生物樣本庫
——個體化醫學的基礎

趙曉航，錢陽明

生物樣本庫
——個體化醫學的基礎

趙曉航，錢陽明

第四屆中美臨床和轉化醫學國際論壇（The 4th Sino-American Symposium on Clinical and Translational Medicime）于2013年6月22—23日在中國北京成功舉辦。期間，就生物樣本庫建立與個體化醫學的研究進展對來自美國的Vicki Seyfert-Margolis博士和Trang Gisler女士進行了專題訪談。綜合新世紀轉化醫學中生物樣本庫建設與個體化醫學的關系，就新世紀醫學發展方向、建高質量特色樣本庫、生物標志發現與驗證、產業化加速轉化研究等方面逐一闡述。

個體化醫學；生物樣本庫；生物標志物；精確醫學

隨著生命科學的進步，新世紀的醫學正在發生許多變革，一種新型的醫學研究和醫療服務模式——個體化醫學（personalized medicine）正悄然興起。

1 新世紀醫學發展方向

近20年來生命科學高通量技術、計算機數據分析和處理能力的迅速發展，使科學家對人體各個系統的分析和認識能力達到了前所未有的高速度和高精度。基于特定生物樣本的多種組學（omics）研究，尤其是基因組（genome）、表觀基因組（epigenome）、轉錄組（transcriptome）、蛋白質組（proteome）、代謝組（metabolome）以及生物信息學的迅猛發展，醫學研究正從不同系統更精細地揭示著疾病的分子機制。這些海量數據，可以全方位地構建個體疾病分子特征，將改變基于癥狀的傳統疾病診療模式，而代之以“4P”，即前瞻性預測（predictive）、預防性（preventive）、個體化（personalized）、參與（participatory）的個體化醫學或精確醫學（precision medicine）模式的發展［1-4］。

傳統的疾病診治模式主要是基于疾病晚期或終末階段的臨床癥狀，而忽視臨床前疾病的生物學表型和危險因素，患者就醫時多為病程的中晚期，難以做到早期診斷；對疾病的定義和描述多以臨床癥狀為主，尤其是那些多種疾病共有的臨床癥狀，缺乏對疾病分子機制的區別；治療多以簡單的方式治療多種復雜的疾病，而患者更是被動地接受治療（表1），因而存在一定局限性。轉化醫學的核心是尋找和篩選各種分子靶標，用于疾病預測、早期干預，根據疾病發生發展有關的遺傳背景及相關因素，設計個體化治療方案，促進患者的主動參與和新藥的開發。

表1 21世紀個體化和精確醫學的特點

2 建高質量特色樣本庫

具有完整臨床信息的高質量生物樣本是21世紀個體化醫療時代的關鍵，是系統研究多種生命組學的基礎［5］。首先，生物樣本庫必須具有高質量，只有高質量和信息完整的樣本才能用于高精度組學分析。為此，美國國家癌癥研究所生物資源和生物樣本研究辦公室（Office of Biorepositories and Biospecimen Research，OBBR）和國際生物和環境樣本庫協會（International Society for Biological and Envrionmental Repositories，ISBER）制定了《生物樣本庫最佳實踐》的國際標準，從樣本采集、處理、保存、檢索與分發，以及倫理和相關臨床與個人信息數據庫等全過程建立了技術規范［6-10］；美國病理學會對從事樣本庫建立和商業化經營者建立了生物資源認證程序［11］。只有經過認證的樣本庫才有可能提供高質量的生物樣本，只有使用符合國際規范的高質量樣本，研究成果才能在高級別專業學術期刊發表，所研究的標志物、新藥和疫苗才有可能通過美國食品和藥品管理局認證［5，12］。

其次，生物樣本庫的建立和維護非常耗費人力和財力。因而，在建設之前要反復論證，要有明確和清晰的研究目的，根據所能支付的財力來設置采集樣本的類型、規模，以及樣本庫建設和維護的軟硬件設施。全世界每年要采集、處理、保存和分析數以百萬計的生物樣本，這是一筆巨大的開支。比如，粗略估算美國國家癌癥研究所2004年度僅研究院內部（不包括全國）的基礎研究涉及的生物物樣本花費就高達5 000萬美元［5］。目前有不少在建和已建的“生物樣本庫”研究目的并非十分清楚，人們只是先建了再說，這樣是非常低效的，甚至是一種浪費。雖然收集大量的數據不是一朝一夕的事情，但是隨著樣本庫中志愿者的信息不斷增多，在研究疾病相關原因時就能得到更多的數據。以國內外一些已經建立并運行良好的生物樣本庫為范例（表2），籌劃建立研究目標明確、特色明顯、規模適度的高質量生物樣本庫。

