Illumina概述

Illumina（也称因美纳公司）成立于1998年，总部位于美国加州圣地亚哥，在巴西、英国、荷兰、中国、新加坡、日本、澳大利亚也设有分部，是一家遗传变异和生物学功能分析领域的生物科技公司，提供有关SNP基因分型、拷贝数变异、基因组测序、DNA甲基化研究、转录组分析、基因表达谱分析相关的服务。

Illumina作为全球最大的基因测序公司，是基因测序领域绝对的巨头，占据全球基因测序仪器超85%的市场。同时，Illumina也是世界第二的分子诊断公司，也是仅次于Thermo Fisher（赛默飞世尔科技）的全球排名第三的仪器公司。

Illumina成立之初主要是以基因分型和微阵列为主要技术，并一直以此为研发方向。经过10年的发展，Illumina意识到，尽管此方向的市场增长较快，但是随着更全面的基因测序技术的快速发展，微阵列芯片的潜力是有限的。2006年11月1日，Illumina收购基因测序公司Solexa，从而正式进军基因测序市场，这也是Illumina发展的转折点，由于Solexa所带来的新颖的测序技术（即二代基因测序技术的代表技术），使得Illumina极速发展，远远拉开了其他竞争对手。

二代基因测序技术虽然优势明显，但也一直局限在短读长测序能力上。随着科技发展，具有长读长测序能力的三代基因测序技术慢慢崭露头角。2018年，Illumina以12亿美元拟对拥有长读长测序技术的PacBio收购，以巩固自己在基因测序领域的优势地位。但不幸的是，这项收购由于动了太多竞争对手的利益而受到多方质疑，最终由于美国监管机构认为这项收购将会造成Illumina在基因测序市场的垄断而被终止了。

基因测序产品和专利分析

产品概述

Illumina所推出的基因测序产品是基于收购的Solexa公司的核心技术（也被称为Solexa方法）所研发的，Solexa是利用“DNA簇”和** “可逆性末端终结”**实现自动化样本制备及碱基平行测序的一种边合成边测序的新型测序方法，具有高通量、高度灵活性和可扩展性。

具体的，Solexa方法首先是进行文库制备，提取核苷酸并将其打断到约100-200bp大小的片段，再将接头连接到片段上，经PCR扩增制成文库。然后成簇，即桥式PCR，该过程在流通池中完成，每个通道表面附有接头以与DNA片段的接头序列配对固定在通道表面。接着进行测序，在流通池中加入荧光标记的dNTP和酶，由引物开始合成子链，dNTP存在3’端叠氮基会阻碍子链延伸，这使得每个循环只能测得一个碱基，合成完一个碱基后，流通池通入液体洗掉多余的dNTP和酶，使用显微镜的激光扫描荧光信号。

目前，Illumina基于Solexa方法推出了几乎适用于所有测序规模的一系列测序产品，从小型台式测序系统MinSeq（输出范围在1.8-7.7Gb用于靶向测序研究）到大规模的测序系统NovaSeq（能够在2天内产生6Tb和20B的数据量）。

虽然Illumina自成立以来一直在持续的进行申请专利，但同其步入基因测序仪的领域一样，其最初涉及到基因测序的专利申请大部分都是来自于Solexa公司，之后在基因测序上不断发力。Solexa转移给Illumina的相关于基因测序技术的代表专利举例如下：

Illumina所推出的一系列基因测序产品虽然发布时间不一，产品性能各不相同，但这些基因测序产品的基本架构涵盖在Solexa转移给Illumina的专利中。以专利US8241573B2为代表，结合MiSeq系列产品对Illumina推出的基因测序产品的基本架构进行说明。

专利US8241573B2解决的技术问题是：一方面，市场上存在的基于不同长度片段分离的DNA测序装置，所涉及的技术是使各个样本通过填充了聚丙烯酰胺凝胶的毛细管柱，因此由于移动各样本需要时间而在通过量方面受到限制。另一方面，新的DNA测序技术基于未扩增或扩增单分子的大规模平行分析，这类测序技术的分析往往是基于荧光核苷酸或寡核苷酸的检测，读取这类阵列的荧光信号的检测仪通常是基于落射荧光或全内反射显微技术。

具体地，专利US8241573B2提出一种一体式DNA测序平台，测序平台包括流通池、导流系统、温度控制系统、光学系统。流通池包括基层、设置在基层上的通道层、以及覆盖层，当这些层装配在一起时，形成封装的流体通道以使得多核苷酸附连于流体通道中，流通池具有穿过覆盖层形成的入口和出口。导流系统将试剂容器中的试剂流（如荧光核苷酸、缓冲剂、酶等）导向流通池，经流通池入口流入流体通道后经出口导向废液容器。温度控制系统控制加热/冷却器（Peltier器件）调节流通池流体的温度以进行测序反应。光学系统用于对流通池进行成像以监测流通池并进行测序。

对应的，Illumina推出的MiSeq系列基因测序仪即为结合了Solexa方法的一体式工作台，在一台仪器上集成了簇生成、测序和数据分析。具体地，MiSeq系列基因测序仪含有七大主要硬件子系统，通过相互影响提供系统的操作功能，包括流通池模块、试剂仓模块、成像模块、射频识别系统、液路系统、电子模块、以及触屏显示控制模块。

其中，流通池模块包括流通池和流动池台，流动池台包括温度控制站，用于控制簇生成和测序所需流动池温度变化，流通池模块可对应于专利US8241573B2技术中的流通池和温度控制系统。试剂仓模块和液路系统互相配合调控试剂在流通池中流动，可对应于专利US8241573B2技术中的导流系统。成像模块包含了激发荧光染料的部件和将样本的荧光影响投射到系统摄像机的发射组件以分析每个化学周期拍摄的图像集，可对应于专利US8241573B2技术中的成像系统。射频识别系统用于读取流通池、试剂容器等所具有的RFID标签以正确使用消耗品和读取流通池信息。电子模块为完成上述功能的印刷电路板。触摸显示控制模块用于给用户提供操作界面以进行仪器操作。

小结

Illumina通过收购Solexa获取以“DNA簇”和“可逆性末端终结”为核心优势的二代基因测序技术，以此推出一系列高通量测序产品，发展成为全球最大、市场占有率最高的基因测序公司。相应的，其最初涉及到基因测序的专利申请大部分都是来自于Solexa公司，即使其后期不断进行创新研究推出多款产品并不断扩增在基因测序领域的专利申请，但所推出的基因测序产品的基本架构依然来自于Solexa转移给Illumina的专利技术。所以核心技术是一个公司的命脉，围绕核心技术构建基础专利是实现公司价值的有利武器。

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