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全球生物银行日益崛起 为人类储存健康(图)
中国网滨海高新:www.022china.com  时间: 2012-07-23 17:44:44 

全球生物银行日益崛起 为人类储存健康

中国网·滨海高新讯 今年3月,世界上最大的生物银行——存储样本总数超过5000万份的Ukbiobank在英国正式开业。同时,存储量为600万份的生物样本库也在哥本哈根落成。这两个举世瞩目的事件,将全球生物银行的发展推向了一个全新的阶段。

所谓生物银行(又称生物样本库),是指收集、存储研究用生物样本(包括组织、血浆和生物体液等)以及与这些生物样本相关的各种临床治疗与随访等资料,是按严格技术标准采集、运输、存储、管理和使用的资源库。据权威市场分析人士分析,2015年全球生物银行市场可达239亿美元。但生物银行对人类的最大贡献则是:帮助科学家进行疾病研究和治疗,促进人类健康。正如英国生物银行首席科学家和执行官罗瑞·考林所说,生物银行的“价值就在于它的庞大和详细,希望科学家能够使用它们”。

医学研究需求是驱动力

美国加州圣摩尼卡RAND公司的一份研究报告指出,本世纪初美国生物银行存储的人体组织样本数量超过3亿份,并以每年2000万份的速度增加。尽管如此,很多科学家依然抱怨他们无法获得足够的样本。2011年,700名专门从事癌症研究的科学家参与了一项专项调查,其中47%的人认为他们难以获得足够的样本。正因如此,81%的人认为其研究工作受到影响,60%的人则因样本不够对其研究结论表示质疑。因此,如何获取和存储高品质、数据丰富的生物样本,并更有效地为医学研究服务,便成为生物银行业发展的关键。

自医学研究诞生以来,就需要对生物样本进行采集、存储和分析,而现代生物医学领域诊断测试研发对生物样本提出了更高的要求,成为生物银行发展的新动力,并促使生物银行日趋科学化、标准化和组织化。

由于科研需求的多样化,各国生物银行的资助背景、规模、范围和重点也呈现出多样化的特点。有些样本采集自普通人群(如接受手术治疗或刚去世的人等),有些样本则采集于数十年前,如原住民基因组测序的样本来自英国剑桥大学提供的一束头发,它是英国生物学家阿尔弗雷德·考尔特·汉顿于上世纪20年代从当地居民那里获得的。人口生物银行主要采集血液和健康人群的各种数据,以确定乳腺癌的遗传风险因素;而疾病生物银行则重点采集肿瘤样本,以揭示乳腺癌的不同分子形态。

其实我也需精心呵护

研究人员最初利用显微镜检测生物样本,借助代生物技术,他们能够在分子水平上检测生物样本,分析样本中的DNA、RNA和蛋白质等生物大分子。全基因组关联分析(研究人员扫描基因组以寻找遗传标记)的普及,使科学家能够从事更为广泛的生物样本统计学分析工作,而这就需要对更多生物样本进行更高水平的检测。美国国家癌症研究院生物样本质量分析专家史芬·赫维特说:“过去20年间科学家利用生物样本进行生物学研究的方法发生了根本性变化,但我们对影响生物样本品质的诸多因素的认识却没有更新,更不用说教育研究人员如何更科学地保护性使用样本。”

马萨诸塞州剑桥Broad研究所生物样本平台主管克瑞斯汀·阿德莉说:“如果你对样本的处置不当,它就不能充分为你所用。”她举了一个典型的例子:研究人员从胎盘样本中分离RNA时,多次努力都毫无结果,后来找到的原因是,由于粗心大意,研究人员将样本放置在零下20摄氏度的环境中,数小时之后才将其放置在零下80摄氏度的冷藏设备里。

阿德莉指出,冷藏生物样本需要严格的低温条件,普通冷藏设备内部的温度不够低,无法阻止降解酶发生作用。除DNA之外的一些生物大分子的存储温度需要在零下20摄氏度以下,大多数样本对存储温度的要求为零下80摄氏度,但另一些生物样本(如活细胞)的存储温度需要接近零下200摄氏度。

