数据资料丰富的高品质生物样本是未来科学研究必不可少的。但是，获取和存储这些样本却并不如人们所想象的那么简单。对于生物库的建设来说，最困难的问题也许还是资金问题。
一些规模较大的生物库投资建立了样本跟踪、存储和检索的自动化系统，同时确保样本保存在某个恒定的温度条件下
如今，世界各地的冰柜或橱架上放满了许多人体标本，这就是一般所称的“生物银行”或“生物库”：将各种生物组织保存起来，供以后研究之用。这样的生物库包罗万象，其规模和所涉及的范围无比庞大，有来自普通人群的，有来自手术患者或活检患者的，也有来自刚死亡之人的。有些样本收藏可追溯到几十年前。例如，对原住民基因测序的一绺头发就来自于上世纪20年代英国人类学家阿尔弗雷德·C·哈登（Alfred C.Haddon）之手。哈顿从世界各地收集到的许多样本如今都保存在英国剑桥大学。
样本多为干血样或冷冻血样，也包括其他一些机体组织，如眼睛、大脑和指甲等。生物库的样本收集是根据不同需求而有所侧重，例如，以不同人群为基础的生物库收集的干血样本和健康数据用于确定乳腺癌遗传危险因素，而疾病生物库收集的肿瘤样本则用于揭示乳腺癌的不同分子形式。
仅储存在美国生物库的组织样本其数量在世纪之交估计已超过了3亿，并以每年2 000万样本的速度在增加。明尼苏达大学生物资源保存中心负责人艾利森·胡贝尔（Allison Hubel）称，根据兰德公司的报告，这些数字很可能被低估了。
即使如此，许多科学家还是提出他们无法获得足够的样本。在2011年对700多名癌症研究人员的调查发现，47％的研究人员说很难找到他们需要的样本，81％的人称他们的研究范围因此而受到限制，60％的人则表示他们因此对自己的研究结果持怀疑态度。
过去，研究人员在显微镜下检查生物标本，或对少数化学成分进行测试分析，现如今，他们研究的对象是成千上百个分子，其中包括DNA、RNA、蛋白质和代谢物等。尤其是以基因组为基础的各种研究正在普及，研究人员需要从中寻找遗传标记，需要更多的样本进行测量。“在过去20年里，生物医学研究人员利用生物标本的方式已发生了根本性的变化，”美国国家癌症研究所(NCI)的样本品质专家斯蒂芬·休伊特（Stephen Hewitt）说道。
温度之波动
“生物样本如果不经过适当的处理，其作用就可能受到限制，”马萨诸塞州剑桥博德研究所的克里斯汀·阿迪利（Kristin Ardlie）说道。她回忆起一个从胎盘组织样本分离RNA的项目，由于样本中含有太多的降解酶，经过多次分离均未能成功。原来研究人员起先将该样本放在-20℃的冰柜里，几个小时后再将样本转移到符合条件的-80℃的冰柜中。
液氮冷冻以阻止样本降解
“他们可能认为‘冷冻不就是冷冻嘛’，”阿迪利说道，但一般的冰箱温度并不足以阻止酶的降解。除了DNA之外，几乎没有生物分子能在-20℃的温度条件下保存完好。大多数样本可在-80℃的条件保存完好，但某些样本，如活细胞，必须保存在接近-200℃的温度条件下。只有在这样的低温条件下，酶的所有活动才会完全停止。
以不可预知的方式产生变化的分析物比没有任何分析物更为糟糕。一项研究表明，在对两个肿瘤标志物样本进行比较时发现，当场收集的血清与经过冷冻处理并在十年后解冻的血清比较，后者浓度增加了15％左右。在另一项模拟长期冷冻影响的实验中，研究人员检测了冷冻后再解冻其血清中多种肿瘤标志物的变化情况，一些蛋白质生物标记在几十年里，甚至经过多次冷冻解冻，似乎仍然保持稳定不变。然而，血管内皮生长因子――一种与糖尿病、关节炎和癌症等有关联的生物标志物，却是非常的不稳定，不适宜用冻结样本进行分析。
瑞士生物库顾问丹尼尔·S-杜巴切（Daniel S-Dubach）说道，样本是否已解冻过用以研究，然后再次保存，这不是所有的生物库都有记录的，对冷冻温度进行监测，也不是所有的生物库都能做到的。即使是短期的温度波动，都会使样本形成破坏性的冰晶。杜巴切曾看到研究人员为炫耀他们的样本，将冰箱门敝开了好几分钟。
冷储与技术
马萨诸塞州霍普金顿的汉密尔顿存储技术公司可容纳25万至1 000万个样本，在存取样本时，研究人员不需打开冰柜门，只需将样本试管放置在冰柜的一个传递口处，机械臂会将其移至内部的存储架上。研究人员甚至可以通过实验室的信息管理系统寻找所需的某个特定样本，根据他们的要求，系统进行检索并将检索到的样本存放在传递口处，完毕后，系统会通过电子邮件通知研究人员来取。温度保持在-80℃的冷冻系统还能够记录样本的存取次数，以及使用多长时间。
