中國慢性病前瞻性研究的標準化生物銀行建設

郭 彧，孫孿孿，譚云龍，李立明

·述 評·

中國慢性病前瞻性研究的標準化生物銀行建設

郭 彧，孫孿孿，譚云龍，李立明

慢性病已經成為威脅人類健康的主要殺手。隨著組學時代的到來，大型人群為基礎的生物銀行將會為慢性病的預防和治療開辟新的領域。標準化的生物銀行將成為基因組學、蛋白組學及代謝組學等研究的重要資源，是將科研成果迅速轉化為與人群健康相關的干預措施、政策策略的重要保證。本文就建立生物銀行的目的和意義，國內外主要人群為基礎的生物銀行建立和管理情況進行簡單綜述，并以目前國內最大的中國慢性病前瞻性研究為例介紹該生物銀行管理和運行情況，以期為同類研究提供參考。中國慢性病前瞻性研究于2004年起在中國10個省的10個地區開展，共包括51萬余人，通過問卷、體檢和生物樣本的采集，以及發病和死亡監測等方式長期跟蹤隨訪，建立中國人群的基礎健康數據庫，是目前世界上最大的涉及長期保存血液樣本的前瞻性人群隊列研究之一。

慢性病；生物銀行；轉化醫學；隊列研究；流行病學

世界衛生組織2011年報告顯示，2008年全球由慢性病引起的死亡占到總死亡的63%，在中低收入國家，慢性病成為60歲以下人口的主要死因，嚴重影響了勞動力人口。與發達國家相比，發展中國家面臨的慢性病挑戰更為嚴峻，在我國2008年由慢性病引起的死亡人數占總死亡人數的83%[1]，同時還存在著發病年齡前移的現象，尋找積極有效的慢性病防控措施成為了現階段我國慢性病防制工作的重點。

目前，對于主要慢性病已經形成明確共識的重要危險因素包括吸煙、不合理膳食、少體力活動、過量飲酒等可變因素[2]，但是對于遺傳因素及遺傳和環境交互作用對于慢性病的影響尚無一致性結論。已有研究多采用病例對照研究、病例系列研究和橫斷面研究，研究中較少完整收集調查對象的生物樣本信息，因而研究的證據力度小[3-6]。人類基因組計劃的完成、基因組學的發展，為人類認識慢性病的致病機制創造了新的條件和手段，為實現分子診斷、基因治療的新方法提供了理論依據。因此，積極開展大規模前瞻性人群流行病學隊列研究，建立人群為基礎的生物銀行(biobank)，高效地收集和利用同時包括遺傳和環境因素的大規模人群研究數據，對探討影響慢性病致病和易感性的因素、有效地預防和控制慢性病具有極為重要的意義。

1 生物銀行概念

生物銀行，又稱生物樣本庫，是指通過標準化的流程，收集并長期儲存人體生物樣本(例如血液和DNA)及樣本采集對象生理、病理信息的資源庫[7]。從流行病學的角度看，大多數的生物銀行本質上是大樣本的人群前瞻性隊列研究，不同之處在于前者在收集傳統流行病學危險因素的同時兼顧收集并長期保存調查對象的生物樣本資料[8]。生物銀行主要分為疾病資源庫和人群樣本庫兩大類。前者主要收集已經患有某種(或幾種)疾病的人群中相關信息及生物樣本，主要用于指導臨床實踐，例如美國國家級腫瘤樣本庫；后者主要是從一般人群中收集健康相關信息，主要用于指導人群健康及預防疾病，例如英國生物銀行(UK Biobank)[9]。目前，包括我國在內的許多國家已經建立或者正在建立大規模的人群生物銀行，開啟了慢性病病因學研究的新天地。

