Multiomics er det næste skridt i bioteknologi

Den genomiske revolution

De fleste fremskridt inden for medicin og endda landbrug i de sidste to årtier har været på baggrund af den genomiske revolution. Ved at kende den genetiske sammensætning af levende organismer kan forskere finde nye mål for terapier, nye måder at optimere produktionen af ​​værdifulde materialer på og endda begynde at ændre selve genomet takket være genredigering. Dette er nu ved at blive en stor forretning, med den første godkendte genredigeringsterapi (Casgevy) med et prisskilt på $2.2 mio..

Det, der drev denne revolution, er den meget dybere forståelse af biologiske processer takket være genomsekventering. Alligevel er genomet et ret råt datasæt. Det er lidt ligesom en fuld ordbog, med den nøjagtige "ortografi" af hvert protein i en celle. Men en levende celle er mere som en komplet roman, hvor det er meget mere relevant, hvordan "ordene" (RNA og proteiner) er arrangeret.

Fra genomik til multiomik

Kompleksiteten af ​​selv en enkelt celle, og endnu mere en fuld menneskelig krop, er grunden til, at mere avancerede analytiske metoder end genomik er nødvendige. Og der er mange:

• transcriptomics: analyse af mRNA.
• proteomics: analyse af proteiner, herunder modifikation af proteiner med sukker (“post-translationel”).
• metabolomics: analyse af kemiske forbindelser og stofskiftet.
• Epigenomik: modifikation af genomet uden at påvirke den genetiske sekvens, eller "epigenetik".
• Mikrobiomik: analyse af alle mikrober, der lever inde i eller på kroppen.
• Enkeltcellet multiomik: multiomics-analysen på individuelle celler.
• Rumlig biologi: 3D-analyse af placeringen af ​​specifikke mRNA, proteiner eller celler.

Disse analytiske metoder er ofte størrelsesordener mere komplekse end "simpel" genomik. Hver dåse og ideelt set bør kombineres med den anden for at give et bedre billede af den virkelige kompleksitet af en levende organisme.

Når de kombineres, giver de mulighed for "multiomics” analyser.

En multiomics dataeksplosion

proteomics

Kapaciteten til proteinanalyse er steget med adskillige størrelsesordener i løbet af kun et årti.

Som vist i denne graf fra ARK Invest (med en logaritmisk skala), kan hundredtusindvis af proteiner nu analyseres på en time, med proteomiske metoder i stand til at skelne op til 10,000 proteiner pr. prøve. Prisen pr. prøve er også faldet støt, fra $1,000 i 2011 til kun $100 i 2023, eller et fald på 23% årligt.

Kilde: ARK Invest

Dette har radikalt fremskyndet opdagelsen af ​​kræftbiomarkører og udviklingen af ​​præcisionsterapier, et emne, vi undersøgte dybtgående i "Behandling af det ubehandlede med præcisionsterapier – en mulighed for 4 billioner dollars?".

transcriptomics

mRNA'er er "brugsanvisningen" til genomets "ordbog." Formen og mængden af ​​mRNA er egentlig det, der dikterer, hvordan genet udtrykkes og bruges i cellen.

Problemet med tidlig transkriptomik var, at den skulle analysere mindst tusindvis af celler på én gang, hvis ikke millioner. Dette sletter alle detaljer om ændringer i mRNA, der var forbigående i tid eller for lokaliserede.

Dette har ændret sig med muligheden for enkeltcellet RNA-analyse, hvilket revolutionerer vores forståelse af kræft. Med dette kan vi forstå præcist, hvilket gen der er ansvarlig for kræft, og hvilken undertype af celle der rent faktisk gør det.

Kilde: ARK Invest

Andre -Omics

Mens de er nyere, er de andre analytiske metoder ikke mindre lovende.

Rumlig biologi tillader analyse af enkeltceller og hvordan forskellige celler og RNA eller proteiner interagerer med hinanden. I realtid, hvis det er nødvendigt. Dette åbner helt nye felter for videnskabelig forskning, noget vi diskuterede yderligere i vores artikel "Spatial Biology: Nanostring vs. 10x Genomics".

