生物样本库是生物医学研究的重要资源,欧洲肿瘤研究所转化与数字医学部门的生物样本库是该领域的典范。本文详细描述了生物样本库在管理各类人类生物样本时的标准操作规程。
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生物样本库是生物医学研究的重要资源,欧洲肿瘤研究所转化与数字医学部门的生物样本库是该领域的典范。本文详细描述了生物样本库在管理各类人类生物样本时的标准操作规程。
生物样本库是旨在收集、储存、处理和共享高质量人类生物样本及相关数据的关键研究基础设施,用于支持科研、诊断和个体化医学。欧洲肿瘤学研究所(IEO)的转化与数字医学生物样本库单元是该领域的标志性机构。生物样本库与临床科室、所内外研究团队以及产业界合作,支持患者治疗和科学进步,包括创新性诊断、生物标志物发现和临床试验设计。鉴于生物样本库在现代研究中的核心作用,其标准操作程序(SOP)应极为精确。经认证专家制定的SOP和质量控制措施,可确保样本的最高质量,从而支持基于科学的个体化诊断、预后和治疗策略的实施。然而,尽管各方已为生物样本库的标准化和协调化付出了诸多努力,这些基于伦理和法律原则、遵循严格规则、质量控制和指南的程序仍难以获取。本文介绍了大型癌症中心生物样本库的标准操作程序。
生物样本库是用于收集、储存、处理和共享人类生物样本及相关数据以用于研究和诊断的生物资源库。其作用不仅对于生物标志物的发现与验证至关重要,而且对于新药的研发也具有重要意义1。因此,绝大多数转化医学和临床研究项目都依赖于高质量生物样本的获取。在此背景下,生物样本库被视为连接学术研究与制药/生物技术产业之间的桥梁2,3,4,5。由于大数据采集和人工智能提供了前所未有的机遇,生物样本库在癌症研究中的作用正在不断演进6。
生物样本库所处理的生物材料种类广泛,同时关联临床病理信息,包括人口统计学和环境数据、肿瘤类型、组织学分级、分期、淋巴血管侵犯情况以及生物标志物状态7,8。可用的高质量样本和数据越多,研究进展就越快,对医疗保健的影响也越大9。该领域遵循基于伦理和法律原则的严格监管框架,应采用广泛认可的标准操作程序、质量控制措施和指南(例如美国国家癌症研究所、英国癌症生物样本库联盟以及欧盟国际生物与环境样本库学会)10,11。
针对生物样本库所有主要方面制定标准操作规程(SOP)在质量、可追溯性、一致性、可重复性以及周转时间等方面具有多项优势12,13。SOP实施的另一个重要方面体现在生物样本库管理的优化,这有助于为生物样本库工作人员和研究人员提供更有效的问题解决方法及替代操作流程14。所有这些环节均构成生物样本库工作流程的一部分(图1)。

图 1:影响生物样本库优化的多种因素。 缩略语:LIMS = laboratory information management system(实验室信息管理系统)。 请点击此处查看该图的放大版本。
这些高度特异且敏感的数据要求在生物样本库管理中遵循严格的管理标准操作程序。所有需要获取生物样本库样本和数据的研究人员均应获得一份详细且经过验证的项目申请表。申请中提供的信息应包括研究方法与设计、目标、目的以及预算。应成立生物样本库技术科学委员会,负责对科研项目申请进行评估。该委员会应包括来自生物样本库部门、临床科室、研究团队、数据保护部门、法律办公室和技术转让办公室的成员。
欧洲肿瘤学研究所(IEO)的转化与数字医学生物样本库单元在服务质量和数量以及创新方面,是全球生物样本库的权威机构。该机构已获得全面认证(UNI EN ISO 9001:2015-Certiquality),是BBMRI-ERIC意大利节点(即生物样本库与生物分子资源研究基础设施)的重要组成部分,并与临床单元和科研基础设施保持紧密协作。
生物样本库所储存的生物样本类型具有高度异质性,包括组织样本(新鲜冷冻或石蜡包埋)、生物液体(如血浆、血清、血液、尿液、粪便)、细胞培养物以及外周血单个核细胞(PBMCs)。本生物样本库与欧洲生物样本库研究基础设施(BBMRI-ERIC)协同运行,后者是欧洲最大的生物样本库网络之一,通过各国节点协调管理,提供访问生物样本库及生物分子资源的门户15。除BBMRI-ERIC外,国际生物与环境样本库学会(ISBER)在生物样本库操作规程的标准化方面也发挥了重要作用16。
生物样本库单元隶属于病理学部,致力于以患者为中心,支持临床研究的发展,持续改进工作流程,提升人力资源水平,推动国际合作,支持培训活动的开展,保障工作场所安全,促进科学与技术进步。其共同愿景是在服务质量和数量以及创新方面,建立国家级和欧洲级生物样本库的标杆。所收集的生物样本用于发现新的生物标志物和新药(例如,开发日益个性化的治疗方案),并通过卓越的研究为患者提供当前最优的治疗方案。
每份生物标本均在患者签署科学研究参与协议并经事先确认后进行采集和处理15。所采集的生物标本用于开展科研项目或临床试验,包括超出诊断所需之外的病理与非病理手术样本、液体活检样本(如血液、血清、血浆和尿液)以及其他生物标本。这些生物材料均按照专门的低温保存方案进行储存。本文提供了某大型癌症中心的生物样本库操作规程。
本方案重点介绍乳腺癌、卵巢癌、前列腺癌、肺癌和结肠癌所采用的标准操作程序(SOP)。此处描述的所有操作程序均已获得科学技术委员会、伦理委员会(EC)以及乳腺、妇科、泌尿科、胸外科和消化系统外科项目负责人的批准。本研究遵循1964年《赫尔辛基宣言》、2018年《通用数据保护条例》(GDPR)及其后续修订案。机构层面的《研究参与协议》(RPA)依据GDPR制定,代表了从所有患者处获得的知情同意,用于收集其生物样本及个人、临床和遗传数据。所有患者均已签署RPA,同意将其数据用于科学目的的存储、处理和使用。
1. 生物样本的先决条件
2. 生物样本库软件

