生物样本库自动化存储设备的应用及其不同品牌设备比较*

王衍海 尚 悦 魏 浦 宋庆华 徐国通 魏 强 韩 俊*

目前,生物样本库自动化样本存储设备主要有自动化样品分装系统(设备)和自动化样本存储系统(设备)等,高度自动化的样本存储系统能根据使用者指令,挑选单个样本,对样本的保存质量提供更有效的保障,具有存储容量大、处理速度快、存储灵活及流程控制更安全等特点[1-2].自动化样本储存设备在日常样本的进、出库过程中还同时实现了生物安全防护、样本标识识别及独立信息管理等多方面功能[3-4].

随着中国生物样本库自动化样本存储设备建设的蓬勃发展,一个中小型样本库的样本数已超过数十万份,而大型样本库则动辄百万份级、千万份级以上,在这样的体量下,通过手工处理、存储和调用样本已难以跟上需求[5].为此,医疗科研用户对生物样本的高通量、高质量、大数据和便捷管理提出了新的要求,而通过自动化存储设备,能更好、更快地满足中国医疗科研用户对生物样本存储质量和效率的更高需求,协助医疗科研用户建成国际化、标准化,更安全、规范和高效的新一代自动化生物样本管理体系.目前,我国市场的全自动化样本存储设备品牌主要有基点生物(Genepoint)、原能细胞(Origincell)、布鲁克斯(Brooks)、High Res Biosolutions、TTP LabTech)、Liconic、哈美顿博纳图(Hamilton)以及SmartFreezer等[6].众多品牌厂商的自动化设备样本存储及调用方式主要分为机械式和气动传输式2种模式,而机械式是市场上普及率最高,认可度最高的方式.

1 生物样本库自动化存储设备发展趋势

1.1 国际生物样本库发展趋势

进入21世纪,随着现代生物技术的快速发展,分子遗传学取得了巨大的发展,国外对人类遗传资源的保护与开发研究势头强劲,主要呈现2个特点:①标准化前提下遗传资源库的大型化,如英国生物样本库于1999年设立,在英国6个中心范围内收集超过50万样本[7];②各个国家内部研究机构和国家之间对遗传资源库的共同建设和共享,欧洲前瞻性营养与肿瘤调查是在丹麦、法国、德国、希腊、意大利、挪威、瑞典、荷兰、西班牙和英国10个欧洲国家的23个中心开展样本量为52万人的遗传资源研究[8-10].

国外最新研究成果可将人类基因组嵌入极小的生物芯片里,通过芯片了解其疾病易感基因,预测易发病及智商等生物信息.而最新的数字医学,可通过手机把疾病信息发送到医院,医院可据此判断患者病情.

1.2 中国样本库发展趋势

1994年,中国科学院建立了中华民族永生细胞库[11].而后,山东省脐带血造血干细胞库、北京脐带血造血干细胞库、泰州(复旦)健康科学研究院、系统基础芯片(system basis chips,SBC)超生物银行等专项生物标本资源库也相继建立,因此我国生物样本资源库与欧美相比,起步时间并不算晚[12-13].

2003年,我国启动了国家自然科技资源共享平台建设项目,在生物遗传资源平台标准规范和技术规程的制定,生物遗传资源性状数据的补充完善,濒危、珍稀动植物、人类遗传资源收集、整理与保护以及遗传资源标准化整理与数字化表达等方面做了大量的工作,但许多工作目前多是宏观性的框架建设,逐多细化的工作尚未落实,加之遗传资源建设很多方面的关键技术未获突破,制约我国遗传资源建设和发展的瓶颈依然存在.《"十二五"生物技术发展规划》明确要求,要建设国家生物信息科技基础设施--国家生物信息中心,包括国家生物技术管理信息库,基因组、蛋白质组及代谢组等生物信息库,大型生物样本、标本、病例资源和人类遗传资源库以及共享服务体系;建设若干实验动物和模式生物基础设施及生物医学资源基础设施,表明我国明确表示要加大生物样本库建设方面的投入[14-15].

2 生物样本库自动化存储设备产品对比

大型生物样本库预计可存档和管理数以百万、千万计的生物样品[16].如此庞大的样本库,就需要可靠的编辑、检索、质量控制和完备的实验室运输链条,需要国际样本库管理规范、全自动的数据库和自动化管理设施的支持.国内外8个品牌的自动化存储设备产品各有优劣势.

2.1 基点生物(Genepoint)

(1)型号及产地:Hatch,中国上海.

(2)操作方式:智能机器人.

(3)特点:①适合普通冻存管和自动化标准管(society for biomolecular screening,SBS);②结合前沿智能机器人技术,将深低温电机和执行机构应用于Hatch,样本冻存管分配区置于罐内,且全程处于<-150 ℃的环境中;③机械手兼具作用力反馈及防错机制,内置自动夹具更换系统;④支持单管、多管或整版的存取,自动预约批量取管功能,系统待机时也可批量取出放置于虚拟缓冲区;⑤存储空间碎片整理功能,化零为整,最大化利用存储空间,同时避免了手工整理过程中出现的反复冻融、标签遗失及效率低等问题;⑥集成整版扫码仪和自动除霜功能,可快速识别处于低温状态下的二维码;⑦自动除霜和自动补氮功能;⑧氮气保护的气密操作腔体,使设备免于湿气、水分的干扰和影响;⑨样本冻存管分配功能即使在罐盖关闭情况下,温度<-180 ℃时仍可正常工作;⑩从接受指令到挑出第1根管的时间通常<30 s.