即使不考虑配置这类先进的冷冻设备，冷冻储存的成本也是十分昂贵的。NCI生物样本库的吉姆·沃特（Jim Vaught）说道，一次典型的流行病学研究项目就有可能产生1万名患者的10万份样本，需要5个冰柜存放，单个冰柜每年正常使用的成本达6 000美元。虽然冷冻被认为是保存生物分子和活细胞的最好方式，但其外形却有可能被破坏。
为了降低存储成本，大多数研究人员采用的是一个多世纪前的保鲜技术：将取自病人的机体组织浸泡在防腐剂福尔马林中，一些固形组织则嵌放在石蜡块中。马里兰州银泉联合病理中心至今保存了2 800万件嵌放在石蜡块中的样本，有的样本可追溯到一战期间。然而，从石蜡块中取出一小片组织薄片经染色后在显微镜下观察的方法不能有效保存生物大分子，这些生物组织细胞因缺氧而导致RNA降解，蛋白质发生变化，包括福尔马林也会致RNA和DNA遭到破坏。当研究人员试图恢复生物大分子，在去除石蜡时还会造成更多的破坏。
虽然从石蜡中可以提取DNA和RNA，但无法保证质量。销售室温条件下存放DNA和RNA专用设备的加州IntegenX公司副总裁迈克·霍根（Mike Hogan）认为，生物分子退化的原因并非直接源自于福尔马林，而是因为水解和氧化。冷冻能够让样本长期保存，是因为在较低温度条件下降解作用变得更加缓慢。IntegenX目前正在改进这方面的技术，旨在去除水分以减缓水解和氧化作用。如果这项技术改良成功，研究人员就能够利用福尔马林保存的样本来研究生物分子。
其他的一些改进方法则着重于在样本使用过程中如何去除福尔马林。2009年德国Qiagen公司开发的PAXgene系统产品，采用以酒精为基础的固定剂来保存生物分子，并用石蜡嵌放组织标本。该技术可使生物组织样本在室温条件下保存7天，4℃条件下保存4周，-20℃条件下保存几个月，样本形态和生物分子都不会受到损害。
这种保存方法正在替代深度冷冻。一项规模庞大的组织收集项目中有一个试点项目，其目的是利用以四种不同方式保存的几十种类型生物组织样本，进行基因表达和常见的遗传变异研究。基因型组织表达（GTEx）是美国国立卫生研究院（NIH）进行的一项合作研究项目，参与这一项目的还有选择PAXgene系统的一些研究所。美国人类基因组研究所项目总监杰弗里·斯特鲁威（Jeffrey Struewing）解释道，PAXgene系统不仅能够保护RNA，还可免除样本收集过程中超冷保存带来的运输上的麻烦。但PAXgene系统长期保存如蛋白质这样的大分子的效果究竟如何，现在断言还为时过早。“没有任何一种保存方法能够适用于所有样本或所有分析物的。”
样本之收集
一些最棘手的困难在样本保存之前就已经存在了。NCI所辖的生物样本库和生物样本研究办公室(OBBR)负责人卡罗琳·康普顿（Carolyn Compton）说道：“生物标本是人体的一部分，从体内分离时经历了前所未有的压力。”当血液供应被切断，并暴露在突然变化的温度条件下时，细胞的行为就变得很难预料。基因表达和蛋白磷酸化发生大幅度的变化，有可能激活细胞的自毁行为。康普顿指出，研究人员必须要弄明白，样本分析结果是否真实反映了来自患者的生物学状况，“在进行一次堪称完美的检测之后，得到的却有可能是错误的结果。”
研究人员正在开发对存储在蜡块中样本生物分子进行分析的最好方式
即使组织保存完好，仍有可能不能反映真实的生物学状况。“问题不仅仅是样本收集后的时间保存间隔，”休伊特说道，“而是样本在收集时已经缺乏活力。”从戴呼吸器患者身上收集到的与不戴呼吸器收集到的组织样本可能会有所不同，“如果在我划船后进行手臂肌肉活检，我的RNA信息与休息后进行的活检其结果也会有很大的区别。”
非住院志愿者的血液、尿液和唾液样本可以在预定点收集，但是固形组织样本通常是在医院急诊手术中收集到的，去除药物、麻醉药剂和血液残余的过程都会对样本质量产生影响。另外，样本冷冻之前在室温下停留时间的长短，使用固定液的类型，以及冷冻过程的快慢等都会影响样本保存的质量。
在OBBR于今年二月举办的一次会议上，奥马哈市内布拉斯加卫理公会医院病理学家吉恩·赫伯克（Gene Herbek）讲述了与外科医疗团队的合作经验，即保证组织样本在切除后的一小时内送达病理学家的实验室里。德国汉堡的一家生物技术公司可以在组织切除后的10分钟内进行样本收集，并由指定的护士与手术组一起进行术前准备工作，机体组织一旦被切除，即刻被送到隔壁专门的房间进行切片固定和冷冻处理。