图2:生物样本库LIMS的代表性界面。 科学研究参与协议(RPA)从临床记录服务器进行电子更新。缩写:LIMS = 实验室信息管理系统;RPA = 研究参与协议。请点击此处查看此图的放大版本。
表1:生物流体类型及对应代码。 请点击此处下载该表格。
表2:组织样本类型及对应代码。 请点击此处下载该表格。
3. 样品采集

图3:样本层级结构。 来自单个患者的多个事件子类别在生物样本库中进行处理和储存。缩写:PMBCs = 外周血单个核细胞;LIMS = 实验室信息管理系统。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 血液样本采集

图4:冻存样品材料。(A)二维条形码管,(B)单管条形码读取器,以及(C)用于登记和储存的试管板。请点击此处查看本图的放大版本。
5. 血清样本采集
6. 外周血单个核细胞分离
7. 血浆样本采集
8. 粪便与口腔拭子样本采集
9. 组织处理

图 5:组织样本的生物样本库工作流程。缩写:LIMS = 实验室信息管理系统;OCT = 最佳切割温度。 请点击此处查看本图的放大版本。
10. 组织冷冻
11. 组织质量控制
表3:OCT包埋冷冻组织切片的质量控制表。缩写:OCT = 最佳切割温度。 请点击此处下载该表格。
12. 研究用途样本的申请与获取
根据上述标准操作程序,我们于2012年4月至2021年12月期间共收集了38,446份带有注释的生物液体活检样本和10,205份组织样本(图6A)。此外,我们对泌尿外科、妇科、乳腺外科以及头颈外科、腹部-盆腔外科和胸外科各分部所收集的样本进行了详细分析。所收集的组织样本中数量最多的是乳腺肿瘤样本(图6B、C)。自2019年起,由于近年来需求显著增加,我们还开始收集其他类型的生物样本,如尿液、粪便和口腔拭子样本(图6D)。
如图6A所示,由于COVID-19大流行及其导致的肿瘤相关诊疗操作减少,2020年至2021年期间采集的样本量,尤其是组织样本,受到了影响。但在此期间,由于使用了前期采集并经过适当保存和注释的生物样本库样本,科研工作并未因此减少。对生物标本及其相关临床病理数据的规范采集,使我们能够建立一个结构完善、具有竞争力的回顾性与前瞻性生物样本库。为此,手术标本的选择必须由病理学家完成,以确保准确诊断,并为使用合适的组织标本开展研究创造条件。在我们的生物样本库中,已建立并严格执行特定的工作流程,确保在以科研为目的的生物样本库管理中遵循符合ISO 9001认证的标准化操作程序。