(4)缺点:存储容量相对降低,1.4 ml冻存管(SBS 8X12)47 424支;2.0 ml冻存管(10X10)36 400支.

2.2 原能细胞(Origincell)

(1)型号及产地:BSN-500,中国上海.

(2)操作方式:机械臂.

(3)特点:①2 ml样本存储量:50 000份;②采用蜂巢式结构设计,可实现独立单元存储,规避交叉干扰影响,同时具有更高的空间利用效率;③双门密封传递窗和净化干燥系统设计;④可与转运机器人(AGV)的全自动对接;⑤冻存管提取装置深低温全冷链保护,确保样本安全;⑥真空负压冻存管取放机构设计,运行更加可靠,维护更加便捷;⑦自动除霜.

(4)缺点:①兼容生物样本库耗材单一,2 ml冻存管;②单管存储,无法整盒存储.

2.3 布鲁克斯(Brooks)

(1)型号及产地:Biostore Ⅲ cryo,美国.(2)操作方式:机械臂.

(3)特点:①根据装载样品容器可定制适合各种存储空间和位置的要求;②不限定存储容器,可自由组合;③存储量从1万到2千万个,均可准确、快速和安全的自动化存储和检索;④样品随意选取过程中消除了冻融循环;⑤系统创新性设计,保证可长期运行和无差错操作;⑥模组型设计的灵活性,为客户提供不同配置方案的升级需求;⑦系统可快速安装,对实验室影响最小;⑧丰富的软件应用可安全地跟踪数据并有利于与实验室信息管理系统(laboratory information management system,LIMS)整合;⑨宽广的样品管理应用.

(4)缺点:①市场占有率低,后期维护维修成本高;②成本太高.

2.4 High Res Biosolutions(1)型号及产地:TundraStore D,美国.(2)操作方式:智能操控.

(3)特点:①样品存储量大,可存储13 400支1.4 ml试管,或25 500支0.5 ml试管,或336块96/384孔微孔板;②未提取的样本保留在存储温度中;③具有可靠性和易维护性;④温度-20~25 ℃;⑤样本存储容器多样化,存储模块可现场扩展;⑥可动态地分配存储空间;⑦除冰霜功能;⑧具有单独的试管直接从存储的试管架转移到传递的试管架功能,是提取REMP tubes的最可靠方法,理想地用于单一的冻融循环流程;⑨自带干燥空气系统以减少结霜,具有第二套制冷系统,可选择专用的后备电源UPS和LN2(液氮)体系;⑩取样时最小化热量破坏.

(4)缺点:①最低温度只有-20 ℃;②只适合小型样本库需求;③成本高,市场占有率低.

2.5 TTP LabTech

2.5.1 comPOUND®-20 ℃全自动样品存储设备(1)型号及产地:comPOUND®,英国.(2)操作方式:气动传输.

(3)特点:①可在封闭环境中进行储存和提取,加强系统的可靠性;②有独立温度控制储存单元,随样品增加新的comPOUND®存储设备可随时添加和集成现有的comPOUND®存储设备,以满足更大容量的储存需求;③储存密度高、体积小,最多可容纳20 000个0.5 ml或10 000个1.4 ml的样品管;④快速地单样品提取,从100 000个样品中提取任意一个样品仅需5 s;⑤样品可储存在室温至-20 ℃之间,提取的样品管可以指定顺序排列在96孔样品管架上;⑥准确性,每一个样品管都有2D条形码,用户可方便地追踪每一份样品;⑦界面简单,可轻松与LIMS或其他数据库兼容.

(4)缺点:①最低温度只有-20 ℃,体积小,样本存储量有限;②冻存管容易受气动传输中外力和压力的冲击,安全系数低,较机械臂式成本高;③订货周期长.

2.5.2 Arktic -80 ℃自动化生物样品库

(1)型号及产地:Arktic,英国.

(2)操作方式:气动传输.

(3)特点:①内部无机械臂,其通过简单的旋转装置进入样品的储存位置,然后通过气动传输方式将样品提取出来;②安装简单,外形小巧;③储存密度高,可进行模块化的组合连接,实现轻松扩容;④可提取任意单个样品,96孔板上样品管全部存放到机器中仅需3 min;⑤采用全球最先进的绝缘设计,并配备复叠式制冷系统,使得样品储存更加安全.

(4)缺点:①最低温度只有-80 ℃,体积小,样本存储量有限;②冻存管易受气动传输中外力和压力的冲击,安全系数低;③较机械臂式成本高,订货周期长.

