生物樣本庫(kù)自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用及其不同品牌設(shè)備比較*

王衍海 尚 悅 魏 浦 宋慶華 徐國(guó)通 魏 強(qiáng) 韓 俊*

目前,生物樣本庫(kù)自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備主要有自動(dòng)化樣品分裝系統(tǒng)(設(shè)備)和自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)系統(tǒng)(設(shè)備)等,高度自動(dòng)化的樣本存儲(chǔ)系統(tǒng)能根據(jù)使用者指令,挑選單個(gè)樣本,對(duì)樣本的保存質(zhì)量提供更有效的保障,具有存儲(chǔ)容量大、處理速度快、存儲(chǔ)靈活及流程控制更安全等特點(diǎn)[1-2].自動(dòng)化樣本儲(chǔ)存設(shè)備在日常樣本的進(jìn)、出庫(kù)過(guò)程中還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生物安全防護(hù)、樣本標(biāo)識(shí)識(shí)別及獨(dú)立信息管理等多方面功能[3-4].

隨著中國(guó)生物樣本庫(kù)自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備建設(shè)的蓬勃發(fā)展,一個(gè)中小型樣本庫(kù)的樣本數(shù)已超過(guò)數(shù)十萬(wàn)份,而大型樣本庫(kù)則動(dòng)輒百萬(wàn)份級(jí)、千萬(wàn)份級(jí)以上,在這樣的體量下,通過(guò)手工處理、存儲(chǔ)和調(diào)用樣本已難以跟上需求[5].為此,醫(yī)療科研用戶對(duì)生物樣本的高通量、高質(zhì)量、大數(shù)據(jù)和便捷管理提出了新的要求,而通過(guò)自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備,能更好、更快地滿足中國(guó)醫(yī)療科研用戶對(duì)生物樣本存儲(chǔ)質(zhì)量和效率的更高需求,協(xié)助醫(yī)療科研用戶建成國(guó)際化、標(biāo)準(zhǔn)化,更安全、規(guī)范和高效的新一代自動(dòng)化生物樣本管理體系.目前,我國(guó)市場(chǎng)的全自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備品牌主要有基點(diǎn)生物(Genepoint)、原能細(xì)胞(Origincell)、布魯克斯(Brooks)、High Res Biosolutions、TTP LabTech)、Liconic、哈美頓博納圖(Hamilton)以及SmartFreezer等[6].眾多品牌廠商的自動(dòng)化設(shè)備樣本存儲(chǔ)及調(diào)用方式主要分為機(jī)械式和氣動(dòng)傳輸式2種模式,而機(jī)械式是市場(chǎng)上普及率最高,認(rèn)可度最高的方式.

1 生物樣本庫(kù)自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)際生物樣本庫(kù)發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì),隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展,分子遺傳學(xué)取得了巨大的發(fā)展,國(guó)外對(duì)人類遺傳資源的保護(hù)與開(kāi)發(fā)研究勢(shì)頭強(qiáng)勁,主要呈現(xiàn)2個(gè)特點(diǎn):①標(biāo)準(zhǔn)化前提下遺傳資源庫(kù)的大型化,如英國(guó)生物樣本庫(kù)于1999年設(shè)立,在英國(guó)6個(gè)中心范圍內(nèi)收集超過(guò)50萬(wàn)樣本[7];②各個(gè)國(guó)家內(nèi)部研究機(jī)構(gòu)和國(guó)家之間對(duì)遺傳資源庫(kù)的共同建設(shè)和共享,歐洲前瞻性營(yíng)養(yǎng)與腫瘤調(diào)查是在丹麥、法國(guó)、德國(guó)、希臘、意大利、挪威、瑞典、荷蘭、西班牙和英國(guó)10個(gè)歐洲國(guó)家的23個(gè)中心開(kāi)展樣本量為52萬(wàn)人的遺傳資源研究[8-10].

國(guó)外最新研究成果可將人類基因組嵌入極小的生物芯片里,通過(guò)芯片了解其疾病易感基因,預(yù)測(cè)易發(fā)病及智商等生物信息.而最新的數(shù)字醫(yī)學(xué),可通過(guò)手機(jī)把疾病信息發(fā)送到醫(yī)院,醫(yī)院可據(jù)此判斷患者病情.

