Illumina (ILMN): Aufbau der Werkzeuge des Genomischen Zeitalters

Kostenkurve der Genomsequenzierung

Für den größten Teil der Medizingeschichte waren Ärzte darauf beschränkt, Symptome zu beobachten und zu versuchen, sie zu lindern. Dies galt insbesondere für nicht‑infektiöse Krankheiten, die aus Funktionsstörungen im Körper resultieren, einschließlich genetischer Erkrankungen.

Mit der Entdeckung der DNA‑Struktur und -Funktion, verliehen mit dem Nobelpreis für Medizin 1962, begannen wir, ein besseres Verständnis dafür zu entwickeln, wie das biologische System wirklich funktioniert. Die PCR‑Technologie, ausgezeichnet mit dem Nobelpreis für Medizin 1993, würde neue Wege zur Analyse eröffnen.

Dies erweiterte sich weiter, als komplette Genome sequenziert wurden. Das erste menschliche Genom wurde 2003 nach 13 Jahren harter Arbeit sequenziert, zu Kosten von 3 Mrd. $. Schnell wurden die Kosten für die Vollgenomsequenzierung immer niedriger. Bis 2007 kostete es „nur“ 1 Mio. $ ein komplettes Genom. Bis 2014 nur 1.000 $. Heute liegen die Kosten bei etwa 200 $ und sinken weiter.

Dies ähnelt dem Moore‑Gesetz, das Computer zu einem Teil unseres täglichen Lebens machte, indem es vorhersagte, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Quadratzoll auf einem Mikrochip jedes Jahr verdoppelt, während die Herstellungskosten pro Bauteil halbiert werden.

Allerdings war der Rückgang der Genomkosten noch spektakulärer. Er wurde durch NGS ermöglicht: Next Generation Sequencing. Es nutzt die Fortschritte von Siliziumchips, liest jedoch nicht binären Code, sondern genetischen Code. Und je weiter die Fertigung von Siliziumchips voranschritt, desto effizienter wurde NGS.

In den letzten zehn Jahren ist die Kosten pro Genom so stark gesunken, dass es zu einem günstigen Test im Arsenal der medizinischen Fachkräfte wird.

Quelle: Illumina

Im Zentrum dieser Revolution steht das größte Unternehmen für Genome‑Sequenziergeräte: Illumina.

Übersicht über Illumina

Illumina nach Zahlen

Illumina ist bei weitem der größte Hersteller von Genome‑Sequenziergeräten, ein Pionier auf dem Gebiet, der die Sequenzierungstechnologie seit Jahrzehnten vorantreibt.

Derzeit verfügt es über mehr als 22.000 installierte Sequenzierer in 165 Ländern.

Etwa die Hälfte der Verbrauchsmaterialien der Illumina‑Sequenziergeräte wird in klinischen Anwendungen eingesetzt, die andere Hälfte in öffentlichen und privaten Forschungslabors. In klinischen Anwendungen stammt die Hälfte der Nachfrage aus der Onkologie, gefolgt von Gen‑Krankheits‑Tests (GDT).

Quelle: Illumina

Der Großteil der Einnahmen von Illumina stammt aus Amerika und Europa, nur 7 % kommen aus China. Daher ist die kürzliche Einstufung von Illumina auf Chinas „unzuverlässige Entitäten‑Liste“ als Vergeltung für Trumps Zölle wahrscheinlich nicht von großer Bedeutung. Sie könnte jedoch die Pläne des Unternehmens, die Produktion in China bis 2028 sowohl für Instrumente als auch für Verbrauchsmaterialien zu erweitern, zum Stillstand bringen.

Quelle: Illumina

Kurzlese‑Genomik

Illumina konzentriert sich auf das Kurzlesen genetischer Sequenzen. Das bedeutet, dass es kleine Segmente des Genoms einzeln liest, bevor es zu einem zusammenhängenden Ganzen zusammengesetzt wird.

Dies ist nicht unbedingt die Art von Sequenzierung, die für komplexe Forschungsprojekte verwendet wird, die Long‑Read‑Sequenzierung bevorzugen, aber es ist die am häufigsten durchgeführte. Long‑Read wird zunehmend zur Nische des langjährigen Rivalen von Illumina, Pacific Bioscience (PACB ),.

