設計，極大簡化了維護和校準儀器的步驟，採用高功率固態激光器，智能控溫，功率穩定，使用壽命長，可提供穩定可靠的光斑質量。檢測通道：雙激光6色。
6 結語
隨著免疫治療，特別是CAR-T細胞治療和PD-1等單克隆抗體治療在國內外生物製藥領域的崛起，作為免疫分型金標準的流式細胞術成為了重要的檢測和質控手段。此外，流式細胞術在這些新興領域如海洋生物、植物、微生物、乳品及啤酒釀造等領域的應用也逐漸鋪開。預計未來幾年國內的流式市場有望保持快速增長。目前，國產品牌憑藉價格優勢和政策支持獲得了二級及以下基層醫療機構較高的市場份額，而三級醫院則仍然以進口儀器為主。隨著社會老齡化的加重和國產化替代的一系列政策出臺，國產廠商的市場環境在變好；但各類細胞療法和免疫療法在臨床上尚未廣泛應用開來。
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