生物計量：在生命科學世界“以度審容”

來自商鞅方升的啟示

上海博物館有一個非常著名的鎮館之寶——商鞅方升，一個手掌大小的青銅容器，它是公元前344年商鞅任“大良造”時所頒發的標準量器。春秋戰國時，度量衡不統一，測量還停留在“布指知寸，布手知尺”的自然標準階段，偏差非常大，而且亂象叢生，在諸侯割據的國家，除了國君所頒布的“公量”外，卿大夫還設有“家量”，度量衡無法統一。商鞅很早就建立了“以度審容”的科學方法，也就是用已知長度去計算容量的方法，他親自督造了一批度量衡標準器，也就是“商鞅方升”。《史記·商君列傳》記載，制作完成的商鞅方升被發放到全國各地，為田畝的丈量、賦稅的征收提供了有力的保證。并且，為達到“一度量，平權衡、正鈞石、齊斗甬（桶）”的目的，商鞅還在每年春秋二季定期對量器進行鑒定，這是最早的“計量校準”活動。秦始皇統一六國之后，延續了商鞅的計量標準制度，“一法度衡石丈尺，車同軌，書同文字”，奠定了強國基石。

商鞅方升作為國寶級計量器具曾登上央視，中國計量院方向院長親自介紹，可見其意義重大。商鞅方升展示了中國人兩千多年前，通過人造計量標準實現度量衡統一的實踐，它所代表的“以度審容”測量方案，核心就是通過固定已知參數，復現和度量未知的導出參量，這也是計量科學的關鍵理論，從最初的實物原器到常數定義計量變革，再到生物化學分子制造，我們一直在追求恒定參數和萬事萬物的關聯。

現代計量科學

在商鞅方升之后人類文明兩千多年的歷史中，計量科學不斷發展，1791年法國科學家取地球子午線長度的四千萬分之一為一米，并制成了第一個標準米尺，這個標準米尺成為世界上最早的米原器，保存在法國檔案館。1875年3月1日，世界上17個國家在法國簽署“米制公約”，共同認可法國檔案館米原器作為長度基準，由此組建了國際計量局（BIPM）。20世紀70年代之后，中國開始參與國際計量組織的活動。

2018年11月16日，計量領域發生了重大變革，由國際計量局組織，60個成員國在法國巴黎投票通過了一項關于重新定義國際單位制（SI）的歷史性決議，永久性地改變了千克、安培、開爾文和摩爾的全球性定義。至此，所有SI單位由常數來定義，我們徹底告別使用實物來定義測量單位的時代。這不僅保證了SI的未來穩定性，而且使這些定義可以通過量子等新技術復現。國際計量委員會主席白瑞·英格里斯（Barry Inglis）說：“我們對世界的測量不再受到實物的限制了。我們有了全球通用的測量系統，為更加準確的測量鋪平了道路，這將促進科學進步。任何時間任何地點的科學家，只要有足夠的測量能力，都可以復現國際單位。”

生物計量新挑戰

生命科學的量值以分子為最小單元，以物質的量摩爾（mol）為基本單位，以阿伏伽德羅常數NA來計算，1摩爾是精確包含6.022 140 76×1023個原子或分子等基本單元的系統的物質的量。從重新定義的國際單位制布局圖，我們可以看出物質的量mol，不再與其他基本單位相互關聯，而是形成一個相對獨立的孤島，因此在實際的生物計量研究中，一個核心的挑戰就是發展生物標準物質，實現生物檢測過程與國際單位的量值溯源。

“以度審容”：商鞅方升用一維尺度衡量三維容積（上）；用一維分子，制造三維生物標準（下）

生物計量是計量科學領域的新成員，最早的生命科學研究僅限于現象和趨勢的觀察，最常回答“是什么？”的問題，然而隨著分子生物學的發展，生物定量測量變得越來越重要，大家開始關注“有多少？”。當下，準確的定量分析結果已經非常廣泛地應用于臨床診斷、食品安全和環境檢測等領域，已經與人類的生產生活密不可分。另一方面，生命科學相關技術的推廣應用和產業的發展，催生了大量的計量需求：技術標準化、產品質量、儀器校準等。所以總體來說，如何結合計量科學的應用進行生物的準確測量，是擺在計量研究者面前緊迫而艱巨的工作。