表2 國內外主要生物樣本庫及其特點

2.1 英國生物樣本庫（UK Biobank） 在建設之初經過近7年的反復論證和籌劃，由英國衛生部、醫學研究委員會、蘇格蘭政府和威康信托基金（Wellcome Trust）的醫療慈善機構資助建立，主要針對心臟病、癌癥、糖尿病和阿爾茨海默病等中老年疾病危險因素調查，于2007—2010年間總投資1億1 500萬美元，募集約占英國總人口的1%的年齡在40～69歲的志愿者，采集志愿者的血樣和尿樣，并跟蹤記錄他們余年中醫療檔案的健康資料，用以研究遺傳和環境的復雜互作與疾病風險，是目前世界上規模最大的前瞻性人類遺傳隊列研究生物樣本庫。對經過倫理委員會和政府理事會批準通過的英國和世界范圍內的研究人員開放，提供研究所需的生物材料和信息。自1999年成立至2010年底已有50萬人共1 500萬份血液和尿液樣本入庫［13-15］。

2.2 丹麥國家生物樣本庫 是全球最大的生物樣本庫之一，含有超過1 500萬份的生物樣本，收集和儲存有一個多世紀以來丹麥人的生物樣本，是“丹麥醫學研究的金礦”。僅有500多萬人口的丹麥，具有完備的人口登記制度和醫療體制，每個丹麥居民都擁有一個唯一的人口編碼，并將個人社會保險、生老病死等信息與之關聯。從出生到每次定期體檢和就醫，患者在醫院就診的每一個環節，包括用藥信息等都被準確、及時地輸入全國醫療系統網，與此同時采集包括組織、全血、血漿、血清、DNA等生物樣本。丹麥全國每天匯總到國家生物樣本庫的新增病理樣本約有1 000份，對標本試驗和分析過程產生的數據和與標本有關的信息，如人口統計學信息等都會輸入到系統中，構成一種獨特的生物資源［16］。

2.3 日本生物樣本庫 日本于2003年計劃用5年時間，投資1億8 000萬美元募集30萬例癌癥、糖尿病、類風濕性關節炎和其他常見疾病患者和健康個體，采集血液、尿液和組織樣本，及其個人臨床信息，通過對遺傳物質的高通量基因分型，研究遺傳變異與疾病和藥物作用的相關性，希望找到主要疾病的發病機制和有效治療方法，促進新藥和新醫療方法的開發。基于該生物樣本庫，2012年分別探討了前列腺癌、雌激素依賴性腫瘤、T細胞白血病淋巴瘤1A、系統性紅斑狼瘡、川崎病、甲狀腺功能亢進癥性低鉀型周期性麻痹、結核病、精神分裂癥和克羅恩病等疾病的遺傳變異及其發病機制［17-18］。

2.4 中國各具特色的生物樣本庫 中國近年也陸續建立了各具特色的生物樣本庫，例如天津協和干細胞庫、全美癌癥研究基金會天津醫科大學腫瘤醫院腫瘤組織庫、中國普通微生物菌種保藏管理中心、中國海洋微生物菌種保藏管理中心、生物芯片上海國家工程研究中心生物樣本庫和中國海軍特勤人員生物樣本庫等。其中，全美癌癥研究基金會天津醫科大學腫瘤醫院腫瘤組織庫成立于2003年，是全美癌癥研究基金會與天津醫科大學腫瘤醫院在中國共同建立的第一家腫瘤組織庫。目前，該組織庫已形成了具有國際標準化的腫瘤組織存儲信息系統，采集附有全部臨床數據的組織標本。由全美癌癥研究基金會投資100萬美元作為研究經費，合作開展細胞生物學、分子生物學、遺傳學、基因組學和蛋白組學等研究，旨在建立世界一流癌癥分子診斷基地，篩選新的抗癌藥物，開發癌癥早期診斷方法，建立新型抗癌藥物的臨床前實驗基地等［21］。

總之，生物樣本庫建設需要經過詳細論證，具有明確的科學研究目標，由政府、民間和企業共同資助，全民參與的高質量的特色生物樣本庫才能可持續，是“醫學研究的金礦”和21世紀個體化醫學的基礎。

3 生物標志發現與驗證

2013年是人類基因組計劃完成10周年。通過這個國際合作項目，科學家們認識了由4種核苷酸——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤組成的基因結構，確定了人類基因組中約2.5萬個編碼基因。此后，生命科學研究進入了功能基因組時代，通過各種組學研究揭示基因調控機制和詮釋基因功能。與此同時，隨著人類對自身健康和疾病狀態分子機制的認識，醫學研究和醫療保健進入了個體化醫學時代。所謂“個性化醫療”的設想就是在臨床疾病診治過程中，根據患者遺傳分子信息作出個性化的診斷和治療決定，提高醫療服務的水平。患者遺傳分子信息包含著同一種疾病群體中個體間的差異，可預測不同個體對藥物治療的反應，前瞻性地指導治療，避免失誤。認識疾病生物學機制依賴于高質量生物樣本及其個體臨床信息，那些含有遺傳分子信息的生物樣本，如組織或血液是個體化醫學和轉化研究的基礎。生物樣本和生物資源在個體化醫學中具有至關重要的作用，正如2009年3月TIME把生物樣本庫建設比喻為“正在改變世界的10大想法”［26］。