Kurzlesen ist die Methode, die für Genotypisierung, das Entdecken von Einzelnukleotid‑Varianten, die mit genetischen Krankheiten assoziiert sind (der häufigste Fall), und das frühe Erkennen von Krebs mittels Liquid Biopsy (mehr zu dieser Technologie und dem Markt weiter unten) verwendet wird.

Das Unternehmen erwartet, dass die Nachfrage nach NGS (Next Generation Sequencing) für klinische Anwendungen mit einer CAGR von 18 % und für die Forschung mit 6 % wächst, wodurch der adressierbare Gesamtmarkt (TAM) bis 2033 von 100 Mrd. $ für klinische Anwendungen und 25 Mrd. $ für die Forschung steigen wird.

Quelle: Illumina

Geschäftsmodell & Marktanteil

Illumina erzielt einen Teil seiner Einnahmen durch den Verkauf seiner Sequenziergeräte, aber der Großteil stammt aus den Verbrauchsmaterialien, die zum Betrieb dieser Geräte und zur Durchführung der Sequenzierung benötigt werden. Diese Verbrauchsmaterialien sind spezielle Chemikalien und DNA‑Stränge, wobei jedes Sequenziergerät in der Regel nur mit den vom Originalhersteller gelieferten Produkten arbeitet.

Beispielsweise entfielen im vierten Quartal 2024 von insgesamt 1,1 Mrd. $ Umsatz 698 Mio. $ auf den Verkauf von Verbrauchsmaterialien. Ein großer Teil dieser wiederkehrenden Einnahmen ist an Illuminas neuestes Hochgeschwindigkeits‑Sequenziergerät NovaSeq X, das Ende 2023 eingeführt wurde und nun vollständig im Einsatz ist, verantwortlich für 2040 % der gesamten Verbrauchsmaterial‑Umsätze.

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Damit schafft Illumina nicht nur einen stetigen Einnahmestrom, sondern bindet seine Kunden auch langfristig an das Unternehmen.

Bestehende Kunden können zudem zögern, zu einem anderen Anbieter zu wechseln, da ihre bestehenden Forschungs‑ oder medizinischen Protokolle auf Illumina‑Geräten abgestimmt sind. Es könnte auch schwierig sein, Ergebnisse zwischen verschiedenen Geräten für Folgeforschungen zu vergleichen.

Daher wäre jede Neugestaltung kosten- und zeitintensiv und würde zudem die Schulung der Techniker und Forscher, die die Sequenzierung durchführen, erfordern.

Historisch gesehen waren diese Effekte, die bestehenden Kunden im Illumina‑Ökosystem zu binden, ein starkes Wettbewerbsvorteil, das die Fähigkeit von Rivalen wie Pacific Biosciences stark einschränkte, in den Markt einzudringen.

Ein Spiegelbild dieser Marktdominanz, Illumina hatte 2024 einen Marktanteil von über 90 % im Bereich klinischer Genom‑Tests.

Während Nischenmärkte und spezifische Forschungsbereiche mehr Konkurrenz sehen (wie PacBio Long‑Read, Element Bioscience im mittleren Durchsatz oder Ultima Genomics kostengünstige Sequenzierung), kontrolliert Illumina weiterhin den Großteil des DNA‑ und Genom‑Sequenzierungsmarktes.

Finanzielle Leistung von Illumina

Trotz des explosiven Fortschritts in der Genomtechnologie und der Zulassung des ersten CRISPR‑basierten Gen‑Editierungsmedikaments für CRISPR Therapeutics (CRSP ) (folg dem Link für den zugehörigen Investitionsbericht), waren die letzten Jahre für die Investoren von Illumina schwierig.

Dies folgt einem allgemeinen Rückgang im Biotech‑Sektor, nach starkem Wachstum und noch stärkeren Erwartungen während der Pandemiejahre, mit einem Höhepunkt im Jahr 2021.

Quelle: Google Finance

Diese Börsenkurse spiegeln das Wachstum des Unternehmens nicht wider, mit einem Jahres‑zu‑Jahres‑Wachstum von 30 % im Sequenzierungs‑Volumen, insbesondere dank der zunehmenden Verbreitung von Hoch‑ und Mittel‑Durchsatz‑Instrumenten.