2 國內外生物銀行建設現狀

20世紀末大型生物銀行逐漸興起于歐美國家(表1)，冰島于1998年最先提出生物銀行計劃，計劃將全國27萬名公民的健康記錄建成衛生部門數據庫，再與研究人群詳細的家譜(genealogy)和遺傳資料相結合，構成冰島生物銀行資料庫系統——基因型、譜系及表型數據庫。UK Biobank于2006—2010年在50萬名年齡為40～69歲的人群中收集血液樣本和與之相關的詳細生活方式資料，追蹤10～15年。除此之外，美國、加拿大、日本、瑞典、新加坡等國也都在積極推進生物銀行項目。這些生物銀行樣本規模大小不等，但都是收集遺傳、生活環境相關信息，以及患病情況。通過長期隨訪監測資料與生物樣本資料的結合探索遺傳和環境因素對于疾病的影響。與此同時，國際上已經成立相應的機構或組織對生物銀行的建立和管理進行標準化，例如國際生物和環境資源協會、歐洲生物銀行與分子生物資源研究中心，極大地促進了不同生物銀行之間的交流和資源共享。

表1 目前國外主要大型人群為基礎的生物銀行

與此同時，我國也在推進生物銀行的建設，在以醫院疾病資源庫為主的生物銀行建設基礎上，上海、廣州、泰州、北京等地已經建立起人群為基礎的生物銀行(表2)。目前，由于缺乏統一的標準，不同的生物銀行在建設過程中大多根據自身條件完成，在建設質量和管理水平上存在較大差別。為此，本文以目前國內最大的人群為基礎的生物銀行，同時也是世界上最先進的生物銀行之一，即中國慢性病前瞻性研究(China Kadoorie Biobank，CKB)為例，介紹其生物樣本的標準化管理流程，以期為同類研究提供參考。

表2 國內主要大型人群為基礎的前瞻性生物銀行

3 CKB的生物樣本標準化管理流程

2004 年中國和英國合作啟動了一項大型的CKB，項目旨在通過建立基于血液的基礎健康數據庫，從遺傳、環境和生活方式等多個環節深入研究危害中國人群健康的各類重大慢性病(如腦卒中、冠心病、癌癥、糖尿病、高血壓等)的致病因素、發病機制及流行規律和趨勢，為有效地制定慢性病預防和控制對策、開發新的治療和干預手段提供科學依據。項目在中國10個省的10個地區(5個農村、5個城市)開展，共包括51萬余人，持續時間15～20年，是一項多因素、多病種、多學科合作的大規模慢性病病因流行病學研究，也是目前世界上最大的涉及長期保存血液樣本的前瞻性人群隊列研究之一。

CKB項目自2004年1月1日正式啟動，采取整群抽樣的方法，以城市居委會和農村的村為單位，對選定調查點符合入選標準的35～74歲成年人進行一次全面的基線調查，全面了解隊列人群的基本人口學特征、健康相關因素(例如生活方式、吸煙、飲酒情況等)及健康狀況，以建立基礎健康數據庫。調查對象進入隊列后，各個地區項目辦通過國家的發病和死亡監測系統，以及各級醫保系統對調查對象的健康狀況進行長期追蹤隨訪。每隔5年還在各調查點內隨機抽取部分調查對象進行全面復查，以了解隊列人群的生活方式、行為、飲食等因素的動態變化情況，并采集生物樣本(例如血液、尿液)進行長期保存。基線調查于2004年6月開始，2008年7月結束，共入選513 211人，其中男性占41%、平均年齡52歲，血液采集率99.9%。基線調查完成后，項目隨即于2008年8—10月開展了5%抽樣的第1次重復調查，共抽取24 302人，完成調查20 144人，應答率為83%。項目計劃于2013年7月—2014年7月開展5%抽樣的第2次重復調查，共抽取35 000人，計劃完成25 000人。

CKB項目生物銀行信息的收集和保存總體來講分為健康信息和生物樣本信息，前者主要包括患病情況及健康行為信息，通過現場調查和長期隨訪監測獲得；后者主要包括血液和尿液樣本。將來隨著研究的開展，還將會收集其他生物樣本。生物樣本的采集主要通過現場調查完成。

