自動(dòng)化生物樣本庫建設(shè)與信息化管理

張雪瑩，朱承超

生物樣本庫是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)，而高質(zhì)量的臨床數(shù)據(jù)和生物標(biāo)本是轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和精準(zhǔn)醫(yī)療的關(guān)鍵。世界各國對生物樣本庫的建設(shè)和管理越來越重視，許多國家都將建立高質(zhì)量的自動(dòng)化生物樣本數(shù)據(jù)資源庫作為生物樣本庫建設(shè)發(fā)展的目標(biāo)。

1 自動(dòng)化生物樣本庫的優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)化生物樣本庫的設(shè)備可分為自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)與自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備。自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)能最大效率地提高樣本制備質(zhì)量，降低交叉污染，提高樣本準(zhǔn)備和處理速度，可追蹤溯源，從而降低出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)［1］。相對于傳統(tǒng)的人工分裝樣本，自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：可解決樣品污染和揮發(fā)干燥問題；一次性采樣分裝，避免樣品反復(fù)凍融，保證樣品質(zhì)量和活性；使用二維碼樣本管理系統(tǒng)，可提供臨床和醫(yī)院信息資料，方便統(tǒng)計(jì)、管理和應(yīng)用；節(jié)省人力成本和避免人為差錯(cuò)。自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備采用智能控制、自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)、倉儲(chǔ)式存儲(chǔ)和信息化管理技術(shù)，具有智能化、自動(dòng)化、集約化、節(jié)能化的優(yōu)勢，最大程度保證樣本存儲(chǔ)的安全性，且便捷高效。相對于傳統(tǒng)的冰箱、冷柜和液氮罐，自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，機(jī)器自動(dòng)分配，避免無效空位；操作自動(dòng)便捷，精準(zhǔn)高效；全封閉式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部恒定低溫，24 h 溫度監(jiān)控，保證樣本質(zhì)量；存儲(chǔ)集約高效，節(jié)省運(yùn)行成本［2］。自動(dòng)化生物樣本庫的應(yīng)用，可以節(jié)省大量的人力、物力，有效保證樣本質(zhì)量，并具有占地面積小、儲(chǔ)存容量大、準(zhǔn)確度與安全系數(shù)高等特點(diǎn)，是國內(nèi)外大型生物樣本庫未來發(fā)展的目標(biāo)和方向。

2 國內(nèi)外自動(dòng)化生物樣本庫現(xiàn)狀

建設(shè)生物樣本庫的目的是讓研究人員能夠利用高質(zhì)量的樣本和數(shù)據(jù)，進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究如新診斷、生物標(biāo)志物和藥物的研發(fā)。隨著生物樣本庫建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)外已逐步將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于生物樣本存儲(chǔ)領(lǐng)域。

近年來，歐洲等國和美國建立了許多大型生物樣本庫，主要包括英國生物銀行（United Kingdom Biobank，UK Biobank）［3］、芬蘭Auria 生物樣本庫（Auria Biobank）［4］、愛沙尼亞生物樣本庫（Estonian Biobank）［5］、美國百萬退伍軍人計(jì)劃（Million Veteran Program，MVP）［6］以及歐洲多國聯(lián)合建設(shè)的生物銀行和生物分子資源研究基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)盟（Biobanking and BioMolecular Resources Research Infrastructure，BBMRI）［7］等。生物樣本庫已從最初基于特定研究需求的小型樣本庫、將樣本存儲(chǔ)在一個(gè)或幾個(gè)冰柜中開始，發(fā)展至百萬、千萬級(jí)程序自動(dòng)化、管理信息化的全自動(dòng)化生物樣本庫［8］。其中，UK Biobank 是一項(xiàng)基于大型前瞻性隊(duì)列研究人群的樣本庫，該樣本庫計(jì)劃收集1 500 萬份樣本儲(chǔ)存于自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)中，并且通過添加來自各種組學(xué)平臺(tái)（例如基因組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)）的數(shù)據(jù)以及與電子健康記錄的鏈接，旨在調(diào)查研究各種慢性疾病遺傳和生活方式的風(fēng)險(xiǎn)因素［9］。2006 年以來，UK Biobank 已收集超過50 萬參與者（40～69 歲）的生物樣本與數(shù)據(jù)資料，為臨床相關(guān)疾病的預(yù)防與治療提供了有力支撐［10］。