1.2 中國(guó)樣本庫(kù)發(fā)展趨勢(shì)

1994年,中國(guó)科學(xué)院建立了中華民族永生細(xì)胞庫(kù)[11].而后,山東省臍帶血造血干細(xì)胞庫(kù)、北京臍帶血造血干細(xì)胞庫(kù)、泰州(復(fù)旦)健康科學(xué)研究院、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(system basis chips,SBC)超生物銀行等專項(xiàng)生物標(biāo)本資源庫(kù)也相繼建立,因此我國(guó)生物樣本資源庫(kù)與歐美相比,起步時(shí)間并不算晚[12-13].

2003年,我國(guó)啟動(dòng)了國(guó)家自然科技資源共享平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目,在生物遺傳資源平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)規(guī)程的制定,生物遺傳資源性狀數(shù)據(jù)的補(bǔ)充完善,瀕危、珍稀動(dòng)植物、人類遺傳資源收集、整理與保護(hù)以及遺傳資源標(biāo)準(zhǔn)化整理與數(shù)字化表達(dá)等方面做了大量的工作,但許多工作目前多是宏觀性的框架建設(shè),逐多細(xì)化的工作尚未落實(shí),加之遺傳資源建設(shè)很多方面的關(guān)鍵技術(shù)未獲突破,制約我國(guó)遺傳資源建設(shè)和發(fā)展的瓶頸依然存在.《"十二五"生物技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》明確要求,要建設(shè)國(guó)家生物信息科技基礎(chǔ)設(shè)施--國(guó)家生物信息中心,包括國(guó)家生物技術(shù)管理信息庫(kù),基因組、蛋白質(zhì)組及代謝組等生物信息庫(kù),大型生物樣本、標(biāo)本、病例資源和人類遺傳資源庫(kù)以及共享服務(wù)體系;建設(shè)若干實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和模式生物基礎(chǔ)設(shè)施及生物醫(yī)學(xué)資源基礎(chǔ)設(shè)施,表明我國(guó)明確表示要加大生物樣本庫(kù)建設(shè)方面的投入[14-15].

2 生物樣本庫(kù)自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備產(chǎn)品對(duì)比

大型生物樣本庫(kù)預(yù)計(jì)可存檔和管理數(shù)以百萬(wàn)、千萬(wàn)計(jì)的生物樣品[16].如此龐大的樣本庫(kù),就需要可靠的編輯、檢索、質(zhì)量控制和完備的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸鏈條,需要國(guó)際樣本庫(kù)管理規(guī)范、全自動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和自動(dòng)化管理設(shè)施的支持.國(guó)內(nèi)外8個(gè)品牌的自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備產(chǎn)品各有優(yōu)劣勢(shì).

2.1 基點(diǎn)生物(Genepoint)

(1)型號(hào)及產(chǎn)地:Hatch,中國(guó)上海.

(2)操作方式:智能機(jī)器人.

(3)特點(diǎn):①適合普通凍存管和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)管(society for biomolecular screening,SBS);②結(jié)合前沿智能機(jī)器人技術(shù),將深低溫電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于Hatch,樣本凍存管分配區(qū)置于罐內(nèi),且全程處于<-150 ℃的環(huán)境中;③機(jī)械手兼具作用力反饋及防錯(cuò)機(jī)制,內(nèi)置自動(dòng)夾具更換系統(tǒng);④支持單管、多管或整版的存取,自動(dòng)預(yù)約批量取管功能,系統(tǒng)待機(jī)時(shí)也可批量取出放置于虛擬緩沖區(qū);⑤存儲(chǔ)空間碎片整理功能,化零為整,最大化利用存儲(chǔ)空間,同時(shí)避免了手工整理過(guò)程中出現(xiàn)的反復(fù)凍融、標(biāo)簽遺失及效率低等問(wèn)題;⑥集成整版掃碼儀和自動(dòng)除霜功能,可快速識(shí)別處于低溫狀態(tài)下的二維碼;⑦自動(dòng)除霜和自動(dòng)補(bǔ)氮功能;⑧氮?dú)獗Ｗo(hù)的氣密操作腔體,使設(shè)備免于濕氣、水分的干擾和影響;⑨樣本凍存管分配功能即使在罐蓋關(guān)閉情況下,溫度<-180 ℃時(shí)仍可正常工作;⑩從接受指令到挑出第1根管的時(shí)間通常<30 s.

(4)缺點(diǎn):存儲(chǔ)容量相對(duì)降低,1.4 ml凍存管(SBS 8X12)47 424支;2.0 ml凍存管(10X10)36 400支.

2.2 原能細(xì)胞(Origincell)

(1)型號(hào)及產(chǎn)地:BSN-500,中國(guó)上海.