Und Illumina hat massive Summen in Forschung und Entwicklung investiert, um die nächste Generation der Sequenzierungstechnologie vorzubereiten, rund 1,2 Mrd. $ allein im Jahr 2024.

Zukunft von Illumina

Multiomics

Das Aufkommen günstiger und automatisierter Genomsequenzierung hat eine Flut biologischer Daten erzeugt wie nie zuvor.

Parallel dazu hat die schiere Komplexität lebender Systeme zur Entstehung von Multiomics geführt, einem Feld, das alle -omics‑Teilsegmente der Biowissenschaften zusammenführt und als nächster Schritt in der Biotechnologie gilt :

• Genomik: die Analyse der DNA‑Sequenz im Zellkern.
• Transkriptomik: die Analyse von mRNA, die die Anweisungen der DNA trägt.
• Epi‑Genomik: die Modifikation des Genoms ohne Veränderung der genetischen Sequenz, also „Epigenetik“.
• Proteomik: die Analyse von Proteinen, einschließlich der Modifikation von Proteinen mit Zuckern („post‑translational“).
• Metabolomik: die Analyse chemischer Verbindungen und des Stoffwechsels.
• Microbiomik: die Analyse aller Mikroben, die im oder am Körper leben.
• Einzelzell‑Multiomics: die Multiomics‑Analyse einzelner Zellen.
• Räumliche Biologie: die 3‑D‑Analyse des Ortes spezifischer mRNA, Proteine oder Zellen.

Quelle:  Ark Research

Neue Felder entstehen, zum Beispiel Agrigenomik (Genomik zur Verbesserung landwirtschaftlicher Erträge), ökologische Genomik (zur genauen Bewertung der Gesundheit eines Ökosystems und ihrer genetischen Vielfalt), oder synthetische Biologie (Erstellung neuer Gene, Merkmale oder ganzer Organismen mit einem spezifischen Zweck).

Obwohl das überwältigend wirken kann (und es ist es für die Forscher im Feld auch), müssen zwei Elemente verstanden werden, um die Multiomics‑Revolution zu begreifen:

• Genomik bleibt im Zentrum von Multiomics als am besten verstandener Datensatz, und das „Instruktionsset“ organisiert alle anderen biologischen Phänomene in lebenden Organismen. Es ist oft das verbindende Element zwischen sonst disparaten Multiomics‑Daten.
• Gleichzeitiger Fortschritt in Datenanalyse und KI ist eine enorme Hilfe, um diese Datenflut nutzbar zu machen, insbesondere durch Korrelation mit Genomik‑Daten.

Als Reaktion auf diese Explosion an biologischen Daten entwickelt sich Illumina schnell zu einem Softwareunternehmen, das nativ integrierte Lösungen an mehreren Punkten der Multiomics‑Analyse bereitstellt.

Quelle: Illumina

Dies wird auch durch enge Partnerschaften mit vielen Akteuren erreicht, um Genomik‑Daten und Werkzeuge zu integrieren: nationale Genom‑Programme, Nvidia (NVDA ), Broad Clinical Labs, usw.

Quelle: Illumina

Transkriptomik

Ein wachsendes Feld neben der Genomik ist die Transkriptomik, die Wissenschaft der Analyse von mRNA, den Molekülen, die die DNA‑Information tragen und nützliche Proteine bilden. Wenn DNA der Bauplan für die biologischen Maschinenteile (Proteine) ist, ist mRNA das Instruktionsset, das detailliert, wie viele zu produzieren sind und wohin die Teile gehen.

Der Transkriptom gibt uns Auskunft darüber, wie viel, wann und wo ein Gen aktiv ist. Bisher wurden solche Analysen meist an zielgerichteten Genen durchgeführt, wobei die vollständige Transkriptom‑Sequenzierung ein eher teures Vorhaben ist und technische Herausforderungen mit sich bringt.

Illumina hat für 2026 eine neue Voll‑Transkriptom‑Maschine angekündigt, die Transkriptomik mit räumlicher Biologie kombiniert, ein Sektor, der bisher hauptsächlich von 10x Genomics (TXG ) kontrolliert wurde.