中國第一家百萬級(jí)全自動(dòng)化生物樣本庫于2016 年1 月在上海長征醫(yī)院（海軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院）建成并啟用，該樣本庫采用的是大倉儲(chǔ)式自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)，樣本庫整體占地60 m2，其中約30 m2的-80 ℃自動(dòng)化存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ)100 萬份樣本［11］。隨著樣本庫自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，北京協(xié)和醫(yī)院、華大基因、復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院、中國疾病預(yù)防控制中心、上海張江生物銀行、廣州疾病預(yù)防控制中心、深圳疾病預(yù)防控制中心及浙江邵逸夫醫(yī)院等多家醫(yī)療機(jī)構(gòu)紛紛引進(jìn)自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備，不僅保證樣本質(zhì)量，更能夠節(jié)約人力、物力、空間與能耗。

3 自動(dòng)化生物樣本庫建設(shè)需求及建議

為了解決傳統(tǒng)生物樣本庫的樣本信息無序、錯(cuò)取，避免頻繁出入低溫環(huán)境對操作人員造成身體傷害，以及傳統(tǒng)生物樣本庫存儲(chǔ)效率低下影響樣本質(zhì)量等問題，需要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、信息化的自動(dòng)化生物樣本庫。根據(jù)ISO 20387：2018 及GB/T 37864—2019 的具體要求［12］，參考國內(nèi)外自動(dòng)化生物樣本庫的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為在自動(dòng)化生物樣本庫建設(shè)過程中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注樣本庫建設(shè)場地等是否符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)和存儲(chǔ)設(shè)備是否滿足需求、能否實(shí)現(xiàn)樣本的全生命周期質(zhì)量控制，應(yīng)建設(shè)以樣本庫信息系統(tǒng)為核心，鏈接臨床信息系統(tǒng)、隨訪系統(tǒng)、流行病學(xué)信息系統(tǒng)及其他系統(tǒng)相輔助的信息管理與交流平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)臨床診治、臨床組織樣本收集、隨訪資料收集的全過程標(biāo)準(zhǔn)化。

本研究針對標(biāo)準(zhǔn)化、信息化的自動(dòng)化樣本庫建設(shè)需求，從建設(shè)場地、自動(dòng)化設(shè)備、質(zhì)量控制及信息化管理4 個(gè)方面提出建議意見。

3.1 自動(dòng)化生物樣本庫的建設(shè)場地

根據(jù)《中國醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會(huì)生物樣本庫標(biāo)準(zhǔn)（試行）》、ISBER BEST PRACTICES、《實(shí)驗(yàn)室生物安全通用要求》等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)［13］，自動(dòng)化生物樣本庫建設(shè)過程中應(yīng)該滿足生物樣本庫地面等效均布荷載應(yīng)不小于4.0 kN/m2，房間凈高度應(yīng)不低于2.4 m；吊頂，要求機(jī)械強(qiáng)度高，防火、隔熱、隔音、防潮性能好；地面，防滑耐磨、耐消毒、防酸堿、易清洗，地面與墻體連接處做密封處理，采用圓弧擠壓、完全平齊的過渡方式連接，PVC 厚度為2.0 mm，建議不同區(qū)域采用不同顏色區(qū)分。自動(dòng)化生物樣本庫房間溫濕度參考《中國醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會(huì)生物樣本庫標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，建議設(shè)置單獨(dú)的新風(fēng)系統(tǒng)。遵循《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052—2009）標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)化生物樣本庫應(yīng)配備雙電路供電及備用電源（UPS、發(fā)電機(jī)），保證生物樣本庫存儲(chǔ)區(qū)不間斷供電。自動(dòng)化樣本庫的存儲(chǔ)區(qū)應(yīng)該自備冷鏈監(jiān)控系統(tǒng)，可精確采集設(shè)備溫濕度數(shù)據(jù)，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，以報(bào)表的形式輸出，設(shè)備出現(xiàn)事故可通過聲音、郵件、短信、電話語音等向工作人員報(bào)警。