(2)操作方式:機(jī)械臂.

(3)特點(diǎn):①2 ml樣本存儲(chǔ)量:50 000份;②采用蜂巢式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單元存儲(chǔ),規(guī)避交叉干擾影響,同時(shí)具有更高的空間利用效率;③雙門(mén)密封傳遞窗和凈化干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì);④可與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人(AGV)的全自動(dòng)對(duì)接;⑤凍存管提取裝置深低溫全冷鏈保護(hù),確保樣本安全;⑥真空負(fù)壓凍存管取放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),運(yùn)行更加可靠,維護(hù)更加便捷;⑦自動(dòng)除霜.

(4)缺點(diǎn):①兼容生物樣本庫(kù)耗材單一,2 ml凍存管;②單管存儲(chǔ),無(wú)法整盒存儲(chǔ).

2.3 布魯克斯(Brooks)

(1)型號(hào)及產(chǎn)地:Biostore Ⅲ cryo,美國(guó).(2)操作方式:機(jī)械臂.

(3)特點(diǎn):①根據(jù)裝載樣品容器可定制適合各種存儲(chǔ)空間和位置的要求;②不限定存儲(chǔ)容器,可自由組合;③存儲(chǔ)量從1萬(wàn)到2千萬(wàn)個(gè),均可準(zhǔn)確、快速和安全的自動(dòng)化存儲(chǔ)和檢索;④樣品隨意選取過(guò)程中消除了凍融循環(huán);⑤系統(tǒng)創(chuàng)新性設(shè)計(jì),保證可長(zhǎng)期運(yùn)行和無(wú)差錯(cuò)操作;⑥模組型設(shè)計(jì)的靈活性,為客戶提供不同配置方案的升級(jí)需求;⑦系統(tǒng)可快速安裝,對(duì)實(shí)驗(yàn)室影響最小;⑧豐富的軟件應(yīng)用可安全地跟蹤數(shù)據(jù)并有利于與實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(laboratory information management system,LIMS)整合;⑨寬廣的樣品管理應(yīng)用.

(4)缺點(diǎn):①市場(chǎng)占有率低,后期維護(hù)維修成本高;②成本太高.

2.4 High Res Biosolutions(1)型號(hào)及產(chǎn)地:TundraStore D,美國(guó).(2)操作方式:智能操控.

(3)特點(diǎn):①樣品存儲(chǔ)量大,可存儲(chǔ)13 400支1.4 ml試管,或25 500支0.5 ml試管,或336塊96/384孔微孔板;②未提取的樣本保留在存儲(chǔ)溫度中;③具有可靠性和易維護(hù)性;④溫度-20~25 ℃;⑤樣本存儲(chǔ)容器多樣化,存儲(chǔ)模塊可現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)展;⑥可動(dòng)態(tài)地分配存儲(chǔ)空間;⑦除冰霜功能;⑧具有單獨(dú)的試管直接從存儲(chǔ)的試管架轉(zhuǎn)移到傳遞的試管架功能,是提取REMP tubes的最可靠方法,理想地用于單一的凍融循環(huán)流程;⑨自帶干燥空氣系統(tǒng)以減少結(jié)霜,具有第二套制冷系統(tǒng),可選擇專用的后備電源UPS和LN2(液氮)體系;⑩取樣時(shí)最小化熱量破壞.

(4)缺點(diǎn):①最低溫度只有-20 ℃;②只適合小型樣本庫(kù)需求;③成本高,市場(chǎng)占有率低.

2.5 TTP LabTech

2.5.1 comPOUND?-20 ℃全自動(dòng)樣品存儲(chǔ)設(shè)備(1)型號(hào)及產(chǎn)地:comPOUND?,英國(guó).(2)操作方式:氣動(dòng)傳輸.

(3)特點(diǎn):①可在封閉環(huán)境中進(jìn)行儲(chǔ)存和提取,加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性;②有獨(dú)立溫度控制儲(chǔ)存單元,隨樣品增加新的comPOUND?存儲(chǔ)設(shè)備可隨時(shí)添加和集成現(xiàn)有的comPOUND?存儲(chǔ)設(shè)備,以滿足更大容量的儲(chǔ)存需求;③儲(chǔ)存密度高、體積小,最多可容納20 000個(gè)0.5 ml或10 000個(gè)1.4 ml的樣品管;④快速地單樣品提取,從100 000個(gè)樣品中提取任意一個(gè)樣品僅需5 s;⑤樣品可儲(chǔ)存在室溫至-20 ℃之間,提取的樣品管可以指定順序排列在96孔樣品管架上;⑥準(zhǔn)確性,每一個(gè)樣品管都有2D條形碼,用戶可方便地追蹤每一份樣品;⑦界面簡(jiǎn)單,可輕松與LIMS或其他數(shù)據(jù)庫(kù)兼容.

