Multiomikat ovat seuraava askel bioteknologiassa

Genominen vallankumous

Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana suurin osa edistysaskeleista lääketieteessä ja jopa maataloudessa on perustunut genomisen vallankumouksen taustalle. Tuntemalla elävien organismien geneettisen koostumuksen, tutkijat voivat löytää uusia kohteita hoidoille, uusia tapoja optimoida arvokkaiden materiaalien tuotantoa ja jopa alkaa muuttaa itse genomia geenieditoinnin avulla. Tämä on nyt kasvava suuri liiketoiminta, ensimmäisen geenieditointiterapian (Casgevy) hyväksymisen myötä, jonka hintalappu on 2,2 miljoonaa $.

Mitä vauhditti tätä vallankumousta, on paljon syvempi ymmärrys biologisista prosesseista genomisekvensoinnin ansiosta. Silti genomit ovat melko karkea tietojoukko. Se on vähän kuin koko sanakirja, jossa on jokaisen solun proteiinin tarkka “ortografia”. Mutta elävä solu on enemmän kuin kokonainen romaani, jossa “sanojen” (RNA ja proteiinit) järjestys on paljon merkityksellisempi.

Genomiikasta multiomiikkaan

Jo yhden solun monimutkaisuus, ja vielä enemmän koko ihmisen keho, selittää miksi tarvitaan kehittyneempiä analyysimenetelmiä kuin genominen sekvensointi. Ja niitä on monia:

• Transkriptomiikka: mRNA:n analyysi.
• Proteomiikka: proteiinien analyysi, mukaan lukien proteiinien sokerimuokkaukset (“post-translational”).
• Metabolomiikka: kemiallisten yhdisteiden ja aineenvaihdunnan analyysi.
• Epi‑genomiikka: genomin muokkaus vaikuttamatta geneettiseen sekvenssiin, eli “epigenetiikka”.
• Mikrobiomiikka: kaikkien kehon sisällä tai pinnalla elävien mikrobien analyysi.
• Yksisoluinen multiomiikka: multiomiikan analyysi yksittäisissä soluissa.
• Spatiaalinen biologia: 3D-analyysi tiettyjen mRNA:n, proteiinien tai solujen sijainnista.

Nämä analyysimenetelmät ovat usein kymmenien tai satojen kertaluokkaa monimutkaisempia kuin “yksinkertainen” genominen sekvensointi. Jokainen niistä voidaan ja tulisi ihannetapauksessa yhdistää toisiinsa, jotta saadaan parempi kuva elävän organismin todellisesta monimutkaisuudesta.

Kun ne yhdistetään, ne mahdollistavat multiomiikan analyysit.

Multiomiikan tietotulva

Proteomiikka

Proteiinianalyysin kapasiteetti on kasvanut useita kertoja kymmenen potenssiin vain vuosikymmenen aikana.

Kuten ARK Investin (logaritmisella asteikolla) tästä kaaviosta käy ilmi, satojatuhansia proteiineja voidaan nyt analysoida tunnissa, ja proteomiikan menetelmät pystyvät erottamaan jopa 10 000 proteiinia peräkkäin. Näytteen hinta on myös tasaisesti laskenut 1 000 $:sta vuonna 2011 100 $:iin vuonna 2023, mikä on 23 %:n vuotuinen lasku.

Lähde: ARK Invest

Tämä on radikaalisti nopeuttanut syöpäbiomerkkiaineiden löytämistä ja tarkkuushoitojen kehittämistä, aihetta, jonka tutkittiin perusteellisesti artikkelissa Käsitellään hoitokelvottomia tarkkuushoidoilla – 4 biljoonan dollarin mahdollisuus?.

Transkriptomiikka

mRNA on “ohjekirja” genomin “sanakirjalle”. mRNA:n muoto ja määrä määräävät oikeastaan, miten geeni ilmenee ja käytetään solussa.

Aikaisessa transkriptomiikassa ongelmana oli, että se joutui analysoimaan vähintään tuhansia soluja kerrallaan, ellei miljoonia. Tämä pyyhkäisi pois kaikki yksityiskohdat, jotka olivat tilapäisiä tai paikallisesti rajoittuneita.

Tämä on muuttunut yksisoluisten RNA-analyysien myötä, mikä on mullistanut ymmärryksemme syövästä. Tämän avulla voimme tarkasti tietää, mikä geeni aiheuttaa syövän ja mikä solutyyppi sen toteuttaa.

Lähde: ARK Invest

Muut -Omit

Vaikka ne ovatkin uudempia, muut analyysimenetelmät eivät ole vähemmän lupaavia.

Spatiaalinen biologia mahdollistaa yksittäisten solujen sekä erilaisten solujen ja RNA:n tai proteiinien vuorovaikutuksen analysoinnin. Tarvittaessa reaaliajassa. Tämä avaa täysin uusia tieteellisen tutkimuksen aloja, joista keskusteltiin tarkemmin artikkelissamme Spatiaalinen biologia: Nanostring vs. 10x Genomics.

