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“中国智造”让生物样本存储更安全 管理更智能

来源:  科技日报       作者:陈曦      发布时间:2021-4-28 16:35  |  

生物样本库是融合生物样本实体、生物分子信息以及样本表型数据的综合资源,对于开展人类疾病的预测、诊疗,以及物种资源保护、作物改良创新等具有不可替代的作用。

在近日举行的“第八届中国(上海)国际技术进出口交易会”上,上海原能细胞生物低温设备有限公司(以下简称原能生物)展示了最新一代全自动深低温生物样本存储设备,及其与5G-loT、数字孪生等技术的创新融合成果。未来只需一部手机,客户即能实时查看生物样本存储信息。这种生物样本存储的服务新模式,将真正实现生物样本库的智能、安全、高效运营,让生物样本更安全。

生物样本资源被视为生物医药产业的发展基石,也是国家生物安全战略的重要组成部分。随着《中华人民共和国生物安全法》的正式施行,生物样本资源的重要性愈发凸显。如何安全、长期、有效地保存这些珍贵的生物资源,也成了亟待解决的重要问题。

生物样本资源涵盖范围广

“生物样本涵盖的范围比较广,比如植物组织的花、叶、茎、根和种子,健康和患有疾病的人或动物的细胞、组织和器官,也包括DNA、RNA、蛋白等生物大分子物质以及各种微生物。”南开大学药物化学生物学国家重点实验室研究员帅领介绍,生物样本被保存在生物样本库即“生物银行”中,可以用于疾病的临床治疗、生命科学的研究以及物种资源的保存等。

生物样本库是融合生物样本实体、生物分子信息以及样本表型数据的综合资源,对于开展人类疾病的预测、诊断以及治疗研究具有不可替代的重要作用。

医生们将患者临床诊疗过程中所产生的组织、血液、尿液等,如手术切除的肿瘤组织,或者患者的血液样本等生物样本保留下来,通过观察和各种检测手段,从样本中找到共性,从而摸索出疾病的产生原因以及发展过程,最终寻找到可靠的治疗方法。

“这种生物样本库为血液病、免疫系统疾病、糖尿病、恶性肿瘤等重大疾病的研究起到了非常重要的推动作用。”帅领说。

除了临床研究外,生物样本库还会直接用于临床治疗中。比如我们熟悉的脐血干细胞库,将胎儿的脐带血保留下来,以备患血液疾病的时候,将脐血中的干细胞复苏并回输给患者,从而达到治疗疾病的目的。

此外,在物种资源保护方面,生物样本存储的意义也同样重大。以种质库为例,目前,我国高等植物中濒危和受威胁的种类已高达4000至5000种,约占总种数的15%—20%。通过种质库,部分物种的安全得到保障,也使我国野生生物种质资源快速高效研究利用成为可能。种质库在作物改良和创新、新作物筛选、生态恢复和野外回归方面都发挥了巨大作用。

技术创新让样本管理更智能

生物样本资源的迫切需求与日俱增,对生物样本存储的数量和质量也提出了更高的要求。特别是在医学研究发展到组学、系统分子医学层面的今天,生物样本量已累积到天文数字,以往粗放式的生物样本库,已经不能满足日益增长的需要。

“在很多医院、研究机构,还使用很‘原始’的生物样本保存技术。”原能细胞科技集团副总裁兼市场总监韦嘉介绍,传统的生物样本存储模式,不但存储设备的自动化、智能化程度不高,且操作标准不一,存在样本保存不当、丢失出错、无法信息化管理、人工低效等问题。

之前市面上仅有的生物样本自动化存储设备被国外品牌垄断,一套设备动辄百万欧元,价格昂贵。“为此我们100多人的技术研发团队决定自己动手,攻关研制拥有自主知识产权的国产设备。”韦嘉说。

原能生物以保障“生物样本安全”为出发点,创新性提出“全流程深低温冷链保护”“蜂巢式独立单元存储”“单支存取”“5G-loT远程智慧样本库管理”“无人值守样本库”等先进理念,打造新一代生物样本库需求的自动化产品,让生物样本更安全。

其中,旗舰产品BSN系列全自动深低温生物样本存储设备,采用独创专利的蜂巢式存储结构,可为样本提供-196℃气相液氮的无氧存储环境,能够有效保障样本的安全和质量。

“这款设备的核心存储区,由特制工程材质打造,因此可以防辐射、避光。”韦嘉介绍,蜂巢式独立单元的设计,在避免干扰的同时,可在存储样本时形成烟囱效应,冷气流方向从下往上,保持内部气流稳定,杜绝湿气进入,因此可避免结霜,实现无氧储存,且蓄冷均衡。

“新一代生物样本库还采用领先的自动化、智能化存储设备,实现对样本的全流程深低温保护、无氧存储、存取各环节数据记录完整可追溯等。”韦嘉介绍,该生物样本库融入5G-loT技术,链接库内各类设备,实现数据互通,保障样本库数据安全、人员安全,让样本管理更智能。

“比如我们应用了人工智能数字孪生技术,通过把机器数据放入数据模型进行模拟计算,可以进行预测性维护,以确保机器长时间保持良好的运行状态。”韦嘉介绍。

目前,原能生物已累计申请国内外专利近300余项,软件著作权近30项,技术领先世界。相关设备已出口到美国、日本,实现了国际赛道的“弯道超车”,真正做到了自动化低温存储装备领域的自主可控。

样本数据可直接对接科研机构

“随着精准医学与遗传学研究的快速发展,生物样本库成为鉴定多种疾病及发病机制的重要基础。”帅领介绍,生物样本库的信息量非常巨大,它不仅包含样本的收集,也包含样本相关生物体或人体数据的采集和随访。因此在精准医疗方面的研究,生物样本库能发挥重大作用。

生物样本库在代谢组学中也应用广泛。最常见的人体代谢物是尿液,尿液相对于血液样本收集更加方便易行。2013年的流行病学调查显示,我国成人糖尿病患病率为10.9%,糖尿病前期患病率为35.7%,据此推算,目前我国糖尿病患者已达14831万。利用我国丰富的糖尿病样本资源,结合定量蛋白质组技术以及对尿液的代谢组学进行分析检测,有助于糖尿病早期发病的预测和临床诊断,可提高我国代谢性疾病的临床诊治水平。

此外,生物样本库在药物研发行业也被广泛应用。新药研发领域有一个很大的障碍,就是生物样本的来源需要检验,既耗时耗力,又需要投入很多金钱。有了包含各种信息的生物样本库,新药研发的效率就会得到明显提高。

“可以说,具有完整临床信息的高质量生物样本库是21世纪进入个体化医疗时代的关键,是进行生命科学系统研究的基础。”帅领表示,利用生物样本库平台可以有效提高临床研究的准确性,也可以将我国丰富的临床患者样本资源利用起来,通过临床研究转化为临床医疗手段,造福人类。

(编辑:于思洋

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