3.2 自動(dòng)化生物樣本庫的自動(dòng)化設(shè)備

自動(dòng)化生物樣本庫能夠更好地保障樣本質(zhì)量，避免傳統(tǒng)生物樣本庫樣本質(zhì)量參差不齊、數(shù)據(jù)信息不完整等各種弊端、缺陷。生物樣本的分裝、存儲(chǔ)和信息化管理是生物資源保藏的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前自動(dòng)化生物樣本庫的設(shè)備分為自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)與自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備，主要分為樣本的加工、儲(chǔ)存與分發(fā)等3 個(gè)步驟。

自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)，國外代表性的品牌有韓國Micro-Digital 血液樣本分裝系統(tǒng)、法國卡蘇（CryoBioSystem，CBS）生物樣本全自動(dòng)充裝/封口/打印/識(shí)別一體機(jī)、瑞士Tecan 生物樣本庫多功能工作站和美國CryoXtract CXT350 桌面型超低溫樣本分裝儀等。MicroDigital 血液樣本分裝系統(tǒng)和CBS生物樣本全自動(dòng)充裝/封口/打印/識(shí)別一體機(jī)，均使用高安全麥管，可自動(dòng)化完成樣本的分送、灌裝、封口和打印。國內(nèi)目前主要有江蘇睿玻自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)由采樣管放置區(qū)域、采樣管自動(dòng)脫帽組件、樣本純化區(qū)域、樣本處理區(qū)域以及自動(dòng)移液組件5 個(gè)部分組成，可高通量、自動(dòng)化完成整個(gè)樣本制備流程。自動(dòng)化樣本分裝系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)化樣本庫存儲(chǔ)系統(tǒng)和管理軟件，使生物樣本分裝、備份、存儲(chǔ)和取用過程更加簡便快捷。

全自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備，國外品牌主要有美國布魯克斯 （Brooks）、瑞 士 哈 美 頓 博 納 圖（Hamilton）、英 國SPT Labtech 以及意大利安通力（Angelantoni），國內(nèi)品牌主要有基點(diǎn)生物（Genepoint）、原能細(xì)胞（Origincell）、海爾生物（Haier）等［14］。自動(dòng)化設(shè)備存儲(chǔ)樣本根據(jù)操作方式不同，主要分為機(jī)械式和氣動(dòng)傳輸式2 種模式。氣動(dòng)傳輸具有耐低溫程度差、安全性能低、成本高、周期長等缺點(diǎn)，因此，機(jī)械式樣本存儲(chǔ)是目前市場上普及率最高、認(rèn)可度最高的全自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)方式。據(jù)調(diào)查顯示，國內(nèi)的自動(dòng)化存儲(chǔ)廠家基點(diǎn)生物（Genepoint）、原能細(xì)胞（Origincell）與海爾生物（Haier）均采用機(jī)械式進(jìn)行存取操作，國外的自動(dòng)化存儲(chǔ)設(shè)備80% 以上也是機(jī)械式存儲(chǔ)操作［15］。自動(dòng)化生物樣本庫建設(shè)過程中，應(yīng)根據(jù)生物樣本庫的預(yù)算、建設(shè)目標(biāo)與需求，選擇存儲(chǔ)量大、操作便捷、維護(hù)成本低的全自動(dòng)化樣本存儲(chǔ)設(shè)備。

3.3 質(zhì)量控制

能夠提供高質(zhì)量的生物樣本是樣本庫建設(shè)的核心要求，因此，自動(dòng)化生物樣本庫建設(shè)過程中需要制定嚴(yán)格的質(zhì)量控制流程。

3.3.1 樣品處理 規(guī)范樣品處理程序是保證樣品質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)對樣品處理所采用的方法進(jìn)行有效控制和規(guī)范管理，以保證對樣品的質(zhì)量要求。樣本庫中所有與樣本直接相關(guān)的操作過程都應(yīng)具備相應(yīng)的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，包括樣品接收和處置過程、環(huán)境控制過程、設(shè)備操作維護(hù)方法、數(shù)據(jù)處理方法等，均應(yīng)制定相應(yīng)的程序文件或作業(yè)指導(dǎo)書規(guī)范處理流程。

3.3.2 樣本出入庫管理 樣本的出入庫都應(yīng)按照樣本庫的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，所有出入庫的信息都應(yīng)記錄，并輸入樣本庫信息系統(tǒng)，利用追蹤系統(tǒng)進(jìn)行樣本追蹤。樣本入庫時(shí)都應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)操作程序采集和處理后才能入庫儲(chǔ)存。自動(dòng)化生物樣本庫樣本入庫后可記錄詳細(xì)的儲(chǔ)存位置信息，根據(jù)要求記錄樣本儲(chǔ)存條件，包括溫度、儲(chǔ)存容器、儲(chǔ)存設(shè)備和時(shí)間等。