發展生物計量，是為了支持生物測量的可比性、有效性和溯源性，最終使測量可溯源到國際單位制。早在1999年，第21屆國際計量大會就決定把生物計量學提上日程。隨后，物質的量咨詢委員會（CCQM）成立了生物分析工作組。該工作組的主要目的是建立生物技術可溯源測量系統，優先考慮的是核酸測量、蛋白質測量及其方法、分析過程的標準化，以及標準物質的研制，以便鞏固核酸和蛋白質測量的應用領域。近幾年來，發達國家也加強了生物計量的投入。國際上目前從事生物標準物質研制的機構主要有美國國家標準與技術研究院（NIST）、歐盟委員會聯合研究中心標準物質與測量研究院、英國政府化學實驗室、德國聯邦材料測試研究院、澳大利亞國家測量院等。他們很早就關注了核酸和蛋白質計量研究，在生物測量的質量保證和計量方面也有了一定成果。

生物計量的發展在中國同樣引起了很大的關注，中國計量科學研究院組建生物計量研究團隊，取得了豐碩的研究成果，多次主導國際生物計量比對；上海市計量測試技術研究院等計量機構，則以地方產業需求為導向，形成具有特色的生物計量研究能力。中國先后成立了三個相關的計量委員會：全國醫學計量技術委員會，全國臨床醫學計量技術委員會和全國生物計量技術委員會，負責組織方法比對和制定計量校準法規文件。近年來，中國的生物計量基礎研究取得一定進展，研制核酸和蛋白定量標準物質超過50項，完成生物分析儀器計量校準方法編制超過10項。

臨床檢驗是生物計量非常重要的應用領域，檢驗醫學溯源聯合委員會由國際計量局、國際臨床化學與檢驗醫學聯合會和國際實驗室認可合作組織共同成立。其任務是指導和促進世界公認的醫學檢驗等效測量及為檢驗醫學測量標準溯源提供全球平臺，以促進和指導國際間承認和接受臨床檢驗結果的等效性和溯源到適宜的測量標準，提高醫護水平，促進貿易。臨床診斷標準物質主要包括化學類和生物類標準物質兩大類：化學類標準物質有240多種；生物類標準物質有70多種，包含了血液學、細胞學、免疫學和遺傳學幾大類的標準物質。目前國外已有的臨床有證標準物質中針對腫瘤癌癥等重大疾病的研究也還不多，相關的腫瘤標志物標準物質目前僅有幾種。

國內研究這些臨床標準物質的機構主要集中在中國計量院、國家衛健委臨床檢驗中心以及部分生物醫藥公司。國內臨床標準物質目前的總數已有180多個，其中有蛋白質標準物質20種，脂類標準物質13種，但覆蓋的臨床檢測種類并不多。目前臨床檢驗相關的標準物質與發達國家研究水平還有較大差距，如針對一些腫瘤癌癥和重大傳染病相關的標準物質研究還處于空白水平。因此，迫切需要加大對重大疾病相關生物標準物質研制的重視和投入，研究開發其相應的生物標準物質，保證患者檢測結果的準確性和一致性。

關于臨床檢驗量值溯源，ISO17511標準和ISO18153標準做出了具體說明，要求應用參考系統，即參考測量程序或標準物質，驗證常規檢驗結果的準確性。NIST的幾個膽固醇標準（SRM911、SRM909、SRM1951、SRM1952），使臨床檢驗實驗室的膽固醇測量結果中錯誤的陽性和陰性數目穩定地減少了5.5%和7.2%。這些改進不僅使疾病診斷更加準確，而且每年節省誤診病人的治療費一億多美元。

生物標準：從宏觀到微觀的分子制造

生命現象和功能決定于生物分子的量（物質的量）和結構，因此生物標準必將圍繞物質的量和微觀尺寸這兩個測量領域來開展，而現代的分子生物學技術讓我們可以再造生物標準，準確地回答“有多少”和“有多小”的問題。

生物分子的物質的量濃度標準分子克隆技術和蛋白質工程技術為我們提供了宏觀尺度分子制造手段，同時通過高準確度的參考定值方法，我們就可獲得可靠的濃度量值，往往可以構建最高的生物計量標準。例如，質粒DNA標準物質是一種含有檢測目的基因的特異性片段的重組質粒分子，在PCR定性檢測中可以作為陽性對照，在定量PCR中可以作為定量分析的標準品，構建定量分析的標準曲線。在上海計量院，質粒DNA的定值采用了三種方法以保證其量值的準確性：紫外分光光度法在生物化學領域應用面廣；HR-ICP-MS法量值溯源清楚，是分析化學中高精度的檢測手段；數字PCR技術通量大、重復性好，在生物分析領域也是最先進的檢測技術之一。將這三種方法聯合起來給質粒DNA定值，可有效保障標準量值的準確度和溯源性。上海計量院先后研制了30種質粒DNA標準物質，其中5種是國家一級標準物質。