Mikrobiomik gør det muligt at bruge bakterierne i vores tarm eller på vores hud til nye terapeutiske metoder. For eksempel er autismespektrumforstyrrelser for nylig blevet forbundet med tarmmikrobiomet. Hvilket korrelerer med "undersøgelser, der viser langsigtede fordele på autismesymptomer og tarmmikrobiota gennem mikrobiotaoverførselsterapi".

Epigenomik kunne blive det næste trin i præcisionsterapier med mulighed for at finjustere genekspressionen af ​​for eksempel kræftceller.

Kilde: National Library of Medicine

"Epigenetisk foryngelse" er også en mulighed for at vende aldring, en af ​​metoderne diskuteret i vores artikel "Aldring er en del af livet – det betyder ikke, at vi ikke kan kæmpe".

AI'er til at hjælpe med at behandle multiomics-data

Resultatet af de faldende omkostninger og den stigende kapacitet til multiomikanalyse er en strøm af data som aldrig før. Det er hurtigt ved at blive umuligt for enhver forsker at gennemgå disse data manuelt for at finde relevante punkter.

Heldigvis sker multiomics-revolutionen, mens kunstig intelligens bliver stadig mere dygtig.

AI, maskinlæring (AI/ML) og automatisering driver allerede lægemiddelopdagelsen. Dette skulle i sig selv hjælpe med at reducere omkostningerne ved lægemiddelopdagelse betydeligt, takket være AI-screeningsbiblioteket af eksisterende og potentielle lægemidler og forudsige det sandsynlige resultat "in-silico". Dette alene kunne øge præcisionsterapiområdet med en CAGR-rate på 26 % i løbet af de næste syv år,
fra ~820 milliarder USD i 2023 til ~4.5 billioner USD i 2030.

Kilde: ARK Invest

Men lægemiddelopdagelse er kun det første skridt. AI kan også bruges til at forudsige de kemiske egenskaber af nye molekyler eller proteiner, som f.eks AI-værktøjet "Distributionsgrafer” fra Microsoft.

Kilde: microsoft

AI kan også forudsige, om et molekyle vil være giftigt uden at skulle teste det på levende celler eller dyr. Det kan blandes med automatisering for at køre eksperimenter i stor skala, herunder "Organ-on-a-chip"-simuleringer eller automatiserede eksperimenter (automatiseret væskehåndtering, "invivomics" eller mikrosyntese)

Endelig kunne AI'er og IT-integration forbedre design af kliniske forsøg med mere adaptive forsøg, flere sporede biomarkører eller endda decentraliserede forsøg.

Kilde: ARK Invest

Multiomics aktier

1. Pacific Bioscience (PacBio)

PacBio, der blev grundlagt et par år efter Illumina, en førende virksomhed inden for genomsekventering, har siden da været den mindre aktør inden for genomsekventering. Trods sin mindre størrelse har virksomhedens udstyr holdt sig på topniveau.

Det er også 8^th største beholdning af ARK Genomic Revolution ETF.

PacBio for nylig erhvervede Omniome i 2021, hvilket giver det en fordel i nøjagtighed til at læse meget lange eller korte genetiske sekvenser. Denne fordel blev forstærket med den senere opkøb af Apton for $110 mio. i august 2023, som også specialiserede sig i short read, high throughput (SR-HI).

Kilde: PacBio

PacBios Onso-systemer begynder nu at sende til kunder, og lanceringen er blevet beskrevet af virksomheden som "bedste start i PacBios historie”. Det vil specialisere sig i korte sekvenser, mens dets Revio HiFi-system vil være i stand til at læse lange sekvenser og arbejde 24/7, hvilket gør det til at læse 1,300 fulde menneskelige genomer om året (ca. 4/dag). Senere vil Revio HiFi blive erstattet af HT SBB-systemet, som sandsynligvis vil integrere Apton-teknologi.