Illuminas räumliche Technologie ermöglicht es Forschern, die räumliche Nähe von Millionen von Zellen pro Experiment zu untersuchen, dank einer Erfassungsfläche, die neunmal größer ist als bestehende Technologien, und mit viermal höherer Auflösung.

Als komplette End‑to‑End‑Lösung liefert sie zudem den höchsten Nutzen für Einzel‑Zell‑ und räumliche Forscher zu einem erschwinglicheren Preis. Die räumliche Lösung übertrifft die Branchenstandards hinsichtlich Skalierung und Genauigkeit.

Quelle: PR News Wire.

Diese Lösung wird mit Illuminas NextSeq‑ und NovaSeq‑Sequenzierern kompatibel sein, was dazu beitragen wird, die Kosten groß angelegter Programme zu senken.

Dieser aggressive Schritt in die Transkriptomik und räumliche Biologie wird das Illumina‑Produktlaunch im ersten Halbjahr 2025 seiner Proteomik‑Lösung (Protein‑Analyse) ergänzen, um seine Rolle in der Multiomics‑Analyse weiter zu stärken.

Liquid Biopsy

Neben der individualisierten Medizin durch das Vollgenom und komplexer Multiomics‑Forschung wächst die Anwendung der Sequenzierung schnell im Bereich der Krebstherapie.

Derzeit ist die Vollgenomsequenzierung von Krebszellen, die durch Biopsie entnommen wurden, ein Schlüsselelement der Krebstherapie, das Onkologen hilft, die am besten geeignete Behandlung für einen Patienten zu bestimmen, und treibt Illuminas Verkäufe im klinischen Markt an.

Allerdings eröffnet ein neuer und noch größerer Markt die Früherkennung von Krebs, eine Methode namens Liquid Biopsy. Sie erkennt abnormale genetische Sequenzen von Krebs, oder ctDNA (zirkulierende Tumor‑DNA).

Was sie einzigartig macht, ist, dass sie nicht auf organ‑spezifische Radiographie oder Biopsie angewiesen ist, sondern auf einer einfachen Blutprobe.

Auch als Multi‑Cancer Early Detection (MCED) bezeichnet, ist diese Methode nachweislich wirksam, war jedoch bislang zu teuer und unzuverlässig für den klinischen Einsatz und noch weniger für das Screening der allgemeinen Bevölkerung.

Dank leistungsfähigerer Sequenzierungswerkzeuge ändert sich das schnell.

Quelle: Ark Invest

Die Grail‑Saga

Hier wird es für Illumina etwas komplizierter. Das Unternehmen war ein Pionier in der Liquid Biopsy und entwickelte intern seine eigene Abteilung, die Technologie vorantrieb, indem es seine tiefe Expertise in der Erkennung genetischen Materials nutzte, ein Unternehmen namens Grail.

Es spaltete das Unternehmen später aus, das von Illumina zu einem viel höheren Preis als dem IPO‑Preis zurückgekauft wurde, und wird nun von den Wettbewerbsbehörden in den USA und der EU zu einem erneuten Spin‑Off gezwungen.

Damit ist Grail nun ein völlig unabhängiges Unternehmen von Illumina und an der NASDAQ (GRAL ) notiert.

Der ganze Skandal führte dazu, dass Investoren die Ehrlichkeit des Vorstands von Illumina in Frage stellten und trug weiter zur schlechten Kursentwicklung von Illumina in den letzten zwei Jahren bei. Besonders, da der Aktivist Investor Carl Icahn aktiv Veränderungen vorantreibt, was letztlich zum Rücktritt des CEO von Illumina führte.

Dies liegt jedoch nun hinter uns, und Grail hat seit seinem IPO stark performt, wobei neue Krankenversicherungen die Grail‑Multi‑Cancer‑Früherkennungs‑Tests in ihre Deckung aufnehmen, darunter TRICARE, einer der größten Gesundheitspläne in den USA.

Das Unternehmen verkaufte 2024 fast das Dreifache an Tests im Vergleich zu 2022 und erwartet, dass das Wachstum in den kommenden Jahren weiter anhält, noch bevor es in anderen Ländern als den USA startet.