3.1 健康信息庫

3.1.1 現場調查 截止到目前，共開展了3次現場調查。項目基線調查于2004年6月正式啟動，2008年7月結束，在全國10個地區調查入選了35～74歲的51萬余名對象。按照計劃，2008年8—10月在10個點開展了第1次重復調查，調查了2萬余名對象。目前，第2次重復調查已經于2013年7月啟動，預計于2014年7月結束。

現場調查包括體檢、問卷和生物樣本采集。體檢包括身高、腰圍、臀圍、體質指數、體脂百分比、血壓、心率、肺功能、肺一氧化碳等。所有體檢結果均在現場調查時由問卷人員輸入計算機中。問卷共包括十大部分內容，涉及個人一般情況、飲茶、飲酒、吸煙、飲食、生活習慣、體力活動、職業和室內空氣污染暴露史、疾病史及女性生育史等內容，均與主要慢性病的已知危險因素有關。采用電子問卷形式，所有問卷內容由調查員邊詢問邊同步將結果直接錄入計算機中。電子問卷除具有操作簡便、數據采集完整性好(如可完全避免缺失值的出現)外，還可以做到對問卷調查表中的各項內容進行詳細的邏輯錯誤檢查，以及判斷所輸入的數值是否在可接受的界限范圍內，從而能夠對問卷的填寫質量進行及時的評估和糾錯，確保數據的質量。

隨著科學研究的發展，結合項目已有研究成果，CKB第2次重復現場調查形式上雖然依舊包括問卷、體檢和生物樣本采集/檢測，但是內容和檢測項目上在不斷豐富。問卷涉及問題面更寬，問題也更細致，體檢項目新增加了6個項目(手握力、骨密度、踝部血壓、頸動脈超聲、心電圖和脈搏波速度)。除血樣外，還采集尿樣，現場檢測項目除隨機血糖外，還增加了血脂檢測和11項尿檢測定。

為確保全國各個調查點的研究質量以及所收集資料的準確性和可比性，CKB項目采用統一的研究方案和操作手冊，項目中所涉及的器械和材料均由國家項目辦及牛津大學臨床試驗研究中心統一采購并集中調試，以減少系統偏差，確保研究結果的準確性、穩定性及可比性。

CKB項目全程實行計算機化管理，從項目的現場數據采集(如電子問卷表)到常規監測工作，從生物樣本的登記、分裝、儲存、運輸到物資設備、材料的供應和運輸等各個環節，通過專業化開發的軟件系統進行規范化管理。數據的傳輸由專人負責，現場采集的數據于采集當天上傳到CKB北京的服務器中，實現了數據的同步和動態現場工作的質量控制。

此外，在項目基線調查過程中，根據課題設計要求，每個調查點隨機抽取3%的研究人群進行復查，以確定所采集的原始調查資料的可靠性。

3.1.2 長期監測 做好長期隨訪監測工作，準確地了解研究隊列人群中各類疾病的發病及死亡情況是CKB項目研究工作極為重要的內容之一。長期隨訪監測工作主要建立在各地行政部門現有的常規疾病死亡、發病報告體系、醫保住院事件信息收集系統的基礎上，與當地公安、民政以及各級醫院和社區醫療服務中心等機構密切聯系，對研究隊列人群的人口學概況、死亡、主要慢性疾病發病、遷移和失訪情況進行動態追蹤觀察。

項目從2004年調查對象進入隊列開始，即開展隨訪監測工作。目前，CKB已經形成完善的監測網絡系統，主要通過以下2個途徑:一是常規監測，即政府部門(包括衛生、公安、民政、社會保障和計劃生育等)常規工作中形成的數據庫，從中篩選出CKB項目研究人群相關隨訪信息；二是定向監測，通過項目社區街道、居委會或鄉鎮、村的相關工作人員獲取該調查點內項目人群的死亡、發病、遷移等有關隨訪信息。對于常規上報的死亡、發病、住院事件，項目相繼開展了疾病診斷準確性調查、人群穩定性調查、未參保人員調查、死亡卡片準確性調查、死因不明調查、漏報調查等，保證了隊列人群監測質量。截止到2013年11月底，隊列人群共報告死亡22 100例，報告發病44 865例，收集住院信息52.5萬人次。