2020年新冠疫情期間，上海計量院與上海交大聯合組建研究團隊緊急啟動了新冠病毒RNA標準物質研發項目，研究高準確度RNA數字PCR絕對定量方法，研制了兩種“新型冠狀病毒體外轉錄RNA標準物質”，以新冠病毒E、N和ORF1ab三個基因為目標，涵蓋世界衛生組織和中國疾病預防控制中心公布的關鍵檢測區域，利用體外轉錄方法制備，采用數字PCR方法對新型冠狀病毒RNA標準物質濃度進行測定。研究成果可以為病毒RNA檢測方法研發提供靶標；可以直接用于質控，對核酸試劑盒靈敏度、線性范圍、靶向基因區域等進行確認；也可以為檢測實驗室提供RNA陽性伴隨樣品，預警假陰性結果，為病毒RNA檢測提供量值溯源的“砝碼”。

自組裝生物分子微觀尺度標準隨著醫學診療和生命科學研究探索深入到單細胞、單分子甚至更加微觀的層次，尤其是納米技術的引入，使得更多的原位、活體、實時、動態的生物化學信息采集需求被提了出來，生物學逐漸從趨勢分析、定性研究發展到定量研究，測量結果的準確度和可靠性也變得越來越重要，一個看起來極微小的尺度偏差，可能會對結果判讀產生本質的影響。生命科學中微觀尺寸信息的準確度和量值溯源水平成為亟待解決的科學問題，開展微觀尺度生物標準研究勢在必行。

高分辨熒光顯微成像技術的飛速發展，推動生命科學研究從組織、器官水平向細胞和分子水平跨越，通過光切片成像、熒光標記與共定位、三維空間還原及動態成像，可以從微納尺度直接獲取生命最小基本單元（細胞、分子等）的功能、現象和機理信息。然而，在高分辨熒光顯微領域，計量溯源標尺還是空白，嚴重影響了基礎研究成果標準化和轉化應用的進程。盡管其他高分辨成像技術，如電子顯微鏡、原子力顯微鏡等已經建立了成熟的顯微標準，但是因為不具備熒光標記功能，因此無法在生物顯微領域直接應用。目前，高分辨顯微鏡只能通過利用一些細胞絲狀體對分辨率進行簡單的評判，但細胞絲狀體的結構、染色位置都存在個體差異，而且因為不具有準確的尺寸量值，因此無法作為統一的計量溯源標準。

重新定義的國際單位制，七個基本單位分別是：長度（米，m）、質量（千克，kg）、時間（秒，s）、電流（安培，A）、熱力學溫度（開爾文，K）、物質的量（摩爾，mol）和發光強度（坎德拉，cd）

DNA納米自組裝技術推動框架核酸的發展，已經成為樂高式的工具箱，可以精確可控地制造各種框架DNA納米結構。據報道，科學家通過一條長度7 000多個核苷酸的主鏈DNA與200多條短訂書針鏈雜交，可以形成一個精確可控的長方塊分子結構。目前用于高分辨熒光顯微術的框架DNA納米結構已經從基本的原理證明實驗發展到商業化的測試結構。德國聯邦物理技術研究院的科學家針對DNA納米標尺開展研究探索，證明了這種計量溯源思路的可行性。更重要的是，通過分子礦化技術，這種自組裝的納米分子結構的剛性和穩定性可以大大提升，能夠對納米尺度上的物質進行精確的控制，還可以獲取高收率、重復性好、穩定的框架DNA納米結構。

結語

從兩千多年前的商鞅變法開始，中國人就領會了“以度審容”的科學道理，雖然還不知道容積的準確計算方法，但懂得人工制造計量標準，利用一維的量值，統一三維的體積。同比而言，我們今天生命科學的測量面對更大的挑戰：生物標志物具有高度的復雜性、極低的濃度水平，而影像表征跨越從個體、細胞甚至分子的多個尺度。但是問題的解決方案卻蘊含在同樣的道理當中，為了應對生命科學復雜測量的挑戰，需要發展基本生物分子標準，復現決定性的生物參量，從而將國際單位制關聯到每一個生物測量結果。計量科學因為代表了公平和統一的屬性，在中華文明中具有非常特殊的地位，它起始于長度、重量這些最基本的物理量，而今卻已涵蓋了全世界最高能級的測量方法，在革新中不斷重生發展。隨著生命科學測量準確度、統一性、有效性需求的提升，必將與計量科學相互交叉促進，形成再一次的突破發展，生物計量研究方興未艾。

致謝：感謝上海市計量測試技術研究院聞艷麗、許麗、梁文、曹程明，以及上海交通大學孫潔林、左小磊的支持和貢獻！