王衍海 尚 悅 魏 浦 宋慶華 徐國通 魏 強 韓 俊*

目前,生物樣本庫自動化樣本存儲設備主要有自動化樣品分裝系統(tǒng)(設備)和自動化樣本存儲系統(tǒng)(設備)等,高度自動化的樣本存儲系統(tǒng)能根據(jù)使用者指令,挑選單個樣本,對樣本的保存質(zhì)量提供更有效的保障,具有存儲容量大、處理速度快、存儲靈活及流程控制更安全等特點[1-2].自動化樣本儲存設備在日常樣本的進、出庫過程中還同時實現(xiàn)了生物安全防護、樣本標識識別及獨立信息管理等多方面功能[3-4].

隨著中國生物樣本庫自動化樣本存儲設備建設的蓬勃發(fā)展,一個中小型樣本庫的樣本數(shù)已超過數(shù)十萬份,而大型樣本庫則動輒百萬份級、千萬份級以上,在這樣的體量下,通過手工處理、存儲和調(diào)用樣本已難以跟上需求[5].為此,醫(yī)療科研用戶對生物樣本的高通量、高質(zhì)量、大數(shù)據(jù)和便捷管理提出了新的要求,而通過自動化存儲設備,能更好、更快地滿足中國醫(yī)療科研用戶對生物樣本存儲質(zhì)量和效率的更高需求,協(xié)助醫(yī)療科研用戶建成國際化、標準化,更安全、規(guī)范和高效的新一代自動化生物樣本管理體系.目前,我國市場的全自動化樣本存儲設備品牌主要有基點生物(Genepoint)、原能細胞(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化設備樣本存儲及調(diào)用方式主要分為機械式和氣動傳輸式2種模式,而機械式是市場上普及率最高,認可度最高的方式.

1 生物樣本庫自動化存儲設備發(fā)展趨勢

1.1 國際生物樣本庫發(fā)展趨勢

進入21世紀,隨著現(xiàn)代生物技術的快速發(fā)展,分子遺傳學取得了巨大的發(fā)展,國外對人類遺傳資源的保護與開發(fā)研究勢頭強勁,主要呈現(xiàn)2個特點:①標準化前提下遺傳資源庫的大型化,如英國生物樣本庫于1999年設立,在英國6個中心范圍內(nèi)收集超過50萬樣本[7];②各個國家內(nèi)部研究機構和國家之間對遺傳資源庫的共同建設和共享,歐洲前瞻性營養(yǎng)與腫瘤調(diào)查是在丹麥、法國、德國、希臘、意大利、挪威、瑞典、荷蘭、西班牙和英國10個歐洲國家的23個中心開展樣本量為52萬人的遺傳資源研究[8-10].

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

1.2 中國樣本庫發(fā)展趨勢

1994年,中國科學院建立了中華民族永生細胞庫[11].而后,山東省臍帶血造血干細胞庫、北京臍帶血造血干細胞庫、泰州(復旦)健康科學研究院、系統(tǒng)基礎芯片(system basis chips,SBC)超生物銀行等專項生物標本資源庫也相繼建立,因此我國生物樣本資源庫與歐美相比,起步時間并不算晚[12-13].

2003年,我國啟動了國家自然科技資源共享平臺建設項目,在生物遺傳資源平臺標準規(guī)范和技術規(guī)程的制定,生物遺傳資源性狀數(shù)據(jù)的補充完善,瀕危、珍稀動植物、人類遺傳資源收集、整理與保護以及遺傳資源標準化整理與數(shù)字化表達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,逐多細化的工作尚未落實,加之遺傳資源建設很多方面的關鍵技術未獲突破,制約我國遺傳資源建設和發(fā)展的瓶頸依然存在.《"十二五"生物技術發(fā)展規(guī)劃》明確要求,要建設國家生物信息科技基礎設施--國家生物信息中心,包括國家生物技術管理信息庫,基因組、蛋白質(zhì)組及代謝組等生物信息庫,大型生物樣本、標本、病例資源和人類遺傳資源庫以及共享服務體系;建設若干實驗動物和模式生物基礎設施及生物醫(yī)學資源基礎設施,表明我國明確表示要加大生物樣本庫建設方面的投入[14-15].

2 生物樣本庫自動化存儲設備產(chǎn)品對比

大型生物樣本庫預計可存檔和管理數(shù)以百萬、千萬計的生物樣品[16].如此龐大的樣本庫,就需要可靠的編輯、檢索、質(zhì)量控制和完備的實驗室運輸鏈條,需要國際樣本庫管理規(guī)范、全自動的數(shù)據(jù)庫和自動化管理設施的支持.國內(nèi)外8個品牌的自動化存儲設備產(chǎn)品各有優(yōu)劣勢.