基于患者臨床生物樣本的高通量分子遺傳學和疾病分子譜的分析，有望克服傳統疾病診治的缺陷，實現基于個體化診斷的精確治療。例如，幾年前對年輕不吸煙女性進展期非小細胞肺癌的治療手段十分有限，通常僅有10%的患者對治療有效，治療獲益率不高還伴有嚴重的不良反應。近年，通過對腫瘤組織樣本進行多基因變異的分子分型，同時檢測幾千個疾病相關分子，獲得疾病的分子分型（molecular signatures），可以預測患者對抗腫瘤靶點藥物的療效，使患者從個體化診斷和治療中獲益［3］。未來醫學保健趨向是基于個體高質量生物樣本和信息基礎上的，依據整合多種組學數據和遺傳易感性，以及他／她實時生理狀態的個體遺傳分子特征譜的精確醫療保健之路。

在疾病基因組學研究中，隨著高通量基因分型技術的發展，以單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphisms，SNPs）和拷貝數變異為基礎的全基因組關聯分析（genome-wide association studies，GWAS）已廣泛用于多種復雜疾病的遺傳學研究，成為確定遺傳變異的常規方法。在過去的5年中，世界上開展了針對700余種人類疾病或性狀相關的約1 500項GWAS研究，發現了近8 000多個疾病相關的基因變異。SNPs在許多家族遺傳病和多基因復雜疾病中的重要作用已被大量的GWAS研究所證明。在普通人群中確定了與多種復雜疾病相關的遺傳表型，包括高血壓、脂類代謝疾病、2型糖尿病、腫瘤（如肺癌，特別是非小細胞肺癌、前列腺癌和胰腺癌）、帕金森病、風濕性關節炎等疾病相關位點和候選基因［27-30］；同時，開發不良反應小、療效高的藥物，有必要對服藥個體進行基因分析，確認藥物作用的最適合個體和最佳劑量。以“4P”醫學為特點的系統藥理學是一門新興的學科領域［31］。如能根據個體分子分型開發出不易出現不良反應的藥物，不僅能減輕患者的痛苦，還能削減因過量用藥而浪費的醫療成本。通過在大規模生物樣本庫中的驗證，日本科學家在2012年就研究了多種藥物的人群代謝差異，涉及紫杉醇誘導的感官周圍神經病變、選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑、人類白細胞抗原-A*31位點基因、新型支氣管擴張藥SPATS2L、三苯氧胺、干擾素、細胞色素P450 4F2 p.V433M位點基因、鹽酸坦索羅辛等藥物代謝分子分型等［17-18］。

今天，越來越多的臨床醫生和病理學家正在運用高通量組學技術分析疾病的分子變化。高通量組學分析技術革命促進了對疾病機制的認識，通過基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學分析，將會加速分子診斷和個體化治療等醫療保健方式的轉變，大大推進生物標志分子的發現和驗證進程。

4 產業化加速轉化研究

伴隨新醫學模式的出現，在下一代醫學研究中，無論生物醫學產業界、學術研究機構和政府機構對高質量生物樣本的需求將越來越大，一種專門提供規模化的、專業化的生物樣本庫輔助設計、運行和日常管理的商業化服務應運而生，并迅速形成了可觀的市場規模，包括樣本庫建立輔助設計與咨詢、樣本的運輸、樣本庫的冷鏈系統、樣本采集與保存的耗材、樣本信息數據采集系統與大容量數據庫等。據法國生物梅里埃（Biomerieux）2012年世界生物標志物大會報告，生物標志物驅動的臨床試驗啟動項目逐年增加，從2009年不足10項到2011年50多項。世界對生物材料的需求超過了供給，用于生物標志分子研發的生物樣本供不應求［32］。據英國Visiongain公司預測2010—2025年生物材料的銷售額將從2009年的84億美元增加到2014年的258.3億美元，而且增加的份額主要是商業用途［33］。生物樣本及其相關產業具有巨大的市場前景，服務性企業有助于高質量生物樣本庫建設。