“一般来说，从获取样本到开始处理的最佳时间在15分钟之内，”杜巴切说道。具体到不同器官是有所不同的，例如胃等胃肠器官的处理必须更快。验尸过程中收集组织样本的速度也很重要，收集人员要做好随时接收捐赠器官的准备。半数以上的组织样本可于死亡后6小时内收集和进行处理。
当组织样本被送到参与GTEx计划一方的博德研究所，在开始分析之前，阿迪利的研究团队会先将RNA分离出来，并以RNA质量完整性指数RIN（RNA integrity number）对样本进行质与量的检测，虽然这称不上是一种非常完善的措施，但至少可以将一些完整性极差的样本排除在外。
评估与规范
许多生物库专家发现，在分析中研究人员对样本品质问题较少考虑。2004年至2009年间发表在开放式获取必威体育备用地址 上的125篇关于生物标记物的论文，半数以上都没有提及样本获取、保存和处理的相关信息。这种情况也许并不奇怪，生物库模式的样本收集、保存和处理只是在近年才出现。OBBR成立于2005年，2007年首次发布了样本收集最佳方法的有关规定，并于去年发布了提高研究质量的生物样本报告。美国国际生物资源和环境保护学会于2005年首次出版了样本收集的最佳做法，并于2010年发布了样本预分析标准规范（Standard PREanalytical Code），详细描述了样本组织的收集范围以及收集方法。
欧盟也资助了一项被称为“通用预分析工具和体外诊断程序的标准化和改进”四年计划。这是一项由多机构参与的项目，由Qiagen公司居中协调，其目的是改进和规范体外诊断的样本处理。对此，沃特认为，公布的这类准则都是根据研究人员的印象和经验，并非是保存样本的最好方式。专业人员往往经过多次研究后形成了他们自己的一些做法，但没有正式公布出来。“目前并不存在建立在扎实研究为基础的统一国际标准。”
事实上，用于研究和维护生物样本质量的资源极为短缺，“人们希望有足够的资金用于研究项目和分析，而不是支持它的基础设施，”康普顿说道。仅保存50 000件样本第一年的启动成本就在300万至500万美元之间，这还不包括信息系统在内，为期十年的运营成本可能在1 000万美元以上，这对于维持样本库的日常开支是一个极大的挑战。
发展与前景
目前，有一些组织专门帮助研究人员获取其所需的样本，例如，人体组织合作网络（旨在改善获得人体组织的途径）是由NCI发起的一个横跨美国各地的网络，它要求研究人员从常规的外科手术和尸体解剖过程中获取组织和组织液。又如，宾夕法尼亚州费城的美国疾病研究交流中心专门收集较罕有的标本，眼睛等。其他一些国家也开始发起大型生物库项目计划（见“链接：英国生物银行介绍”）。泛欧洲生物样本库和生物分子资源研究平台（BBMRI）是欧洲各生物库形成的一个网络，其宗旨是让研究人员能够共享人体组织样本和数据。
包括加拿大魁北克省的基因组学公共人口项目（P3G），不仅提供样品收集和处理等方面的开源软件，同时也拥有自己的生物样本数据库。P3G研发主任、麦吉尔大学健康中心的伊莎贝尔·福捷（Isabel Fortier）认为，一项研究，甚至一个大的研究项目，都不可能拥有足够的样本。“对于已经收集到的数据，我们要赋予它们第二次生命。”
存储的生物样本通过条形码扫描可方便检索查找
有关样本的信息越多，对其他研究人员的价值也更大。比如，研究某种与癌症有关特定基因的科学家，如果拥有大量可供研究的肿瘤样本，就可以省去很多时间并节省大量的经费。辉瑞药物公司高级副总裁、BBMRI科学顾问戴维·考克斯（David Cox）认为，充分利用生物标本的方式是一种重新利用研究人员为他们自己的研究目的而收集样本的途径。“你不可能储存所有的样本或获得所有的样本，并将它们一一保存起来，这样的想法代价昂贵，而且很难保持质量。”与每个样本收集部门分别商谈样本的利用问题也是一种低效率的做法。他设想了一种松散协调的“卓越中心”模式：研究人员可存储样本，跟踪与自己研究方向有关的临床资料，同时也为共享和保证样本的质量作出自己的贡献。
考克斯说道，生物库的问题之一是如何建设？谁来买单？“有些人的目的是想利用某些生物样本获取利益，而不是建设一个庞大的生物库。”政府资金偏紧，制药公司只愿意资助能产生新产品的研究，而个人捐赠标本一般出于公众利益的考虑，而不是企业利润。需要有一种方式将生物库基础设施和相关信息“以竞争前模式结合起来，这样我们就可以对生物学有更好的了解，同时也能开发出更好的药物，”考克斯说道。对于生物库的建设来说，最困难的问题也许还是资金问题。
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