2.1 基點生物(Genepoint)

(1)型號及產(chǎn)地:Hatch,中國上海.

(2)操作方式:智能機器人.

(3)特點:①適合普通凍存管和自動化標準管(society for biomolecular screening,SBS);②結合前沿智能機器人技術,將深低溫電機和執(zhí)行機構應用于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機械手兼具作用力反饋及防錯機制,內(nèi)置自動夾具更換系統(tǒng);④支持單管、多管或整版的存取,自動預約批量取管功能,系統(tǒng)待機時也可批量取出放置于虛擬緩沖區(qū);⑤存儲空間碎片整理功能,化零為整,最大化利用存儲空間,同時避免了手工整理過程中出現(xiàn)的反復凍融、標簽遺失及效率低等問題;⑥集成整版掃碼儀和自動除霜功能,可快速識別處于低溫狀態(tài)下的二維碼;⑦自動除霜和自動補氮功能;⑧氮氣保護的氣密操作腔體,使設備免于濕氣、水分的干擾和影響;⑨樣本凍存管分配功能即使在罐蓋關閉情況下,溫度<-180 ℃時仍可正常工作;⑩從接受指令到挑出第1根管的時間通常<30 s.

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

2.2 原能細胞(Origincell)

(1)型號及產(chǎn)地:BSN-500,中國上海.

(2)操作方式:機械臂.

(3)特點:①2 ml樣本存儲量:50 000份;②采用蜂巢式結構設計,可實現(xiàn)獨立單元存儲,規(guī)避交叉干擾影響,同時具有更高的空間利用效率;③雙門密封傳遞窗和凈化干燥系統(tǒng)設計;④可與轉(zhuǎn)運機器人(AGV)的全自動對接;⑤凍存管提取裝置深低溫全冷鏈保護,確保樣本安全;⑥真空負壓凍存管取放機構設計,運行更加可靠,維護更加便捷;⑦自動除霜.

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

2.3 布魯克斯(Brooks)

(1)型號及產(chǎn)地:Biostore Ⅲ cryo,美國.(2)操作方式:機械臂.

(3)特點:①根據(jù)裝載樣品容器可定制適合各種存儲空間和位置的要求;②不限定存儲容器,可自由組合;③存儲量從1萬到2千萬個,均可準確、快速和安全的自動化存儲和檢索;④樣品隨意選取過程中消除了凍融循環(huán);⑤系統(tǒng)創(chuàng)新性設計,保證可長期運行和無差錯操作;⑥模組型設計的靈活性,為客戶提供不同配置方案的升級需求;⑦系統(tǒng)可快速安裝,對實驗室影響最小;⑧豐富的軟件應用可安全地跟蹤數(shù)據(jù)并有利于與實驗室信息管理系統(tǒng)(laboratory information management system,LIMS)整合;⑨寬廣的樣品管理應用.

(4)缺點:①市場占有率低,后期維護維修成本高;②成本太高.

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

(3)特點:①樣品存儲量大,可存儲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溫度中;③具有可靠性和易維護性;④溫度-20~25 ℃;⑤樣本存儲容器多樣化,存儲模塊可現(xiàn)場擴展;⑥可動態(tài)地分配存儲空間;⑦除冰霜功能;⑧具有單獨的試管直接從存儲的試管架轉(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取樣時最小化熱量破壞.

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

2.5 TTP LabTech

2.5.1 comPOUND?-20 ℃全自動樣品存儲設備(1)型號及產(chǎn)地:comPOUND?,英國.(2)操作方式:氣動傳輸.

(3)特點:①可在封閉環(huán)境中進行儲存和提取,加強系統(tǒng)的可靠性;②有獨立溫度控制儲存單元,隨樣品增加新的comPOUND?存儲設備可隨時添加和集成現(xiàn)有的comPOUND?存儲設備,以滿足更大容量的儲存需求;③儲存密度高、體積小,最多可容納20 000個0.5 ml或10 000個1.4 ml的樣品管;④快速地單樣品提取,從100 000個樣品中提取任意一個樣品僅需5 s;⑤樣品可儲存在室溫至-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準確性,每一個樣品管都有2D條形碼,用戶可方便地追蹤每一份樣品;⑦界面簡單,可輕松與LIMS或其他數(shù)據(jù)庫兼容.

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

2.5.2 Arktic -80 ℃自動化生物樣品庫

(1)型號及產(chǎn)地:Arktic,英國.

(2)操作方式:氣動傳輸.