Mikrobiomiikka tekee mahdolliseksi käyttää suolistossa tai iholla asuvia bakteereja uusina hoitomenetelminä. Esimerkiksi autismi-spectrumihmettä on äskettäin yhdistetty suoliston mikrobiomiin, mikä korreloi tutkimusten kanssa, jotka osoittavat pitkäaikaisia hyötyjä autismioireisiin ja suoliston mikrobistoon mikrobiston siirtohoidon avulla.

Epi‑genomiikka voisi olla seuraava tarkkuushoitojen askel, esimerkiksi mahdollistamalla syöpäsolujen geeniekspression hienosäätöä.

Lähde: National Library of Medicine

“Epi‑geneettinen nuorentaminen” on myös mahdollisuus kääntää ikääntyminen, yksi menetelmä, josta keskusteltiin artikkelissamme Ikääntyminen on osa elämää – se ei tarkoita, ettemme voisi taistella vastaan.

Tekoälyt auttavat käsittelemään multiomiikan dataa

Moniominikan analyysin kustannusten laskun ja kapasiteetin kasvun tuloksena on syntynyt datatulva, jota ei ole koskaan ennen nähty. Se on nopeasti ylittänyt yksittäisen tutkijan kyvyn käydä läpi nämä tiedot manuaalisesti löytääkseen merkityksellisiä kohtia.

Onneksi multiomiikan vallankumous tapahtuu samalla kun tekoäly kehittyy yhä kykenevämmäksi.

Tekoäly, koneoppiminen (AI/ML) ja automaatio ovat jo voimassa lääkekehityksessä. Tämä itsessään pitäisi merkittävästi alentaa lääkekehityksen kustannuksia, kiitos tekoälyn kyvyn skannata olemassa olevia ja potentiaalisia lääkkeitä sekä ennustaa todennäköinen “in‑silico” -tulos. Tämä yksinään voisi kasvattaa tarkkuushoitojen markkinoita 26 % CAGR -tasolla seuraavan seitsemän vuoden aikana, noin 820 miljardia $:sta vuonna 2023 noin 4,5 triljoonaan $:iin vuonna 2030.

Lähde: ARK Invest

Mutta lääkekehitys on vain ensimmäinen askel. Tekoälyä voidaan myös käyttää ennustamaan uusien molekyylien tai proteiinien kemiallisia ominaisuuksia, kuten tekoälytyökalu “Distributional Graphormer” Microsoftilta.

Lähde: Microsoft

Tekoäly voi myös ennustaa, onko molekyyli myrkyllinen ilman, että sitä tarvitsee testata elävissä soluissa tai eläimissä. Sitä voidaan yhdistää automaatioon, jotta voidaan toteuttaa mittakaavassa kokeita, mukaan lukien “Organ-on-a-chip” -simulaatiot tai automatisoidut kokeet (automaattinen nestekäsittely, “invivomics” tai mikrosynteesi).

Lopuksi tekoälyt ja IT‑integraatio voivat parantaa kliinisten tutkimusten suunnittelua, esimerkiksi joustavampien tutkimusten, useampien biomarkkereiden seurannan tai jopa hajautettujen tutkimusten avulla.

Lähde: ARK Invest

Multiomiikan osakkeet

1. Pacific Bioscience (PacBio)

Illumina‑genomisekvensoinnin alan johtajan jälkeen muutaman vuoden kuluttua PacBio on ollut pienempi toimija genomisekvensoinnissa. Pienestä koosta huolimatta yrityksen laitteet ovat pysyneet huippuluokan suorituskyvyssä.

Se on myös 8^th suurin omistus ARK Genomic Revolution -ETF:ssä.

PacBio hankki vuonna 2021 Omniomen, mikä antoi sille tarkkuusetua erittäin pitkien tai lyhyiden geneettisten sekvenssien lukemiseen. Tämä etu vahvistui myöhemmin Aptonin 110 miljoonan $ hankinnalla elokuussa 2023, joka erikoistui myös lyhytlukuihin, korkean läpimenon (SR‑HI) sekvensseihin.

Lähde: PacBio

PacBon Onso‑järjestelmät alkavat nyt lähteä asiakkaiden käyttöön, ja yritys on kuvannut lanseerausta “parhaaksi aloitukseksi PacBon historiassa”. Järjestelmä keskittyy lyhyisiin sekvensseihin, kun taas Revio HiFi -järjestelmä pystyy lukemaan pitkiä sekvenssejä ja toimimaan 24/7, jolloin se pystyy lukemaan 1 300 täyttä ihmisen genomia vuodessa (noin 4 /päivä). Myöhemmin Revio HiFi korvataan HT SBB -järjestelmällä, joka todennäköisesti integroi Apton‑teknologiaa.