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令研究人员感到苦恼的是,一些生物样本的特性即便是在冷藏期间也会发生难以预测的变化。在一项研究中,研究人员将采集的血浆检测后冷藏,10年后将其解冻并再次检测,结果发现有两种恶性肿瘤生物标记的浓度增加了15%!在另一项研究中,研究人员模拟长期冷藏过程,在冷藏和解冻血浆样本时,分别检测若干种肿瘤标记浓度的变化情况。结果显示,一些蛋白质生物标记在数十年间经历了多个冷藏—解冻周期后依然相当稳定,但血管内皮生长因子(一种被广泛用于研究糖尿病、关节炎和癌症的生物标记)却非常不稳定,研究人员据此建议永不使用被冷藏的样本进行此项指标检测。

目前,并非所有生物银行都能够清晰地记录存储样本的使用情况,更不用说监控储藏器温度的变化情况了。瑞士生物银行业顾问丹尼尔·西蒙·杜巴赤指出,即便是短时间的温度波动都有可能损害生物样本的品质。他曾见过一些研究人员将样本存储装置的门敞开数分钟之久,以炫耀其样本。他说:“天哪,你到底在干什么?让我看样本的照片就足够了!”

具有跟踪检索功能的冷藏设备“照顾我”

一些大型生物银行投资建成了样本存储和检索跟踪系统,为样本提供恒定低温环境的同时,也提高了服务科研工作的水平和效率。

美国马萨诸塞州汉密尔顿储存技术公司研制的冷藏设备具有样本存储和跟踪功能,每台价值100万美元,可存储25万至1000万份生物样本。该设备摈弃了传统的开启储藏门式存储方式,研究人员将样本试管放到存储舱中,用机械手臂可以十分自如地在其内部格架中放置或移动样本。研究人员还可以用样本信息管理系统来查询特定的样本,并以此为线索获取样本。这种存储装置内部的温度为零下80摄氏度,可以精确地记录每份样本从冷藏状态被取走的次数和所持续的时间。

美国国家癌症研究院生物检体资料库和生物样本研究办公室副主任吉姆·欧葛说,即便不采用如此先进的设备,冷藏样本的成本也非常昂贵。一项典型的流行病学研究需要使用1万病人提供的10万份样本,存储这些样本需要5个存储设备,而每台设备每年的正常维护成本则高达6000美元。毫无疑问,冷藏是保存生物分子和活细胞的最佳办法,但这种方法依然会造成生物组织表征的变形。

为降低成本,研究人员采用传统的福尔马林固定样本组织技术——将从病人身上提取的组织以福尔马林固定后,以石蜡包埋的方式保存,便于进行后续病理形态学分析。研究人员可以从每份样本中提取很薄的切片,经染色后用于显微镜切片。但这种技术可能伤及遗传物质的完整性,特别不利于后续RNA纯化工作。美国马里兰州银泉联合病理中心储藏了大约2800万份此类生物样本,最早的采集于第一次世界大战期间。

利用这种技术,可以从包埋于石蜡中的生物样本中提取DNA和RNA,但其品质变化幅度很大且分析工作很困难。为了克服这一难题,美国加州IntegenX公司和北卡罗莱纳大学教堂山分校的科学家正在合作探索一种新技术,以便研究人员更好地使用成本相对低廉的福尔马林防腐技术。

德国Qiagen公司研制的设备则没有采用传统的福尔马林固定剂。2009年,该公司研制出一项新产品——PAXgene组织样本存储器,改用酒精固定剂来保存生物分子,并可将组织样本包埋于石蜡中。利用该装置固定组织样本能够完好地保持组织形态,有利于组织学研究,其固定结果与福尔马林固定的效果相当,但不会出现核酸交联和降解这些问题。经固定后的组织在室温条件下可保存7天,在恒定4摄氏度和零下20 摄氏度的条件下分别可以保存4周和数月。美国国家卫生研究所于2010年10月启动实施的基因型—组织表达研究计划就选用了这种样本存储器。