Pacbio forventer, at lange sekvenser vil vokse meget hurtigere end det bredere NGS-marked (Next-Generation Sequencing) og hævder, at deres systemer er 10 gange mere nøjagtige end konkurrenterne.

Kilde: PacBio

Interessant nok kan det også nedbringe de samlede omkostninger ved genomsekventering. Uden at blive for teknisk skal korte sekvenser samles igen i en omfattende helhed. Så et kortlæst genom på $500 kan hurtigt have brug for ekstra analyser, der koster i alt $1,500, for faktisk at være brugbart som et diagnostisk værktøj.

Så en $950 Revio lang sekvensanalyse undgår dette trin og kommer billigere ud til diagnostisk anvendelse.

PacBios fokus på højpræcisions-/langsekvensanalyse bør give virksomheden en fordel inden for diagnostik i de næste par år. PacBios ledelse mener, at dette kan øge virksomhedens markedsindtrængning inden for human genomik fra de nuværende 5% til 10% og inden for onkologi (kræft) fra 1% til 5%.

Mens PacBio for det meste er fokuseret på sin årtier gamle konkurrence med Illumina, kan det også være nødvendigt at kæmpe med Oxford Nanopore på markedet for diagnosticering/lang sekvens.

2. 10x Genomics Technology

10x Genomics er førende inden for rumlig biologi, som studerer genomet og transkriptomet i 3D, hvilket muliggør visualisering af genernes aktivitet på cellulært eller endda intracellulært niveau.

Virksomheden blev grundlagt i 2012, med Serge Saxonov blandt dets grundlæggere, direktøren for R&D for den personlige genomtestvirksomhed 23andMe.

Det er også 12^th største beholdning af ARK Genomic Revolution ETF.

10x Genomic voksede ved hjælp af en blanding af R&D ($1B+ investeret i R&D indtil videre) og opkøb til at forgrene sig inden for mange forskellige omics-områder. Navnlig dens Visium-platform for rumlig transcriptomics i væv blev opnået ved at erhverve Spatial Transcriptomics i 2018.

Det er også sådan, 10x Genomics ville erhverve sin xenium platform for enkeltcellevisualisering ved at erhverve Readcoor og Cartana i 2020.

I 2020 ville den også lanceres Chromium platformen, opdateret året efter til Chromium X, til enkeltcellet RNA-sekventering.

Gennem opkøbet af Tetramer Shop i 2021 ville 10x Genomics også lanceres BJÆLKE (Barcode Enabled Antigen Mapping) i 2022. Det giver forskere mulighed for at identificere komponenter i immunsystemet i detaljer. Dette kan have stor betydning for forskning i immunitet og nye sygdomme.

10x Genomics-opkøb tidslinje- Kilde: 10x Genomics

Selskabet også tjente i september 2023 en kritisk sejr mod sin vigtigste rival, Nanostring. Nanostring er indtil videre forbudt at sælge sine CosMx Spatial Molecular Imager-instrumenter (SMI) i det meste af EU for at krænke 10x genomiske patenter.

Dette førte til meddelelsen, at Nanostring indgiver en konkursbegæring og undersøger potentielle salg i februar 2024.

NanoString anklagede 10x Genomics for at pålægge sine retssager "med det tilsyneladende mål at formindske det konkurrenceprægede landskab for forskellige rumlige biologiske platforme til skade for offentlighedens bedste"

Samlet set ser 10x genomics ud til at være i stand til at etablere et solidt forspring på markedet for rumlig biologi, herunder enkeltcellet transkriptomik og antigenkortlægning.

Virksomheden er stadig i sine tidlige stadier, noget ligner de tidlige dage af Illumina og Pacific Biosciences. Indtil videre er rumlig biologi begrænset til en verden af ​​akademisk og grundlæggende forskning. Men ligesom mange bioteknologier kan det en dag blive udbredt, langsomt blive et medicinsk værktøj og derefter blive en "rutinemæssig" test. Under alle omstændigheder bør den voksende pulje af installerede maskiner drive salget af forbrugsvarer og omsætningsvækst.