PacBio odottaa pitkien sekvenssien kasvavan paljon nopeammin kuin laajempi NGS‑ (Next‑Generation Sequencing) -markkina, ja väittää, että sen järjestelmät ovat 10‑kerta tarkempia kuin kilpailijat.

Lähde: PacBio

Kiinnostavaa on, että se voi myös alentaa genomisekvensoinnin kokonaiskustannuksia. Ilman liiallista teknistä syventymistä, lyhyet sekvenssit täytyy koota kokonaiseksi kokonaisuudeksi. Näin 500 $ lyhytlukugenomikustannus voi nopeasti vaatia lisäanalyysejä, joiden kokonaiskustannus on 1 500 $, jotta siitä tulee diagnostinen työkalu.

Joten 950 $ Revio‑pitkäsekvenssianalyysi ohittaa tämän vaiheen ja on edullisempi diagnostisessa sovelluksessa.

PacBon keskittyminen tarkkuus‑/pitkäsekvenssianalyysiin pitäisi antaa sille etulyöntiasema diagnostiikassa seuraavien vuosien aikana. Johto uskoo, että tämä voisi nostaa yrityksen markkina-aseman ihmisen genomiikassa nykyisestä 5 %:sta 10 %:iin ja onkologiassa (syöpä) 1 %:sta 5 %:iin.

Vaikka PacBio keskittyy pääasiassa vuosikymmenten vanhaan kilpailuun Illuminaa vastaan, sen on myös otettava huomioon Oxford Nanoporen kilpailu diagnostisessa/pitkäsekvenssimarkkinassa.

2. 10x Genomics Technology

10x Genomics on spatiaalisen biologian johtaja, joka tutkii genomia ja transkriptomia 3D‑tilassa, mahdollistaen geenien toiminnan visualisoinnin solutasolla tai jopa solunsisäisellä tasolla.

Yritys perustettiin vuonna 2012, ja sen perustajista yksi on Serge Saxonov, joka toimi 23andMe‑yrityksen henkilökohtaisen genomiatestauksen R&D‑johtajana.

Se on myös 12^th suurin omistus ARK Genomic Revolution -ETF:ssä.

10x Genomics kasvoi yhdistämällä R&D‑investoinnit (yli 1 miljardi $ tähän mennessä) ja yritysostot laajentaakseen monia -omiikka‑alueita. Merkittävintä on, että sen Visium‑alusta kudoksen spatiaaliseen transkriptomikaan hankittiin ostamalla Spatial Transcriptomics vuonna 2018.

Tämä on myös se tapa, jolla 10x Genomics hankki Xenium-alustan yksisolu‑visualisointiin ostamalla Readcoor‑ ja Cartana‑yritykset vuonna 2020.

Vuonna 2020 se lanseerasi Chromium‑alustan, jonka vuoden jälkeen päivitetty versio Chromium X tarjosi yksisolu‑RNA‑sekvensointia.

Vuoden 2021 Tetramer Shop -yrityskaupan myötä 10x Genomics lanseerasi BEAM (Barcode Enabled Antigen Mapping) vuonna 2022. Se mahdollistaa tutkijoille immuunijärjestelmän komponenttien yksityiskohtaisen tunnistamisen. Tämä voi olla erittäin vaikuttavaa immuniteettitutkimuksessa ja uusien sairauksien tutkimuksessa.

10x Genomics -yritysostojen aikajana – Lähde: 10x Genomics

Yritys voitti syyskuussa 2023 merkittävän voiton pääkilpailijaansa Nanostringia vastaan. Nanostring on toistaiseksi kielletty myymästä CosMx Spatial Molecular Imager (SMI) -laitteitaan suurimmassa osassa EU:ta, koska se loukkasi 10x Genomicsin patentteja.

Tämä johti ilmoitukseen, että Nanostring hakee konkurssia ja tutkii mahdollisia myyntejä helmikuussa 2024.

Nanostring syytti 10x Genomicsia oikeusjuttujen nostamisesta “tavoitteena kaventaa kilpailukenttää eri spatiaalisen biologian alustoille yhteiskunnan edun kustannuksella”.

Kaiken kaikkiaan 10x Genomics näyttää olevan asemassa, jossa se voi vakiinnuttaa vahvan johtoaseman spatiaalisen biologian markkinoilla, mukaan lukien yksisolu‑transkriptomikka ja antigeenikartoitus.

Yritys on edelleen varhaisessa vaiheessa, hieman samankaltainen kuin Illumina ja Pacific Biosciences aikoinaan. Tällä hetkellä spatiaalinen biologia on rajoittunut akateemiseen ja perustutkimukseen. Kuten monet bioteknologiat, se saattaa jonain päivänä yleistyä, tulla lääketieteelliseksi työkaluksi ja lopulta “rutiinitestiksi”. Joka tapauksessa asennettujen laitteiden kasvava määrä pitäisi lisätä kulutustarvikkeiden myyntiä ja liikevaihdon kasvua.