(4)缺點(diǎn):①最低溫度只有-20 ℃,體積小,樣本存儲(chǔ)量有限;②凍存管容易受氣動(dòng)傳輸中外力和壓力的沖擊,安全系數(shù)低,較機(jī)械臂式成本高;③訂貨周期長(zhǎng).

2.5.2 Arktic -80 ℃自動(dòng)化生物樣品庫(kù)

(1)型號(hào)及產(chǎn)地:Arktic,英國(guó).

(2)操作方式:氣動(dòng)傳輸.

(3)特點(diǎn):①內(nèi)部無(wú)機(jī)械臂,其通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)入樣品的儲(chǔ)存位置,然后通過(guò)氣動(dòng)傳輸方式將樣品提取出來(lái);②安裝簡(jiǎn)單,外形小巧;③儲(chǔ)存密度高,可進(jìn)行模塊化的組合連接,實(shí)現(xiàn)輕松擴(kuò)容;④可提取任意單個(gè)樣品,96孔板上樣品管全部存放到機(jī)器中僅需3 min;⑤采用全球最先進(jìn)的絕緣設(shè)計(jì),并配備復(fù)疊式制冷系統(tǒng),使得樣品儲(chǔ)存更加安全.

(4)缺點(diǎn):①最低溫度只有-80 ℃,體積小,樣本存儲(chǔ)量有限;②凍存管易受氣動(dòng)傳輸中外力和壓力的沖擊,安全系數(shù)低;③較機(jī)械臂式成本高,訂貨周期長(zhǎng).

2.6 Liconic(1)型號(hào)及產(chǎn)地:BioLix,列支敦士登.(2)操作方式:機(jī)械臂.

(3)特點(diǎn):①專為樣品管貯存管理,可容納400 000個(gè)384樣品管或75 000個(gè)500 μl樣品管;②滿足各種溫度和濕度范圍,適合不同應(yīng)用,溫度從-20~-70 ℃,相對(duì)濕度從5%~95%可調(diào);③具有讀碼器,可識(shí)別樣品管上條形碼;④具有通入二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)或氮?dú)?N2)功能;⑤具有全自動(dòng)樣品管取出和送入系統(tǒng),自動(dòng)挑選需要的樣品;⑥全自動(dòng)管理軟件,可與第三方管理軟件兼容;⑦可與第三方機(jī)械手整合,用于全自動(dòng)樣品處理系統(tǒng).

(4)缺點(diǎn):①成本較高;②市場(chǎng)占有率低.

2.7 哈美頓博納圖(Hamilton)

2.7.1 SAM -80 ℃自動(dòng)化小容量樣本存儲(chǔ)管理設(shè)備

(1)產(chǎn)地:瑞士.

(2)操作方式:機(jī)械臂.

(3)特點(diǎn):①-20 ℃和-80 ℃兩種溫度可選;②穩(wěn)定堅(jiān)固的機(jī)械裝置,通過(guò)磁耦合方式進(jìn)行傳動(dòng);③易于使用的FDA 21 CFR Part 11(電子簽名電子記錄法規(guī))認(rèn)證軟件;④兼容多種樣品形式;⑤存取樣本之前可完成一維與二維條碼掃描;⑥實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控;⑦可進(jìn)行單管樣本選取;⑧具有液氮后備系統(tǒng);⑨軟件提供完整的審核追溯功能;⑩系統(tǒng)通訊采用傳輸控制協(xié)議和(或)Internet協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)協(xié)議和軟件控制,支持應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)編程,可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā).

(4)缺點(diǎn):①標(biāo)本存儲(chǔ)量小,適合小型標(biāo)本庫(kù)使用;②市場(chǎng)占有率低,后期維護(hù)成本高.

2.7.2 Active Sample Manager(ASM)主動(dòng)式樣品管理設(shè)備

(1)產(chǎn)地:瑞士.

(2)操作方式:機(jī)械臂.