高品质源于科学而迅捷的采集程序

生物样本品质的好坏,也取决于最初的采集程序是否更为合理和迅捷。

美国关键途径研究所是由美国食品和药物管理局(FDA)参与创立的非营利机构,其研究领域涉及药物研发和安全。该所执行总裁卡罗莱恩·卡姆普敦曾担任美国生物检体资料库和生物样本研究办公室首任主任,他认为,生物样本的品质不仅与储藏条件有关,而且依赖于样本采集程序的科学性。那些原本属于人体正常部分的生物样本被切除后,由于突然离开了原来的生存环境,从而承受着从未承受过的生物学压力。生物样本所处环境的温度发生了突然变化,细胞的行为就变得难以预测。研究人员必须拷问自己:分析结果是否真正地反映了样本提供者本人的生物学特征?考姆普敦说:“你的分析结果可能会非常完美,但得到的答案却是错误的。”

有些样本(如血液、尿样和唾液等)的采集只需志愿者到采集机构设定的地点就可完成,而另一些样本(如固态组织等)的采集工作就必须在具备紧急处置条件的医疗机构内完成。影响样本质量的因素不仅包括采集过程中使用的药物、麻醉状况等,而且还包括冷藏前样本在室温条件下被放置的时间、固定剂种类、冷却速度以及每份样本体积的大小和形状等诸多因素。

通常情况下,医护人员关注的注重点是手术病人,但病人组织样本对医学研究和患者病情诊断具有重要作用。今年2月,在美国生物检体资料库和生物样本研究办公室组织的一次学术会议上,内布拉斯加卫理会医院的病理学家吉内·赫尔贝克报告说,他们与医疗团队有效合作,一小时之内就可将从手术患者身上获取的组织样本存储于病理学实验室。

德国Indivumed生物技术公司的效率更令人赞叹。该公司通过在手术小组中指定护士的方式,10分钟之内就能把从病人身上切除的样本存储于病理实验室。在准备手术的过程中,该护士详细记录对病人采取的治疗措施及病人的状况等信息,并负责将样本迅速地转移到手术室旁的另一个房间,便于马上进行切片处理,并加以固定和冷藏。该公司经理黑格·巴斯蒂恩说:“这种做法本身并不涉及技术问题,所涉及的仅仅是操作程序而已。”

样本品质评估的科学化和标准化

生物样本质量分析专家史芬·赫维特说,如果能够为研究人员提供表明样本品质的生物标记,既可以避免科研工作的浪费,也能够提高研究结论的可靠程度。目前他和Broad研究所的阿德莉合作,探索石蜡包埋组织样本中RNA品质的测度方法。美国密歇根州Van Andel研究所生物样本科学项目负责人斯考特·杰维尔,则正在致力于评估脱氧和各种类型细胞死亡(如自噬性融酶体、细胞凋亡和坏死)的生物标记。

杰维尔认为,详细记录样本的搜集和保存过程非常重要,但这远远不够。研究人员需要更加具体的建议,例如需要明确标记以辨别样本质量的好坏。这对于特定研究工作样本的选择,以及理解其最佳存储方式都十分重要。

生物银行业界的专家发现,研究人员往往不太重视生物样本的品质。一项研究发现,2004年至2009年间发表的可公开获取期刊上检索到的125篇关于生物标记的论文中,有一半以上没有提供如何获取、存储和处置样本的信息。可喜的是,随着生物银行界日益重视有关操作指南的制定工作,这种情况将会发生积极的变化。

2007年,美国生物检体资料库和生物样本研究办公室颁布了其第一套官方最佳操作指南;2011年又颁布了《旨在提高研究质量的生物样本报告》,以指导研究人员规范地记录生物样本的采集、处置和存储情况。国际生物和环境资源协会于2005年出版了其首版最佳操作指南,2010年出版了规范性描述样本组织采集和处置情况的编码系统——标准PRE分析代码。

欧盟已启动了一项为期4年的合作研究计划——体外诊断通用预检工具及程序的标准化和改进,该项目由Qiagen公司负责协调实施,旨在改进体外诊断样本的处置并使之标准化。此外,学术界也正在倡导期刊论文的作者提供同行评议文章之类的信息。