個體化醫療依賴特異性強、敏感性好、檢測方便的生物標志物。全球醫療健康系統每年要花數十億美元用于研發個體化醫療相關的生物標志，大量候選疾病生物標志分子需要通過基于高質量生物樣本的驗證，才能最終從實驗室走向臨床應用；同時，生物樣本庫必須符合國際專業標準并通過相應的質控認證。在生物標志從實驗室研發到成為產品的過程中，需要通過符合美國食品和藥品管理局要求的臨床前和臨床試驗驗證。因而，具有完整個體健康和醫療信息的高質量生物樣本庫是成敗的關鍵。位于美國馬里蘭州，有近40年樣本庫建立經驗的“精確生物服務”公司（Precision Bioservices公司）成立于1974年，最初僅為美國國立衛生研究院（National Institutes of Health，NIH）的相關產品供應商，1979年開始為NIH提供生物樣本儲存和細胞保藏服務，2002年將工作范圍擴大到其他NIH合作者及產業委托人［19］。其參與國際ISBER標準制定，按照生物樣本庫的ISBER標準建設和維護，通過了美國病理學會生物資源認證程序，達到業界最高的產業化標準。其集研發和商業服務為一體，在生物資源保藏、生物樣本庫建設與咨詢和生物實驗室服務等方面處于領先地位，致力于幫助客戶開展從臨床前直到臨床試驗終點的規范臨床試驗；輔助有關自身免疫病、衰老、感染、腫瘤、心血管和血液疾病等大型臨床研究，以及新藥和疫苗的研發，提升市場轉化速度。

為了減少再住院的成本，針對出院患者及其家庭的商業化信息采集和咨詢服務正悄然興起。例如，“我自己的醫療信息”（MyOwnMedTM）就是致力于改變以供應商為中心的醫療保健系統，整合最新的醫學研究和計算機信息處理技術，建立一種以患者為中心的出院患者服藥和健康管理的醫療日記。將患者定義為健康共同管理者，通過手機操作幫助患者提高持續服藥，降低再住院率，改善健康，減少醫療保健費用，開展個體化治療。

我國上海，在政府和企業共同資助下，聯合多家高校、研究機構和醫院，在生物芯片上海國家工程研究中心建立了符合國際規范的組織庫和組織芯片庫。總投資近3 000萬元（人民幣），建立了大規模、高質量、臨床病理資料完備的腫瘤生物樣本庫，擁有國際水準的組織樣本收集、運輸、貯存的標準化流程，質量控制體系，安全監控系統與信息化管理系統；建立了大量診斷標記物、藥物靶點快速篩選／驗證的高通量組織芯片產品；開發了近300多種不同密度、不同類型的組織芯片產品，促進了生物標志分子和新藥的研發［24］。

總之，面對21世紀新的醫學變革，全球生物樣本資源庫建設迅速發展。我國是個多民族的大國，醫療保健市場和衛生經濟學負擔較大。與世界發達國家相比，我國的生物樣本庫建設起步并不算晚，但規模、質量、共享和全民參與程度還相對落后，來自政府、民間、企業的投資和捐助也遠遠不能與發達國家相比，由此不同程度地影響著我國具有自主知識產權的疾病分子標志、疫苗和藥物研發。需要從長計議，不斷學習國際上成功范例的經驗，遵循國際標準和倫理規范，選擇中國特色人群和高發疾病，建立和完善基于我國人群的高質量生物樣本庫，為21世紀個體化醫學打下堅實的基礎。

訪談人物簡介

Vicki Seyfert-Margolis博士，前美國食品和藥品管理局科學與創新監管辦公室主任，科技創新政策和個體化醫學、生物數據和信息管理高級顧問；曾任免疫耐受網絡項目首席科學家，參與發展和管理20多個大型生物科學儀器中心、25個生物標志分子的Ⅱ期臨床實驗研究；現為MyOwnMed創始人和首席執行官，以及Precision for Medicine的科學和戰略主管。

Trang Gisler碩士，MyOwnMed副總裁，前美國食品和藥品管理局專家，為經過認證的項目管理和臨床研究專業人員，參與國際生物和環境樣本庫協會關于生物樣本庫的標準制定、生物樣本庫的最佳實踐認證和轉化醫學研究。

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Biobank--the foundation of personalized medicine

ZHAO Xiaohang，QIAN Yangming
（Navy General Hospital，Beijing 100048，China）

In the 4th Sino-American Symposium on clinical and translational medicine，we have talked about biobank foundation and related research progress in personalized medicine with two experts Dr.Vicki Seyfert-Margolis and Ms.Trang Gisler who came from US Food and Drug Administration.This article summarized the relationship between the biobank foundation and personalized medicine in the new century.For future direction in translational research，building the specific high quality biobank，biomarker discovery and validation，and industrial acceleration are also reviewed.

Personalized medicine；Biobank；Biomarker；Precision medicine

R197.38

A

2095-3097（2014）02-0069-06

10.3969／j.issn.2095-3097.2014.02.002

2013-08-12 本文編輯：徐海琴）

“十二五”國家高技術發展計劃（863計劃）資助（2013AA041201，2012AA020206）

100048北京，海軍總醫院（趙曉航，錢陽明）