目前，CKB隊列人群中惡性腫瘤、腦卒中、缺血性心臟病、糖尿病等主要慢性病的病例已經積累到一定數量，針對項目人群的部分研究正在開展，部分生物樣本的檢測工作也逐漸開展，研究成果初步顯現。隨著長期隨訪和監測工作的進行，研究人群的健康相關信息及生物樣本信息將會更加完善，這個不斷豐富的數據庫將會成為未來人類探索疾病病因、實現慢性病的早期預防和控制的寶貴資源。

3.2 生物銀行 目前，CKB共保存項目研究人群約210萬份血液相關樣本，約10萬份尿液樣本，以及近30萬份DNA樣本。生物樣本由CKB中國生物銀行及英國牛津大學臨床試驗研究中心生物銀行共同管理和保存，實現同一調查對象生物樣本的異地異庫管理，其中DNA樣本全部由中方保存和管理。隨著每5年1次隨訪調查及科學研究的開展，將會有更多的生物樣本進入，更多的檢測在這個大型生物銀行中開展。

3.2.1 生物樣本的現場采集 對于符合項目調查對象入選標準的當地居民，在同意簽署《知情同意書》后，才可以進入到項目研究人群中。

生物樣本的采集由10個地區項目辦的工作人員完成，工作人員具有醫學專業背景，在開展現場工作前需要經過國家項目辦統一培訓。在現場采集開始時，工作人員需要先對調查對象身份進行核對，同時核對采血管及采尿管上的條形碼與調查對象知情同意書中的研究編碼一致，確認無誤后方可開始生物樣本的采集工作。CKB不要求調查對象在采血前禁食，但是需要記錄調查對象最后一次進食至采血時的時間間隔。使用乙二胺四乙酸處理的真空采血管進行靜脈血收集，現場進行部分血糖和血脂指標(如高密度脂蛋白、低密度脂蛋白及三酰甘油等)的檢測，結果記錄在CKB計算機系統中，同時將檢測結果反饋給調查對象。剩余血液暫時存放于現場0～4℃的冷藏箱(第2次重復調查改為冰箱)中，當天現場工作結束之后，所有血液樣本全部運回到地區項目辦實驗室中進行離心、分裝和暫時儲存。

考慮到項目研究目的及現場實際情況，在第2次重復調查中要求調查對象現場提供中段尿樣。使用無菌可封閉采尿杯和10 mL真空采尿管進行收集。使用調查對象采尿杯中的剩余尿液進行現場11項指標的檢測(如白細胞、亞硝酸鹽及尿膽原等)，檢測結果可以當場反饋給調查對象；采尿管中的尿液暫時存放于現場0～4℃的冰箱中，當天現場工作結束之后，所有尿液樣本全部運回到地區項目辦實驗室中進行分裝和暫時儲存。

3.2.2 生物樣本的離心分裝 生物樣本經調查點現場短暫儲存后，于當天返回CKB項目地區實驗室，地區實驗室對樣本的數量和狀態進行確認和登記后，將接收的樣本暫時存放于普通冰箱(4℃)中，并于樣本采集24 h內完成分裝和儲存。

血液樣本在低溫離心機離心完成后，將血漿層和白細胞層分裝在4個2mL冷凍管中(其中3管為血漿樣本)，即每個調查對象的血液樣本對應4個冷凍管。分裝完成后將真空管(血液和尿液)與對應的冷凍管信息掃描入CKB專用計算機系統，至此實現調查對象信息與生物樣本信息的關聯。分裝完成的生物樣本暫時儲存在地區項目辦實驗室的低溫冰箱(－40℃)中，在該過程中，同一個調查對象的生物樣本不允許放置在同一個冰箱中。