Grail ist nur eines von vielen Unternehmen im Bereich Liquid Biopsy, und da Illumina es nicht mehr direkt besitzt, sind andere Liquid‑Biopsy‑Unternehmen (wie Exact Sciences Corporation (EXAS ), Guardant Health (GH ) oder Natera (NTRA )) weniger geneigt, eine konkurrierende Sequenzierungstechnologie als Illumina zu wählen. Der Markt für Liquid Biopsy wird voraussichtlich bis 2034 mit einer CAGR von 13,9 % wachsen.

Quelle: Precedence Research

So, obwohl es eine unerwünschte Ablenkung war, könnte der Spin‑Off von Grail Illumina letztlich dabei helfen, der Hauptanbieter von genetischen Sequenzierern zu bleiben, die in Liquid‑Biopsy‑Technologien verwendet werden, unabhängig davon, welcher Testanbieter genutzt wird.

Langfristige Perspektive

Illumina hat maßgeblich zur laufenden Genom‑Revolution in Biotechnologie und Medizin beigetragen. Dies erreicht nun erst das breite öffentliche Bewusstsein, mit Gen‑Editierungs‑Therapien für seltene Krankheiten und Krebs‑Screenings als ersten Multi‑Milliarden‑Markt, der aus diesem neuen Medizinansatz entsteht.

Dies sind ebenfalls Bereiche mit noch geringer Marktdurchdringung für Next‑Generation‑Sequencing (NGS)‑Techniken, die ihnen Raum geben, um 10‑ bis 20‑fach zu wachsen, indem sie ältere, weniger empfindliche, teurere oder invasive Technologien ersetzen.

Quelle: Ark Research

Langfristig ist es wahrscheinlich, dass Genomik‑ und Multiomics‑Technologien Teil unseres täglichen Lebens werden. Beispielsweise könnte jedem Neugeborenen von der Krankenversicherung eine vollständige Genomanalyse vom ersten Tag an angeboten werden.

Diese Daten können dann genutzt werden, um die Wahl von Medikamenten und deren Dosierung zu optimieren, das Risiko spezifischer Krebsarten oder anderer Gesundheitsrisiken zu bewerten und sogar die besten Lebensstil‑Empfehlungen entsprechend zu geben.

Dies wird wahrscheinlich parallel zur KI‑Technologie geschehen, die die Entwicklung neuer Medikamente und Therapien beschleunigt und die massive Datenmenge, die die Multiomics‑Wissenschaft erzeugt, verarbeitet.

Quelle: Ark Research

Fazit

Illumina ist eine der führenden „Pick‑and‑Shovel“-Aktien des Biotech‑Sektors und treibt die Senkung der Kosten für Genomanalysen voran. Das Unternehmen entwickelt sich nun zu einem vollwertigen Multiomics‑Unternehmen, das seine hervorragende Reputation und das installierte Sequenzierer‑Portfolio nutzt, um in die Schlüssel‑‑Omics‑Sektoren wie Transkriptomik und Proteomik zu expandieren.

Es wird zudem ein wichtiges Analysewerkzeug für Kliniker sein, das mit zunehmender Bedeutung im Laufe der Zeit, beginnend mit Liquid‑Biopsy‑Screenings für unsichtbare und stille Krebserkrankungen, nur mit Blutproben, an Bedeutung gewinnt.

Langfristig werden neue Marker und Erkenntnisse über unseren Körper wahrscheinlich die Nachfrage nach Genomik‑ und Multiomics‑Analysen weiter steigern und Teil der Präventiv‑Tools werden, die uns gesund halten und Gesundheitsprobleme bereits vor dem Auftreten von Symptomen erkennen.

Die Aktienentwicklung des Unternehmens war jedoch für Investoren herausfordernd, da der Biotech‑Sektor sich in einem Abschwung befindet und die Entscheidungen bezüglich Grail durch das Management des Unternehmens weniger als ideal waren.

Mit neuen Verantwortlichen und Grail erneut veräußert, ist der Weg zurück zu technischer Exzellenz in der biologischen Analyse jetzt klar, ebenso wie das Portfolio an Software, Proteomik, räumlicher Biologie und Transkriptomik‑Werkzeugen für die nächsten zwei Jahre.

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