(3)特點:①內(nèi)部無機械臂,其通過簡單的旋轉(zhuǎn)裝置進入樣品的儲存位置,然后通過氣動傳輸方式將樣品提取出來;②安裝簡單,外形小巧;③儲存密度高,可進行模塊化的組合連接,實現(xiàn)輕松擴容;④可提取任意單個樣品,96孔板上樣品管全部存放到機器中僅需3 min;⑤采用全球最先進的絕緣設計,并配備復疊式制冷系統(tǒng),使得樣品儲存更加安全.

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

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

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

(4)缺點:①成本較高;②市場占有率低.

2.7 哈美頓博納圖(Hamilton)

2.7.1 SAM -80 ℃自動化小容量樣本存儲管理設備

(1)產(chǎn)地:瑞士.

(2)操作方式:機械臂.

(3)特點:①-20 ℃和-80 ℃兩種溫度可選;②穩(wěn)定堅固的機械裝置,通過磁耦合方式進行傳動;③易于使用的FDA 21 CFR Part 11(電子簽名電子記錄法規(guī))認證軟件;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實時的溫度監(jiān)控;⑦可進行單管樣本選取;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,支持應用程序接口(application programming interface,API)編程,可進行二次開發(fā).

(4)缺點:①標本存儲量小,適合小型標本庫使用;②市場占有率低,后期維護成本高.

2.7.2 Active Sample Manager(ASM)主動式樣品管理設備

(1)產(chǎn)地:瑞士.

(2)操作方式:機械臂.

(3)特點:①兼容多種耗材,包括各種微孔板和試管;②儲存模塊可放置≤200 000個試管或2200個微孔板;③每h最多可處理120個試管架或微孔板;④可隨時增加新的儲存模塊;⑤每個處理器模塊擁有主動式融化系統(tǒng)、應用程序界面和整合的1D和2D條碼閱讀機;⑥通過自動存儲管理(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試管在儲存架上位置,全自動機械手,可將樣品傳送到全自動生物樣品自動化工作站或其它第三方設備;⑦儲存靈活;⑧流程可安全性控制;⑨安裝簡單,無需對實驗室進行大規(guī)模改造和投資.

(4)缺點:①不適合高危樣品存儲要求;②市場占有率較低.

2.8 SmartFreezer

(1)型號及產(chǎn)地:V180.20,意大利.(2)操作方式:機械臂.

(3)特點:①世界第1臺實現(xiàn)完全自動化存儲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機械零件可在-180 ℃的超低溫下正常工作;④樣品存儲區(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碼或射頻識別(radio frequency identification,RFID)標簽;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準版,使用范圍廣;⑧多國語言(含中文、英文、德文、日文、意大利文等)操作界面;⑨可提供詳細審核日志,具有良好的追蹤性.

(4)缺點:①體積小,樣本存儲量小,存儲17 000支1.4 ml或10 000支2.0 ml凍存管;②存儲方式單一,只能存儲2 ml和1.4 ml凍存管;③單次存儲和提取樣本量少;④無法單臺設備上擴增樣本存儲區(qū);⑤技術相對落后,機械臂已發(fā)生故障.

3 生物樣本庫自動化存儲設備對比分析

有研究表明,每個品牌產(chǎn)品均有各自的優(yōu)點和缺點,需根據(jù)具體需求而定[18].對小型樣本庫上海原能細胞(Origincell)的產(chǎn)品無論從成本、存儲量、維護、維修和用戶使用反饋意見均比較適合,具有一定價值.

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,存放樣本的容器(如冰箱和液氮罐)利用效率也逐漸降低,因開始樣本是分類順序存放,但根據(jù)科研需求的不同,取樣會從容器的不同位置取走樣本,一段時間后,容器中會產(chǎn)生大量的零散空位卻無法有效利用,這就需要利用信息化系統(tǒng)進行樣本存放位置的自動分配和查找,提高冰箱等容器的空間利用效率.

3.2 取樣準確性

取樣的準確性直接關系實驗結果和研究結論,但有時卻被忽視,要避免此問題出現(xiàn),可通過已成熟的低溫條形碼標簽技術,掃描條形碼進行相關信息核對,可確保取樣準確性[19-20].

4 展望

生物樣本庫自動化存儲設備在中國普及是潛在趨勢,合理選擇適合的自動化樣本處理設備,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,可將樣本自動化管理優(yōu)勢真正發(fā)揮.今后,自動化存儲設備的啟用將在保證樣本質(zhì)量的同時,提高科學研究和應用開發(fā)效率,促進醫(yī)學的研究事業(yè)更加快速健康發(fā)展,惠及廣大使用者[21].