3.2.3 生物樣本的轉運 地區項目辦暫時儲存由現場采集分裝的生物樣本，國家項目辦根據當地的工作狀況及樣本采集數量發出樣本轉運請求，在－70℃條件下(干冰保存狀態下)48 h內由專業生物樣本運輸公司將樣本由地區項目辦轉運至北京生物銀行。其中，血液和尿液樣本各2管在到達北京生物銀行進行短期保存后將被運往牛津大學臨床試驗研究中心的生物銀行，實現異地異庫儲存，其余生物樣本全部儲存在北京生物銀行。

4 北京生物銀行核查接收樣本

生物樣本到達北京生物銀行后，工作人員對樣本進行核查和登記，將樣本信息掃描入計算機管理系統。為防止樣本的凍融，生物樣本的掃描需要在－20℃操作平臺上進行，登記完成后需要立即放入超低溫冰箱(－80℃)。在北京生物銀行儲存中，同一調查對象基線和隨訪調查的生物樣本須存放在不同的冰箱中，同一調查對象同一次調查的生物樣本須存放在不同的冰箱中。2014年除白細胞、DNA樣本外，其他樣本將轉入液氮罐中進行長期保存。

根據項目研究需要，目前已對項目研究人群中的15萬人開展了DNA提取工作，DNA樣本全部存儲在北京生物銀行，按照項目計劃，最終將完成所有隊列人群的DNA提取工作。

目前，北京生物銀行存放有基線及每5年1次的隨訪研究的生物樣本，共計約120萬份生物樣本，包括血漿、白細胞、尿液及30萬份DNA樣本。隨著隨訪調查研究及基因提取工作的開展，在今后將會有更多的來自CKB人群的生物樣本存儲在生物銀行中。

5 北京生物銀行安全保障

保障生物樣本處于安全狀態是進行一切工作的前提條件。目前，北京生物銀行由專人24 h值守，所有樣本儲存在－80℃超低溫冰箱中，2014年起所有的血液樣本將轉入液氮罐中進行存儲。研究樣本的每一個生物樣本的物理存儲位置、使用過程及存儲狀態信息均通過CKB項目專用計算機系統實時記錄，同時實現了生物樣本信息與個體健康信息的連接。

5.1 生物樣本的存儲和使用安全保障 為保障樣本的長期存儲安全，CKB項目已建立了完善的生物銀行安全管理體系。在生物銀行建立之初即配備有備用發電機可提供專線供電，避免供電故障對樣本安全造成的威脅。樣本在存放過程中嚴格按照異地異庫、同一個研究對象的樣本分開存儲原則，即同一次現場調查的樣本分別存放在2個超低溫存儲裝置中，基線調查的樣本同重復調查的樣本分別存放。此外，生物銀行備用超低溫冰箱可以容納15%～20%的生物樣本，平時備用冰箱同其他冰箱一起運行，可實現突發情況下的樣本緊急轉運。2014年，隨著血液樣本轉入液氮罐，屆時備用空間將進一步增大。

生物銀行通過24 h不間斷監控體系，實現對樣本存儲裝置進行實時監控。當凍存設備發生故障時溫度升到警戒值，系統會通過音樂、短信及電話的方式通知負責人。液氮罐啟用后，除對液氮溫度實時監控報警外，還將安裝液氮液位監控和報警裝置。這樣能夠在第一時間發現故障，尤其是在下班和節假日期間更為重要，便于及時采取措施，避免對樣本造成損失。監控體系還將對生物銀行室內溫度和通風狀況進行實時監控，保障工作人員的操作安全及存儲設備的安全。為保障所有應急設備的安全運轉，北京生物銀行定期進行發電測試、報警測試及設備的維護等。

5.2 生物銀行的信息安全 生物樣本對應的個體信息是進行科學研究的重要組成部分，信息安全至關重要。在生物銀行中工作人員現場收集的信息和數據通過項目專用軟件安全處理后存儲在項目專用服務器中，項目服務器裝有獨立的數據庫，數據庫有專人維護管理，并對可以訪問數據庫的人員進行安全權限分配，生物樣本信息與個體信息分屬不同權限的人員管理。此外，每個工作人員都有指定的用戶名和密碼口令。所有重要數據都進行加密，并對數據進行定期備份和異地備份。生物銀行所有項目計算機均安裝硬盤加密。所有項目計算機都裝有正版殺毒軟件、專用數據傳輸軟件，在通過U盤、移動硬盤或其他移動設備進行郵件傳輸和數據傳輸時，需要對數據進行特殊加密，避免信息的泄露和數據的丟失。

