气相液氮罐的应用与疾病生物样本库建设与管理

气相液氮罐的应用与疾病生物样本库建设与管理

大数据时代加上现金最炙手可热的细胞治疗。研究者更关注样本的生物信息数据与疾病临床信息的相关性，通过大样本的关联分析，来预测疾病的发生、发展与转归。疾病生物样品库便是关联疾病临床信息与样本生物信息的桥梁与核心，是生命科学基础与临床研究的关键源头，是进行大样本验证、快速实现生物医药转化医学的核心环节。近几年，我国疾病生物样本库与转化医学得到政府与科学家们的高度关注、医院领导与专家们的高度重视、企业与技术部门大力支持，广大科研、医务工作者的积极响应，呈现良好发展势头。从样本资源来说，中国最大的特点是样本资源量大，资源种类多样化。在中国一个月的就诊数量，在国外达到同样的病例数可能要几个月，如胸腺肿瘤类，据说整个欧洲的例数甚至少于中国的一家三甲专科医院。目前，我国生物样本库有专家库、科室库、多学科库、重大项目库、医院库、区域库等，不少医院（尤其三甲医院）纷纷着手建立自己的样本库，其中有精品库、价值库、特色库，也有不少垃圾库、死库。

疾病生物样本库建设

建设样本库的基本原则建样本库是安全、准确、便捷。其中安全包括样本生物安全、样本信息安全、设备运行安全；准确包括样本信息准确、样本存放取出位置准确；便捷包括工作流程便捷、软件系统操作便捷、信息交流便捷、硬件软件耗材供应及技术支持便捷。样本库通常由基础设施、冻存设备——主要由气相液氮罐构成、冻存耗材、编码及读码设备、监控设备、管理软件和人员配置构成。合理的架构及流程可以保证样本库运行安全、准确、便捷。

基础设施

基础设施一般包括质检室、样本处理室、冰箱室、气相液氮罐设备室、监控室、空调设备、备份电源等。其中需要注意的是：冰箱是产热设备，需要和液氮设备分开放置。立式冰箱如不能背靠墙摆放，可保持一定距离背对背摆放。考虑到超低温冰箱目前仍是组织库的主要存储设备，在运行过程中会大量产热，配备样本库空调时对其功率和性能可靠性需要给予足够的考虑。备份电源也是样本库的基本配备。在供电不够十分稳定的地区，在选择冰箱时还要考虑到冰箱的温度绝缘性（即满载样品时断电后温度上升的速度）。当样本容量足够大时，还需要考虑使用自动化取放样品的设备。对于特别重要的样本，条件许可的情况下可以将样本的备份分开放置于不同的物理地点以增加安全性。

基本设备

⑴-80度冻存设备（超低温冰箱）：超低温冰箱稳定工作的温度通常在-800C左右，在取放样品的时候很容易升至-600C的再结晶温度范围，容易造成样本生物稳定性的衰减。所以在选用超低温冰箱的时候制冷能力（速度）是一个关键参数。制冷能力强的冰箱能够在温度受到扰动的，快速降至设定的温度以尽量减少对样本的伤害。另外，由于样本库的目的是长期存放样品，超低温冰箱需要在满载情况下多年不间断运行，对其可靠性和温度稳定性都比普通实验室的要求要高。样本库的冰箱需要有运行温度的连续记录功能，以便追踪温度波动。

⑵-140度冻存设备（气相液氮罐和深冷冰箱）：气相液氮罐和深冷冰箱是实现-1400C长期样品储存的常用设备。这两种方法因为不存在液氮进入样本内的风险，因而储藏期间没有样本间交叉感染的危险。深冷冰箱是相对较新的一种设备，从近几年的客户使用反馈来看，在满载样品的情况下能够实现-140~-1500C的稳定环境，得到了越来越多的应用。气相液氮罐是更受广泛认可的方法，美国国家癌症协会等机构的样本库操作规范文件中均推荐使用气相液氮罐长期储存组织样本。气相液氮罐是在液氮容器中加入一定量液氮，样本储存在容器中不与液氮直接接触的空间。液氮容器内气相区间的温度最低（容器口处）不高于-1400C。较少的样本量可以使用液氮罐储存，尽量使用适配冻存盒的液氮罐消耗的液氮量较大一些，但由于其取放样品的便捷以及样品不易落入液氮罐的特点，越来越多的液氮罐用户采用了这类配置。大量的样本对取放的便捷性及液氮加注自动化要求更高，目前主要使用液氮储存箱。通常需要液氮自动检测设备和自动加注设备，包括液氮供应罐、液氮塔和液氮管道等。