3.3.3 樣本追蹤系統(tǒng) 自動(dòng)化生物樣本庫應(yīng)能追蹤儲(chǔ)存的每個(gè)樣本，保留所有與樣本采集、儲(chǔ)存、處理和運(yùn)輸有關(guān)的記錄來實(shí)現(xiàn)追蹤，保證樣本始終處于穩(wěn)定的環(huán)境中。自動(dòng)更新出入庫信息，使追蹤系統(tǒng)能監(jiān)控庫內(nèi)外樣本的轉(zhuǎn)移和變化情況，追蹤樣本的種類、采集時(shí)間、分裝的規(guī)格和數(shù)量、樣本處理的方法和時(shí)間、樣本的儲(chǔ)存位置、條件和環(huán)境，以及樣本的取用和運(yùn)輸。

3.3.4 樣本庫存核實(shí) 作為質(zhì)量控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，庫存核實(shí)可用來確定樣本是否儲(chǔ)存在正確的位置。自動(dòng)化生物樣本庫可根據(jù)信息系統(tǒng)記錄的樣本儲(chǔ)存位置核實(shí)相關(guān)信息，并且在樣本庫管理界面進(jìn)行可視化顯示。按要求執(zhí)行核實(shí)程序的工作人員需要經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)，確保具有資格和權(quán)限方可使用信息系統(tǒng)和進(jìn)入儲(chǔ)存設(shè)施。

3.4 信息化管理

生物樣本庫信息管理系統(tǒng)（biobank information management system，BIMS）是自動(dòng)化生物樣本庫的重要組成部分，其主要功能為收集實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行生物樣本工作流程的整體管理，包括生物樣本的接收、準(zhǔn)備、儲(chǔ)存和和臨床數(shù)據(jù)（包括知情同意）的各種信息，還可記錄來自監(jiān)測系統(tǒng)的信息，如自動(dòng)化樣本庫冷凍溫度或儲(chǔ)罐中的液氮水平。

信息管理系統(tǒng)在樣本庫的運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。信息管理系統(tǒng)最基本的功能是記錄與樣本庫活動(dòng)相關(guān)的所有信息。同時(shí)，信息管理系統(tǒng)基于樣本相關(guān)活動(dòng)過程的記錄和管理來實(shí)現(xiàn)對過程和質(zhì)量控制的監(jiān)督，并作為相關(guān)活動(dòng)審核和批準(zhǔn)的依據(jù)，通過實(shí)時(shí)追蹤樣本的位置和狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)樣本庫存的管理。因此，BIMS 應(yīng)該具有但不限于以下功能：（1）通過直觀、可視的界面管理和跟蹤樣品；（2）完整的樣品生命周期管理；（3）患者數(shù)據(jù)及其知情同意管理；（4）數(shù)據(jù)校驗(yàn)、導(dǎo)入和導(dǎo)出；（5）數(shù)據(jù)備份，保護(hù)重要的數(shù)據(jù)資料；（6）使用訪問權(quán)限保護(hù)敏感數(shù)據(jù)資料；（7）控制對機(jī)密文件的訪問權(quán)限；（8）管理生物樣本庫工作人員的培訓(xùn)和能力記錄；（9）使流程完全合規(guī)，為樣本庫認(rèn)證、認(rèn)可做準(zhǔn)備。

自動(dòng)化生物樣本庫的軟件系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)樣本庫的發(fā)展，在后期可不斷升級(jí)更新，以滿足科研管理需求和樣本庫硬件升級(jí)需求。

綜上所述，通過高標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化生物樣本庫場地、自動(dòng)化設(shè)備、質(zhì)量控制以及信息化管理系統(tǒng)建設(shè)，建立標(biāo)準(zhǔn)化、正規(guī)化的自動(dòng)化生物樣本庫，提供足量、高質(zhì)的生物樣本和全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，滿足研究人員進(jìn)行下一代全基因組測序、DNA 陣列分析、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等生命組學(xué)科研需求，助力我國轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)快速發(fā)展。