美国病理学家协会是国际公认的实验室质量保证的领导者和权威性的实验室管理及认证组织,该协会已经建立了生物样本库认证项目,今年开始接受申请,迄今为止得到了很好的响应。它拟定了一份操作指南审查清单,只有满足清单要求的机构才能申请认证。美国俄亥俄州国立儿童医院病原生物学中心主任、认证工作小组共同主席尼尔萨·拉米瑞兹说:“十多年来,要求加快此项工作的呼声一直不断,我认为这将让检查员认识到他们所做的工作将有可能是最高水准的。”

欧葛认为,推进这项工作所遇到的难题之一是,目前已经出版的操作指南大都是依靠研究人员的印象和经验制定而成,而不是基于样本储藏最佳方式的专用实验。他所领导的办公室负责向评估和开发存储技术研究的项目下拨经费,目前正在维护一个包括同行审议文献的数据库。生物银行界的人士经常会通过先导性研究后开发出自己的操作指南,但并不发表,欧葛说:“目前,尚没有基于扎实研究的国际性标准。”

实际上,对于存储生物样本品质的研究和设施来说,其研究经费是非常短缺的。卡姆普敦说:“人们将经费分配的重点更多地给予研究计划和分析工作,而很少考虑支撑这些工作的基础设施建设。”就这类研究而言,如果一项研究需要5万份样本,第一年的启动成本大致为300万至500万美元,这还不包括信息系统的建设和维护费用。10年的运行成本将可超过1000万美元。因此,为此类研究项目筹措更多的经费是一个巨大的挑战。

组织化和共享机制带来“第二春”

组织化和网络化是生物银行业的发展趋势,这样可以更有效地帮助科研人员获得样本。美欧各国都注重生物银行的组织化建设。

由美国国家癌症研究所创立的人体组织合作网络旨在帮助研究人员获取人体样本,它在全美各地设有分支机构,要求研究人员利用常规手术和尸检等方式收集人体组织样本和液态样本。位于宾西法尼亚州费城的全国疾病研究交流中心则是提供稀缺样本(如眼睛)的专业机构,它也要求研究人员遵循上述要求。

欧洲生物银行与生物分子资源研究设施项目始建于2008年,它在欧洲范围内建设一项具有生物医疗意义的样本收集重大设施,建立这些样本和相关临床信息与流行病信息之间的联系;并将分散存储于欧洲各国主要生物银行相互连接起来,使生物资源样本标准化和统一化,以利于协同工作,提高对普通疾病以及罕见疾病的预防和治疗。2011年初,该项目已吸纳了30多个国家的53个会员联盟,以及280个个体联盟组织(大部分为生物银行),成为最大的泛欧洲生物银行。目前该项目正在制定允许研究人员共享生物样本和数据的相关政策。

公众人口基因组学计划的总部位于加拿大,该组织成立于1993年,在生物银行界的协调中发挥着重要作用,其关注重点是人口生物银行和基因流行病学,活动范围遍及全球重点在欧洲。研发部主任、加拿大麦克吉尔大学健康中心的伊萨贝尔·弗蒂尔说:“未来的研究工作需要用大量的样本进行严格的统计分析,任何一项研究计划也不可能拥有足够的样本。我们需要让业已采集的这些数据焕发第二春。”

研究人员渴望获得样本捐赠者目前的健康信息,以及各种特定类别生物大分子的存储信息。这促使人们重新审视患者适度知情同意和数据管理政策,促进了数据采集和存储工作的创新。杰维尔说:“这将掀起生物银行业的下一波浪潮。如果不能妥善管理持续不断的数据流,你将成为一个静态的生物银行。我们希望能够不断地更新病例资料。”

生物样本的相关信息越详尽,其价值就越大。辉瑞制药公司副总裁戴维·考克斯认为,最大程度地从生物样本中获取相关信息,并不仅仅取决于生物银行提供的样本本身,更重要的是取决于研究人员发现不同的方法并反复利用已搜集的样本。科学、合理地整合现有各种资源,才能更好地利用生物银行造福全人类,例如可以采用“预竞争模式”将参与各方有机地联系起来,制药公司可以利用生物银行的基础设施进行研究工作,但不能保留成果和资料的独享权。当然,最核心的问题在于建立合理的筹建—维护—投资机制。(记者郑焕斌)

 
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文章来源: 科技日报 责任编辑: 欣闻
 
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