⑶-196度冻存设备（液氮罐和液氮储存箱）：液氮罐能使样本维持在-1960C的低温，是目前技术条件下所能达到的最佳样本库保存温度。与气相液氮罐相比液氮液相更易实施，液氮罐内可装满液氮，储存更多的样本，但对盛装样本的冻存管等耗材的要求更高。冻存造血干细胞的血袋可以直接在液氮内储存，但冻存管不能直接放入液氮内储存，需要经过处理，要求严格的可使用冻存管套对冻存管全身密封，这一方法需要更高的冻存盒和更大间隔的冻存架。简易方法是可使用密封膜对冻存管管帽和管身接合处密封，一些常用10x10底部间隔的冻存盒即可兼容，不需要特殊的冻存管架。从目前客户的反应以及文献来看，这一方法虽然简易，但效果还比较可靠。

监控设备

监控设备包括冰箱温度探头、冰箱运行温度记录，液氮罐液位监控、远程报警、视频监控等。超低温冰箱和深冷冰箱都需要实时监控温度。尽管很多厂家在设备上有温度测量和数据输出装置，不少用户选择另行安装温度探头单独监控温度。温度探头的位置建议放于冰箱温度最高的底部区域以确保样品安全。冰箱的运行温度记录也是基本的要求。远程报警系统目前常用手机报警结合网络报警。温度探测装置会将超过正常温度范围的警报通过在冰箱等设备中预制的手机SIM卡自动给相关管理人员手机短信实时报警，同时相关信息也会通过互联网或数据线向管理软件系统报警。近年来视频监控逐渐成为很多实验室的常规配置，除了在走廊、出口等处安置常规摄像头监控外，在样品处理、冷冻等关键操作环节安置可调焦距的高分辨率摄像头可以远程实时监控并记录操作人员的操作细节是否规范，对加强人员管理保证样品质量很有帮助。

其它设备

样本库通常还需要进行一定的样品运输和转移。-20度样本转移一般用冷凝胶包（Gel pack），-700C用干冰，-1500C以下用液氮运输罐。为避免包裹递送因意外原因延误，样本包装里需要配备至少24小时的制冷剂余量。冻存管架直接影响容器样本存储能力，需要根冻存设备、耗材的类型具体选用或定制。样本量特别大的库还可能用到自动化存取设备，这一方案目前只和-800C设备配套使用，需要使用特定的管理软件冻存设备。

所有来源于人的样本都被认为是具有潜在感染性和有害的，必须经过相关病原体检验和相应处理才能入库。样品处理必须在生物安全柜内进行。生物安全柜能实现对样本洁净性以及操作者和环境的同时保护，但超净台的风是由里到外吹的，只能保护样本的洁净性，不能保护操作者和环境免受潜在病原体的危害。

冻存耗材

与普通实验室相比，样本库的样品保存时间更长，对样本中各种成份稳定性和完整性的保护要求更严格，使用数量更大，因此对耗材的性能特点及规格挑选有更高的要求。

目前样本库常用的样本存储耗材是1~5 ml的冻存管，其中2 ml的冻存管是最常用，有些厂家把实际容量2 ml和5 ml的冻存管分别标称为1.8 ml和4.5 ml的工作容量以提醒使用者不要装满，防止液体冷冻是体积增加破坏密封性。除了常规单个使用的冻存管，还有一些按96孔板大小整版存放的冻存管，使用专门设计的形状和管盖，以便使用自动化机械手臂操作。

由于聚丙烯（Polypropylene, PP）能够耐受低温（-1960C），具有相对较低的液氮渗透性和较好的化学试剂耐受性（如DMSO），因此聚丙烯被最为普遍的用于制作冻存管。冻存管作为生物样本储存过程中直接与样品接触的物质，其原材料的可靠性级别也直接影响了所装载物质的安全性。聚丙烯材料的级别可基本从四个方面去判断：纯净性、无菌性、化学耐受性和对生物分子（细胞、蛋白、RNA和DNA等）的吸附性。