图6:欧洲肿瘤学研究所生物样本库2012年至2021年生物样本的累计采集情况。 累计采集的(A)组织样本(橙色曲线)和含血清的血液样本(蓝色曲线);(B)乳腺组织样本(红色曲线)的累计采集情况;(C)卵巢组织样本(绿色曲线)、前列腺(灰色曲线)、肺(浅蓝色曲线)和结肠组织样本(黄色曲线)的累计采集情况。2019年至2021年期间,(D)其他生物样本的累计采集情况:粪便(蓝色线)、口腔拭子(粉色线)、血浆(浅绿色线)和尿液(紫色线)。请点击此处查看该图的放大版本。
尽管肿瘤学已取得巨大进展,癌症仍是全球发病率和死亡率的主要原因20。了解肿瘤异质性、其随时间的动态演变以及靶向治疗的效果,在很大程度上依赖于常规临床诊疗过程中准确的数据采集21。在这方面,“多组学”""方法在肿瘤预测性病理学中正日益受到重视22。传统的基于组织的生物标志物评估正逐步整合多种新型生物分析物,例如血液、血浆、尿液、唾液和粪便23,24,25,26。因此,生物样本库现已被视为提升临床实践的关键基础设施。回顾癌症研究的历史,我们认识到,若无对肿瘤组织或液体活检样本的直接检测,那些最具影响力和突破性的发现根本不可能实现。随着时间推移,待检测的肿瘤组织来源和液体活检类型已从粗略的解剖、随机的“偶然获取”"",甚至在某些情况下的非法交易,发展为系统化的癌症样本库和战略性现代肿瘤样本库。在实践中,诸多伦理问题的考量也发生了显著变化,这些变化正是现代肿瘤样本库与过去肿瘤样本收藏之间的重要区别所在。
随着癌症研究的进步以及现代技术提供的大量分子信息,越来越明显的是,生物样本库(尤其是癌症中心的生物样本库)可能面临多种方法学问题。其中,技术已成为一个普遍存在的挑战,至今仍阻碍着标准操作程序(SOP)的标准化与协调统一。维持生物样本库核心活动的另一个关键方面是拥有一个集成的实验室信息管理系统(LIMS)软件,能够接收并自动维护来自医院软件的所有医院标识符及所有编码化的临床数据。值得注意的是,目前已有其他一些用于管理生物样本库的有价值软件,包括部分免费软件,可供生物样本库管理使用27,28,29,30,31。生物样本库的另一个关键步骤是实施所有患者的参与协议,以及为临床数据和生物样本储存所必需的法律与伦理协议10,32。
在这方面,本方案制定了明确的指导原则,禁止在未获得知情同意的情况下收集和储存生物样本。这也是一个关键问题,因为患者即使在样本已被储存后,仍可随时撤回其参与;因此,我们已实施了能够快速将此类样本从生物样本库系统中移除的方法。由本生物样本库招募的患者所提供的生物样本,均遵循严格的采集与储存规程。为此,已对多个重要环节进行了评估,以监控该流程,并持续加以改进。特别是,ISO9001认证要求提供多项性能指标,例如热缺血时间,必须根据组织来源将该时间控制在30分钟或60分钟以内。此外,液体活检和生物体液的采集也遵循标准化规程,并严格执行规定的时间流程15,33,34,35,36。
特定特征在生物样本库的工作流程中具有重要意义。这些特征包括配备经认证的病理学家,以确保出于诊断目的进行组织取样,并在与样本高质量相兼容的时间范围内收集用于生物样本库保存的组织(缺血时间是某些类型研究的重要指标,例如依赖RNA的检测,这类检测要求较短的热缺血时间)。此外,管理样本储存所需空间在生物样本库中也极为重要。液体活检样本的采集数量可能由研究设计决定。根据各项研究设计的具体规定,液体活检样本通常可在术前及随访期间进行采集。
由于癌症预防的筛查活动以及对肿瘤的早期诊断(例如,在发育早期发现的小型乳腺肿瘤),再加上微创外科技术的普及,可用于研究的组织样本数量已显著减少(因为大多数组织样本始终优先用于诊断目的)。近年来,生物样本的采集和储存能力已大幅提升。这一点在生物液体方面尤为明显,反映出该生物样本库支持本研究所各研究团队获取日益增长的患者来源注释材料的能力有所增强。尽管取得了这些进展,我们在开展多中心研究时仍遇到一些局限性,此类研究需要协调全球不同地区生物样本库之间的合作,而只有通过实施相似的流程才能实现整合。
在排除了生物样本库相关的大多数伦理和技术问题(包括所有临床和人口学信息的采集)之后,下一步目标是实现用于诊断和研究目的的所有组织学切片和染色样本的数字化。这对于下一代研究具有根本性的重要意义,未来将极大受益于完全整合的数字病理学与生物样本库,这也将成为未来的标准。只有具备大量患者整合数据和数字图像的队列,才能推动多中心、大规模的人工智能(AI)研究,从而改善癌症患者的诊疗。总之,我们认为,优质的医疗保健并不仅止于诊断和治疗。最佳实践还包括持续探索各种疾病的诊断与治疗改进方法,尤其是那些严重影响预期寿命或生活质量的疾病。
作者声明无利益冲突。
作者谨向过去十年中通过捐赠其生物样本积极参与我们研究项目的全体患者表示衷心感谢。没有他们的支持,这项研究将无法实现。我们同时感谢欧洲肿瘤研究所(IEO)的所有工作人员,包括护士、技术人员、生物学家、医生以及各临床和研究部门的负责人。作者特别感谢Pier Paolo Di Fiore教授和Giancarlo Pruneri教授给予的指导。最后,我们将本研究献给IEO的创始人Umberto Veronesi教授,以纪念他在推动癌症研究与患者诊疗相结合方面的开创性贡献。
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