同時，在進行生物樣本的轉運和使用過程中，只涉及樣本的研究編碼，不涉及任何樣本對應的個人信息，因而操作者無法獲知樣本的個體信息，保證了生物樣本傳遞過程中的信息安全。

6 問題和挑戰

眾所周知，在未來很長一段時間內，慢性病仍將是威脅人類健康的主要殺手，由其帶來的疾病負擔仍將繼續加重[10]，而中國人口眾多，所面臨的慢性病負擔將更為嚴重。同時，在中國不同地區之間不同慢性病的發病率也存在著差異，同一地區人群中各類慢性病的發病率也隨著年代的變化而改變。由于環境和遺傳各種因素的差異，在探索慢性病病因和影響因素的研究中，來自西方發達國家的人群證據不一定適用于中國人群，中國慢性病的預防和控制工作更需要來自中國人群的證據。

而生物銀行作為醫學研究的重要資源，將成為轉化醫學研究的基石。CKB涉及中國10個地區51萬余人，目前已經經過近10年的監測和隨訪，慢性病相關新發病例已經累計到一定數量，部分研究成果已經初步顯現。接下來，隨著人群健康相關信息的不斷積累，各類疾病病例的逐漸累積，以及生物樣本的檢測，特別是基因測序工作的逐漸展開，CKB項目將成為慢性病研究的寶藏。通過探索已知和未知的環境危險因素、遺傳相關信息及整合兩者交互作用，CKB項目將會為探索各類慢性病的發病規律、致病因素及流行趨勢提供強有力的證據，對制定慢性病預防和控制措施、進一步改善人民健康具有重要的意義，也將促進世界健康研究領域資源的共享，促進科學的發展。

本文通過對CKB項目標準化管理的介紹，以期促進國內生物銀行建設、管理的交流和相互學習，為預防和控制慢性病、改善人群健康貢獻力量。

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China Kadoorie Biobank:a resource of prospective study for chronic diseases

GUO Yu1，SUN Luanluan2，TAN Yunlong1，LILiming1，2
(1.Chinese Academy of Medical Sciences，Beijing 100730，China；2.Department of Epidemiology and Biostatistics，School of Public Health，Peking University Health Science Center，Beijing 100837，China)

Non-communicable diseases has become the leading cause formortality and permanent disability.In light of the"Omics"technology，large population-based biobanks will provide a new perspective in preventing and treating non-communicable diseases.Standardized biobanks will be the valuable resource for further advances in genomics，proteomics and metabonomics，and the foundation of translation medicine will provide powerful evidence for health policies.This review mainly aims to discuss purpose and significance on establishment of biobanks，demonstrating the management and operations of worldwide large biobanks and introduce the domestic largest population-based biobank-China Kadoorie Biobank.China Kadoorie Biobank is a large biosample-based prospective study of themain genetic and non-genetic causes of common chronic diseases in Chinese population since 2004，involving over 512 000men and women in 10 geographically defined regions of China.It is one of the largest prospective population-based biobanks throughout the world.It is aimed to build the Chinese population health database through 5-year resurvey and long-term monitoring ofmortality and morbidity.

Non-communicable diseases；Biobank；Translationalmedicine；Cohort study；Epidemiology

R36；R197.38

A

2095-3097(2014)06-0321-06

10.3969/j.issn.2095-3097.2014.06.001

2014-04-18 本文編輯:徐海琴)

英國Wellcome Trust(088158/Z/09/Z)；中國國家科技支撐項目(2011BA109B01)

100730北京，中國醫學科學院(郭 彧，譚云龍，李立明)；100837北京，北京大學公共衛生學院流行病與衛生統計學系(孫孿孿，李立明)

李立明，E-mail:lmlee＠pumc.edu.cn