美国药典（USP）将塑料等级分为6级，其中6级塑料需进行多项与细胞接触性反应测试，以确保其对细胞的毒性最低，可用于医疗器械产品的制备。因此在样本储存中建议尽量选用的塑料冻存管为超纯医用级原始树脂，并能通过USP Class VI的测试。长期储存过程中冻存管材对生物大分子的吸附性是十分重要的考虑因素。对血样，尤其是提纯的微量生物大分子样本来说，普通的塑料管材容易在长期储存中因吸附而造成样本内某些生物大分子浓度降低，破坏样本的完整性。因此样本库中建议使用专用的性能可靠的冻存管，不建议使用微量离心管等非专用耗材。另外为了更好地长期保持密封性，美国国家肿瘤协会组织库建议使用带有螺纹密封的冻存管，不建议使用插拔式或者弹出盖子式的耗材。冻存管的螺旋有内旋和外旋之分，外旋是为超低温冰箱设计的，内旋是为更低的温度比如液氮气相或深冷冰箱设计的。但液氮内直接存放冻存管需要对冻存管进行进一步的防护，以免液氮泄露。液氮泄露进冻存管不仅容易造成冻存管在化冻时爆炸破坏样品并危及操作者，更严重的后果是造成样本间交叉感染。冻存管的无菌程度也是一个重要指标，尤其是对于将来可能用于临床使用的样本，尽可能满足或者接近2010年新版中国药典对耗材的要求（SAL 10-6）。

对于一些体积较大的样本，目前市面上Nalgene有一款15ml的广口无菌冻存管可用于5-15ml的液体或者较大的组织器官储存。更大的液体体积可以使用血袋。广口无菌冻存管和血袋能够耐受-1960C低温。

样本管理信息化

普通实验室手写标记的冻存管已经很难满足样本库的大容量冻存需求。一种常见的解决方案是现场编辑并打印一维或者二维编码及样本信息，然后手工粘贴到普通冻存管上。另一种解决方案是选择厂家激光蚀刻了二维编码的冻存管。从编码的识别性和牢固度等多种角度比较两种方案，后一种方案在实际应用的优点是显而易见的，也是目前发展的方向。预设二维码的耗材成本整体来看高于现场打印编码方案，但打印编码的方案对标签纸张、打印质量、粘合剂都有特殊的要求，需要耐受长期低温储存及一定的湿度，普通打印纸和普通油墨容易发生标签脱落、字迹模糊和油墨成本如铅等污染样本。这些额外的成本甚至能和普通冻存管价格相当，需要在做预算的时候加以充分考虑。纸质的冻存盒是普通实验室早期使用的冻存盒，近年来已经被聚碳酸酯的冻存盒替代，尤其是在-1400C以下的温度。样本库对稳定性可靠性的要求比一般实验室更高，建议使用聚碳酸酯的冻存盒，有些聚碳酸酯的冻存盒在需要的情况下还可以高温高压灭菌。有些标准尺寸的聚碳酸酯冻存盒使用底部柱形间隔可以放置10x10个2 ml或2 ml 以下外旋或者内旋冻存管。同样外部尺寸的纸质冻存盒的间隔设计通常只能放置9X9个2 ml外旋或内旋冻存管。

在样本库潜在样本容量较大的情况下，需要使用二维编码，这时预制二维编码就体现出了难以替代的优点。首先纸质标签上打印的二维编码经过长期冷冻之后识别率比较低，因此目前使用的一维和二维混合打印编码的标签实际上主要还是依赖一位编码提供可靠识别。其次预制二维编码管能够实现快速读码，更能满足样本库高通量需求。预制二维码的冻存管采用96孔板的储存格式（SBS footprint），可使用自动化读码仪一次性从底部读取整板上所有的冻存管，从而尽量减少取样时间，降低读码取样过程中样品升温造成的伤害。

由于不同的样本库在编码读码设备、监控设备、冷冻设备、耗材、样本容量等方面有较大的差异，管理软件通常是根据用户的具体配置和要求量身定做的，有些情况下还需要与实验室其他管理软件整合，并在后期的使用中根据需求和反馈进一步改进。由于管理软件、设备及耗材编码设备为一个整体系统，所以在选择软件时应考虑系统兼容性。软件对监控设备、报警设备的整合、界面友好程度、可扩展性和稳定性也都是重要考虑因素。另外管理软件中对样本信息需要设置管理权限以保证样本来源的隐私。管理软件有设备/耗材厂家配套提供的，第三方软件公司提供的，也有样本库根据自己的需求自行制作。

疾病生物样本数据库作为大数据时代重要的资源，对疾病的发生、发展、转归以及治疗的研究意义重大。实现样本库的质量管理、信息数据结构化与标准化数据共享将是大数据时代样本库建设的三项关键任务。其中，疾病生物样本及其信息的质量管理将决定并影响研究的结果。因此，实现疾病生物样本的质量管理制度以及相关质量检测方法，实现样本库质量的持续改进，将有助于疾病研究的发展。