2.6 Liconic(1)型号及产地:BioLix,列支敦士登.(2)操作方式:机械臂.

(3)特点:①专为样品管贮存管理,可容纳400 000个384样品管或75 000个500 μl样品管;②满足各种温度和湿度范围,适合不同应用,温度从-20~-70 ℃,相对湿度从5%~95%可调;③具有读码器,可识别样品管上条形码;④具有通入二氧化碳(CO2)、氧气(O2)或氮气(N2)功能;⑤具有全自动样品管取出和送入系统,自动挑选需要的样品;⑥全自动管理软件,可与第三方管理软件兼容;⑦可与第三方机械手整合,用于全自动样品处理系统.

(4)缺点:①成本较高;②市场占有率低.

2.7 哈美顿博纳图(Hamilton)

2.7.1 SAM -80 ℃自动化小容量样本存储管理设备

(1)产地:瑞士.

(2)操作方式:机械臂.

(3)特点:①-20 ℃和-80 ℃两种温度可选;②稳定坚固的机械装置,通过磁耦合方式进行传动;③易于使用的FDA 21 CFR Part 11(电子签名电子记录法规)认证软件;④兼容多种样品形式;⑤存取样本之前可完成一维与二维条码扫描;⑥实时的温度监控;⑦可进行单管样本选取;⑧具有液氮后备系统;⑨软件提供完整的审核追溯功能;⑩系统通讯采用传输控制协议和(或)Internet协议(transmission control protocol/internet protocol,TCP/IP)协议和软件控制,支持应用程序接口(application programming interface,API)编程,可进行二次开发.

(4)缺点:①标本存储量小,适合小型标本库使用;②市场占有率低,后期维护成本高.

2.7.2 Active Sample Manager(ASM)主动式样品管理设备

(1)产地:瑞士.

(2)操作方式:机械臂.

(3)特点:①兼容多种耗材,包括各种微孔板和试管;②储存模块可放置≤200 000个试管或2200个微孔板;③每h最多可处理120个试管架或微孔板;④可随时增加新的储存模块;⑤每个处理器模块拥有主动式融化系统、应用程序界面和整合的1D和2D条码阅读机;⑥通过自动存储管理(automatic storage management,ASM)系统,可创建用户自定义匹配文件以确定目标试管在储存架上位置,全自动机械手,可将样品传送到全自动生物样品自动化工作站或其它第三方设备;⑦储存灵活;⑧流程可安全性控制;⑨安装简单,无需对实验室进行大规模改造和投资.

(4)缺点:①不适合高危样品存储要求;②市场占有率较低.

2.8 SmartFreezer

(1)型号及产地:V180.20,意大利.(2)操作方式:机械臂.

(3)特点:①世界第1台实现完全自动化存储及智能化管理的液氮冷冻冰箱;②最早使用触摸屏的低温冰箱;③机械零件可在-180 ℃的超低温下正常工作;④样品存储区温度-180 ℃(气相液氮);⑤可使用不同形状、容积或类型的冻存管;⑥支持2D码或射频识别(radio frequency identification,RFID)标签;⑦SmartFreezer内置触摸式样品管理用户界面和FreezerPro®生物样本管理软件标准版,使用范围广;⑧多国语言(含中文、英文、德文、日文、意大利文等)操作界面;⑨可提供详细审核日志,具有良好的追踪性.

(4)缺点:①体积小,样本存储量小,存储17 000支1.4 ml或10 000支2.0 ml冻存管;②存储方式单一,只能存储2 ml和1.4 ml冻存管;③单次存储和提取样本量少;④无法单台设备上扩增样本存储区;⑤技术相对落后,机械臂已发生故障.

3 生物样本库自动化存储设备对比分析

有研究表明,每个品牌产品均有各自的优点和缺点,需根据具体需求而定[18].对小型样本库上海原能细胞(Origincell)的产品无论从成本、存储量、维护、维修和用户使用反馈意见均比较适合,具有一定价值.

3.1 保存箱空间利用率

样本积累到一定数量后,手工方式查找和存放样本非常困难且易出错,存放样本的容器(如冰箱和液氮罐)利用效率也逐渐降低,因开始样本是分类顺序存放,但根据科研需求的不同,取样会从容器的不同位置取走样本,一段时间后,容器中会产生大量的零散空位却无法有效利用,这就需要利用信息化系统进行样本存放位置的自动分配和查找,提高冰箱等容器的空间利用效率.

3.2 取样准确性

取样的准确性直接关系实验结果和研究结论,但有时却被忽视,要避免此问题出现,可通过已成熟的低温条形码标签技术,扫描条形码进行相关信息核对,可确保取样准确性[19-20].

4 展望

生物样本库自动化存储设备在中国普及是潜在趋势,合理选择适合的自动化样本处理设备,配备完善的信息管理系统,建立健全有效、便捷的样本使用方案,可将样本自动化管理优势真正发挥.今后,自动化存储设备的启用将在保证样本质量的同时,提高科学研究和应用开发效率,促进医学的研究事业更加快速健康发展,惠及广大使用者[21].