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关于新建(自动化)样本库的流程思考
(发布日期:2020-4-10 11:40:46)  浏览人数:123


生物样本库的规划与筹建工作一般多由医学、生物学背景的专家承担,然而由于在建库过程中往往会涉及到多专业的知识和复杂的决策流程,一旦某个环节出现疏漏就会造成更广泛的影响。自动化样本库的建设所涉及的信息和界面则更是纷繁复杂。

在此背景下,我们将基于以往经验,梳理整个建设流程的逻辑思路,抛砖引玉,供有建库需求的行业人士参考。

逻辑思路将分为一个前提+四个步骤,以下一一展开:




一个前提




统一认识:(自动化)生物样本库的建设是牵一发而动全身的系统工程,涉及环节繁多,且各环节之间广泛存在对接界面,在界面上各个环节间均可相互影响。所以明确此认识非常有必要,它能够时刻提醒我们在调整了一个特定环节后再去审视其它环节是否也会受到影响,需要做相应调整。




四个步骤




设置理想目标 > 将理想目标装进现实框架 > 核心产品选型与方案打造 > 明确配套要求

一、 设置理想目标

   a. 功能目标

我们可以将样本库功能的完善度分为三个级别,每个项目的目标级别都会有所不同:希望建立全流程可封闭化运行的样本库偏向选择功能级别3;而已经建有中心实验室的负责人会偏向选择功能级别1(如下图)。确定所需级别,即确定了新建样本库的功能目标。

   b. 选址目标

选址逻辑中首先应考虑的是样本提供者、样本使用者、样本管理者,三方需要明确。同时,这三方并不总是集中在一起,那么样本库与其中哪方距离最近所带来的最大收益或最小不便?有了答案,就能带有倾向性的挑选或争取场地。

之后,结合思考场地最佳面积、大型设备的通过性(如电梯条件、门宽)、承重条件、楼层、层高、是否靠近路边(更加方便建设液氮补给系统)等来定义理想的场地目标。

   c. 规模及温区目标

 规模和温区选择同样是需要定义的核心目标。规模的决策逻辑主要考虑以下几点:年度样本提供者的数量预期、涉及样本的种类、单个样本可用于下游检测的最小体积、每种样本的复份数量、规划使用年限等;温区的选择则具有相对更加复杂的决策逻辑:需要综合考量下游应用目标、微环境纯净度、分子在微环境中的稳定性、存储年限等。

世界知名样本库机构UK biobank,其决策路径非常具有参考意义,针对其保藏1500万份血液组分和尿液样本,最终选择了每3份样本中的2份存于-80°C,1份存于液氮。

如下图,具体决策逻辑参见:Paul Elliott, et al. The UK Biobank sample handling and storage protocol for the collection, processing and archiving of human blood and urine. International Journal of Epidemiology 2008;37:234–244)。


d. 品质建设目标

品质建设目标包含但不限于样本质量标准化、合规性、生物安全等目标。在近一年中,行业发生了许多变化,样本库行业的关注点由规模化建设向品质化建设转移的趋势十分明显。

新《人类遗传资源管理办法》对样本库管理合规设立运营及法人责任制进行了更加明确的定义;

ISO20387(GB/T37864)发布,成为行业标准化及合作互认的基石;

生物安全法呼之欲出,将明确上升到国家安全战略地位,样本库显然也是重点相关领域。

如何打造和实现高品质样本库,如何针对新趋势进行提前布局?我们需要综合多角度进行考虑:以标准化建设主体,以高度的信息化和自动化来保驾护航,同时辅以风险管理系统来使整个体系更加完善,最终为样本质量、生物安全等品质建设目标构建出牢不可破的堡垒。

二、 将理想目标装进现实框架

理想目标会受到实际条件的约束。

   a. 场地实际情况

场地是常见的约束条件之一,理想目标中的功能目标、选址目标、规模目标都会受到实际场地的限制。

   b. 资金资源情况

资金是另外一个常见的约束条件,往往直接影响规模、品质(如自动化水平)、温区选择(一般而言液氮温区的设备平均成本会更高)等。

实际操作中,现实框架的范围可能会远远超过上述两项主要约束。当无法满足全部理想目标时,我们则需要在理想和实际条件之间寻找折中点,尽量满足优先级更高的目标。

三、 核心产品选型与方案打造

当理想目标被纳入现实框架,实际需求就产生了,根据实际需求我们可以进行核心产品的选型和项目方案的打造。

   a. 确定准入门槛

确定准入门槛本质上是明确项目核心利益所在,每个项目皆可不同:例如涉及生产级细胞样本的保藏可能会要求样本存取时温度波动应小于某个固定值;又如涉及生物安全风险的样本保藏可能会要求所有样本都可进行自动权限管理和信息追溯;液氮价格低廉地区的项目可能会要求全部尽量避免采用压缩机制冷。设置好明确的准入门槛,能够筛选掉大多数无效选项以节省精力。

 b. 市场信息收集

参加行业会议会是较好的全面信息收集途径,咨询先行者以获取经验或联系行业领先的供应商也是获得市场全景的重要选项。

c. 建立客观评价体系

复杂产品(如自动化系统)要求建立更加客观全面的评价体系。决策者不宜完全基于供应商参数来架构评价体系,相反应优先考虑目标产品在自身应用场景中能够提供的核心价值,再将候选供应商的参数置入此价值体系中进行考核评判

(下图展示了一个液氮自动化样本存储系统的评价体系)