(3)特點(diǎn):①兼容多種耗材,包括各種微孔板和試管;②儲(chǔ)存模塊可放置≤200 000個(gè)試管或2200個(gè)微孔板;③每h最多可處理120個(gè)試管架或微孔板;④可隨時(shí)增加新的儲(chǔ)存模塊;⑤每個(gè)處理器模塊擁有主動(dòng)式融化系統(tǒng)、應(yīng)用程序界面和整合的1D和2D條碼閱讀機(jī);⑥通過(guò)自動(dòng)存儲(chǔ)管理(automatic storage management,ASM)系統(tǒng),可創(chuàng)建用戶自定義匹配文件以確定目標(biāo)試管在儲(chǔ)存架上位置,全自動(dòng)機(jī)械手,可將樣品傳送到全自動(dòng)生物樣品自動(dòng)化工作站或其它第三方設(shè)備;⑦儲(chǔ)存靈活;⑧流程可安全性控制;⑨安裝簡(jiǎn)單,無(wú)需對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大規(guī)模改造和投資.

(4)缺點(diǎn):①不適合高危樣品存儲(chǔ)要求;②市場(chǎng)占有率較低.

2.8 SmartFreezer

(1)型號(hào)及產(chǎn)地:V180.20,意大利.(2)操作方式:機(jī)械臂.

(3)特點(diǎn):①世界第1臺(tái)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化存儲(chǔ)及智能化管理的液氮冷凍冰箱;②最早使用觸摸屏的低溫冰箱;③機(jī)械零件可在-180 ℃的超低溫下正常工作;④樣品存儲(chǔ)區(qū)溫度-180 ℃(氣相液氮);⑤可使用不同形狀、容積或類型的凍存管;⑥支持2D碼或射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)標(biāo)簽;⑦SmartFreezer內(nèi)置觸摸式樣品管理用戶界面和FreezerPro?生物樣本管理軟件標(biāo)準(zhǔn)版,使用范圍廣;⑧多國(guó)語(yǔ)言(含中文、英文、德文、日文、意大利文等)操作界面;⑨可提供詳細(xì)審核日志,具有良好的追蹤性.

(4)缺點(diǎn):①體積小,樣本存儲(chǔ)量小,存儲(chǔ)17 000支1.4 ml或10 000支2.0 ml凍存管;②存儲(chǔ)方式單一,只能存儲(chǔ)2 ml和1.4 ml凍存管;③單次存儲(chǔ)和提取樣本量少;④無(wú)法單臺(tái)設(shè)備上擴(kuò)增樣本存儲(chǔ)區(qū);⑤技術(shù)相對(duì)落后,機(jī)械臂已發(fā)生故障.

3 生物樣本庫(kù)自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)比分析

有研究表明,每個(gè)品牌產(chǎn)品均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),需根據(jù)具體需求而定[18].對(duì)小型樣本庫(kù)上海原能細(xì)胞(Origincell)的產(chǎn)品無(wú)論從成本、存儲(chǔ)量、維護(hù)、維修和用戶使用反饋意見(jiàn)均比較適合,具有一定價(jià)值.

3.1 保存箱空間利用率

樣本積累到一定數(shù)量后,手工方式查找和存放樣本非常困難且易出錯(cuò),存放樣本的容器(如冰箱和液氮罐)利用效率也逐漸降低,因開(kāi)始樣本是分類順序存放,但根據(jù)科研需求的不同,取樣會(huì)從容器的不同位置取走樣本,一段時(shí)間后,容器中會(huì)產(chǎn)生大量的零散空位卻無(wú)法有效利用,這就需要利用信息化系統(tǒng)進(jìn)行樣本存放位置的自動(dòng)分配和查找,提高冰箱等容器的空間利用效率.

3.2 取樣準(zhǔn)確性

取樣的準(zhǔn)確性直接關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究結(jié)論,但有時(shí)卻被忽視,要避免此問(wèn)題出現(xiàn),可通過(guò)已成熟的低溫條形碼標(biāo)簽技術(shù),掃描條形碼進(jìn)行相關(guān)信息核對(duì),可確保取樣準(zhǔn)確性[19-20].

4 展望

生物樣本庫(kù)自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備在中國(guó)普及是潛在趨勢(shì),合理選擇適合的自動(dòng)化樣本處理設(shè)備,配備完善的信息管理系統(tǒng),建立健全有效、便捷的樣本使用方案,可將樣本自動(dòng)化管理優(yōu)勢(shì)真正發(fā)揮.今后,自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備的啟用將在保證樣本質(zhì)量的同時(shí),提高科學(xué)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率,促進(jìn)醫(yī)學(xué)的研究事業(yè)更加快速健康發(fā)展,惠及廣大使用者[21].