一个实践中的案例可以作为参考:在自动化超低温冷库项目中,绝大多数用户都会非常关注单个样本(冻存管)出入库时间。然而,经常被忽略的一点是使用自动化超低温冷库的用户一般面对的却都是一次多个样本出入库的场景,单个样本操作的机会少之又少;另外,多个样本出入库的时间也并非由单个时间简单累加而成。所以对这些用户而言,关注批量样本的出入库效率会比关注单个样本出入库效率更有价值。

   d. 打造配置方案

选型完成后即可结合实际需求打造完整的配置方案,该配置方案可以是多元的,能够分层满足对样本温区、品质建设的要求。

这里以一个中等规模的疾控保藏中心为例,其保藏需求一般分为三块:高致病性微生物保藏、非高致病性微生物保藏、人类及动物源样本。

这三块需求对温区和品质建设的需求存在区别

▫微生物保藏要求更长期稳定的环境故而对液氮偏好更高;

▫人类及动物源样本以体液为主故而对超低温偏好更高;

▫高致病性微生物保藏对生物安全保护和信息追溯的要求相对更高。

基于此区别,我们匹配的核心存储产品方案如下(产品功能说明见后):

Hatch™ 生物样本深低温全自动存储系统

气相液氮环境,样本存储区低于-180度

全自动挑管,挑管环境低于-150度

1mL 冻存管容量 > 40,000根

支持分级权限管理,支持信息追溯

支持预约取样、碎片整理等功能

软件系统对接完成,Ready to use

联机时可作为无人液氮库中的挑管工作站

Hatch™-Lite 生物样本深低温自动化存储系统

荣获ISBER2019杰出新品奖

气相液氮环境,样本存储区低于-180度

自动挑盒,自带样本转运桶

1mL 冻存管容量 > 40,000根

支持分级权限管理,支持信息追溯

软件系统对接完成,Ready to use

联机时可作为无人液氮库中的存储单元

Pelican™ 样本库柔性机器人

整合无人驾驶系统和自动行走底盘

在无人值守样本库中转运样本

实现人机界面上的样本交接

保证转运中深低温环境的维持

潜在的上下游自动化设备串联能力

Kiosk™ 超低温自动化冷库

-80度环境,机械制冷

替代超低温冰箱的高密度低能耗方案

全自动挑管,样本操作全流程低于-70度

1mL 冻存管容量 > 1,000,000根

支持分级权限管理,支持信息追溯

支持预约取样、碎片整理等功能

软件系统对接完成,Ready to use

四、 明确配套要求

正如开篇我们提到的,样本库系统化建设会牵一发而动全身,所以我们在确定了核心产品方案之后需要审视配套要素,以使得之后发生的装机、使用流程较为顺畅。核心产品必须能够运入目标场地并顺利装机,这就产生了基建对接要求;核心产品的正常使用会同时涉及到冻存耗材和样本信息管理软件的使用,这就产生了耗材和软件的对接要求,这一点对自动化产品尤为重要。

   a. 基建要求

基建与装修考虑的出发点主要包含以下几点:通过性(所有必经的通道、电梯、房间门的宽度与高度)、安装可行性(层高、面积、承重、强弱电、通风与氧气浓度监控、空调、上下水等)、使用便利性(楼层、场地周边是否适合建设液氮贮槽、是否方便液氮槽车运输等)。成熟的供应商会针对每一款设备提供完整的基建需求方案,也可要求供应商进行现场勘测。

   b. 耗材要求

自动化的耗材包容性低于人工,所以耗材的标准化是自动化应用的前提。选择自动化适配的耗材一般建议考虑以下内容:可批量识别(使用带有底部二维码的冻存管,且冻存盒孔底镂空)、规格统一(系统内多种规格会降低空间使用效率并增加用户操作步骤)、高均一度(冻存管尺寸容差率不高于0.2mm,且无明显毛刺)、可抓取性高(冻存管与冻存盒间无锁扣,冻存管不用调整方向即可自由落入孔底,且在孔中无明显晃动)。事实上,上述的几点要求也只是基本需求,最有保障仍是选用供应商已经过全面测试的耗材。

 另外很重要的一点是,如果用户有不符合上述要求的耗材(如部分存量样本或第三方来源的样本)也希望能够存入自动化系统,也并非不可实现。在此情况下,我们需要降低自动化的级别,将非标冻存管尽量存入标准化的冻存盒中,然后以盒为单位进行自动化管理,从而达成折中方案。

标准化耗材

(冻存管级自动化)

非标准化耗材

(冻存盒级自动化)

   c. 软件要求

在人工为主的样本库中,样本信息管理软件只提供与人的交互界面即可,因为非自动化设备内部结构十分近似;而在自动化样本库中,样本信息管理软件除了人的界面之外,还需要提供与自动化设备的交互界面,此界面无法完成自动化设备就无法正常投入使用。目前,大多自动化设备标配的软件不足以对全库样本进行管理,所以这个界面就需要由硬件供应商和软件供应商来对接完成。这个对接过程往往是对两方供应商的考验,因为其中会更加深入的理解用户的使用流程、复杂情况处理等场景,这既需要大量专业经验积累,也需要细致了解每一个用户的流程细节。所以,如果自动化设备和样本信息管理软件若非一个供应商提供,我们建议决策者为两方供应商均提供预期:他们需要进行具有一定挑战性的对接工作。





基点生物目前已具备了多家自动化样本存储系统的装机经验,并已与行业内具有丰富经验的使用者们进行过大量的关于使用场景的深度讨论。基于这些积累,基点已联合合作伙伴共同开发了兼容基点自动化产品的样本信息管理软件(已在多处投入使用);同时基点也已具备与多家主流软件供应商对接的经验,并可提供接口协议,随时准备与用户指定的软件供应商进行对接。


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