基于冷鏈監控系統規劃生物樣本庫的建設與管理

熊偉，黃玉釵

作者單位：430000 武漢，華中科技大學公共衛生學院環境與健康教育部重點實驗室/國家環境保護環境與健康重點實驗室（武漢）/省部共建國家重點實驗室培育基地—湖北省環境衛生學重點實驗室

疾病預防控制、臨床診治、基礎醫學和計算機管理的 有機結合已成為當今醫學發展的重要趨勢。2019年8月30日國家標準化管理委員會發布了《生物樣本庫質量和能力通用要求》（GB/T 37864-2019），對推動我國生物樣本庫的標準化構建和學科建設與發展具有重要的意義，也標志著國內生物樣本庫建設進入了全面實施標準化發展的新時代。

生物樣本及相關數據和信息的采集、制備、保存、測試、分析和分發的合法實體稱為生物樣本庫（biobank）[1]。生物樣本對提升人類健康醫療水平和推動生物技術的發展具有重要的意義。生物樣本的質量是科研水平及生物制品研發的基礎保障，科學規范的實體樣本庫是樣本得以安全有效保存的必要條件[2-4]。生物樣本庫的發展已不斷趨向大型化、自動化、智能化和信息化。但是，國際上尚缺乏統一的建設標準[5]。近年來，我國生物樣本庫的建設備受重視，雖已建成多個實體庫，但規劃設計和管理模式各不相同。

-86 ℃ 超低溫冰箱是國內外儲存生物樣本的常選設備[6]，對其所處環境進行系統化管理有助于提高樣本保藏的質量和安全性。目前，有關 -86 ℃ 超低溫冰箱存放基礎設施、專用場地和環境建設，以及相關技術要求、布局、運行安全和冷鏈監控管理的研究報道不多，在應急管理方面尚缺少正式的應急預案、樣本轉移方案等[7]。我院通過 10 余年的努力，以約 300 臺 -86 ℃ 超低溫冰箱為主要保存設備，現已建成五個生物樣本庫，并探索出生物樣本庫的數字化監控與科學管理辦法，為相關科研工作的可持續性發展奠定了重要基礎。

本研究意在交流我院基于管理 -86 ℃ 超低溫冰箱而建設生物樣本庫的實踐經驗，以期為我國生物樣本庫管理及其標準體系的建設提供參考。

1 環境建設與規劃體系

生物樣本庫標準化體系的構建不僅需考慮樣本、設備和人員配備這三大要素，還應科學規劃生物樣本庫的基礎設施、場地布局、低溫保藏設備的安全監管和規范維護[8]。通過建立含門禁視頻監控的安全管理技術體系，可實現生物樣本庫的標準化、信息化、安全化的管理。

生物樣本庫的基礎設施、專用場地和環境應符合一定標準，既要便于保藏樣本，又不易影響樣本質量。在保障人員安全和樣本數據質量的前提下，還應測量、監測、控制和記錄生物樣本的環境條件，制定應急預案，應對環境風險，確保生物樣本庫的正常運行。

根據樣本特性，為保證其質量及安全，自樣本的采集到其利用始終保持低溫狀態的全流程稱為冷鏈[9]。生物樣本取出、保藏運輸以及存入樣本庫的各環節均應保證低溫，這一低溫操作流程即一條冷鏈。生物樣本庫的環境監控系統應覆蓋整條冷鏈，對樣本的采集、分放、歸類、入庫和出庫等各環節實施監控。此外，保存生物樣本的超低溫冰箱等設備是否正常運行，低溫冷藏設備運行環境參數（如溫度、通風等）也應在監控范圍內。

1.1 環境建設

目前國內建立的生物樣本庫大多類似于樣本“庫房”，只具備簡單的存儲功能[10]，往往忽視對生物樣本庫的環境建設、安全管理、冷鏈監控系統的要求。因此，全面加強對生物樣本庫環境的安全建設和科學管理十分必要。樣本庫建設必須首先對場地進行規劃，并保障地面、通風系統、溫濕度調節系統、電源配備、照明設施、清潔配套設施等基礎設施配置齊全。

對于大部分生物樣本庫而言，適宜的環境溫度為 15 ～ 22 ℃。為防止機械冷柜和冷凍機壓縮機系統的負荷過大，避免機器過度磨損和過早出現故障，必須在生物樣本庫中配備功率足夠的空氣調節設備，以確保環境溫度控制在限值范圍，生物樣本庫內，尤其是低溫保藏設備處，應保障充足的空氣循環空間，防止多余的熱量積聚，對壓縮機的功能產生不利影響；應保證液氮和干冰使用區域具有良好的通風條件，以維持充足的氧氣濃度。

1.2 設備布局

以 -86 ℃ 超低溫冰箱為例，距離墻面或超低溫冰箱彼此的最小間距為 20 cm，以方便開門取樣及保證設備間有 足夠的通風空間，每臺設備實際占地面積約為 2.54 m2。合理布局可避免因壓縮機系統在高溫環境下運行負荷過大導致低溫保藏設備損壞，從而延長設備使用年限；集中分散 放置的低溫保藏設備并加以規范管理和維護，可節約空間和資源。

1.3 人員配備與責任

生物樣本庫的責任人必須切實履行管理工作職責，最好具備類似的管理經驗，經培訓考核通過后方可上崗。從事生物樣本庫的工作人員應具有中國醫藥生物技術協會組織生物樣本庫分會頒發的上崗證書。

1.4 低溫保藏設備的選用

生物樣本庫設備的選擇和使用，包括設備的狀態都會對采集、接收、處理、儲存、運輸和檢測的樣本及相關信息的質量產生影響。根據生物樣本庫中保存的生物樣本類型的不同，應該選擇相應的設備，具體的保存設備如圖 1 所示。對于組織蠟塊切片樣本采用常溫保存或 -20 ℃ 低溫冰箱保存；短期血液適用 4 ℃ 冰箱保存；保存血漿/DNA 等樣本可選用 -40 ℃ 冰箱；如果要長期保存 DNA、血清、血漿和組織等樣本，推薦 -86 ℃ 超低溫冰箱（我院采用的主要保藏設備）；需要長期保存的 RNA、組織、細胞、蛋白等樣本在條件允許的情況下可選用 -150 ℃ 超低溫冰箱和 -190 ℃ 液氮罐。

1.5 環境參數的評估

生物樣本庫中應配置足夠的空調和通風設施，以使機械制冷設備能達到其理想壽命。由于低溫保藏設備運行時釋放大量熱量，在空調配置設計中，應在普通居家或一般庫房用途估算空調負荷的基礎上，增補設備運行散熱所需的空調負荷。此外，還應結合地域的氣象特點，對生物樣本庫的空調設計負荷進行概算，提出生物樣本庫應配套的空調配置參數和數量需求。

1.5.1 一般用途庫房空調負荷的估算 一般用途庫房的空調負荷受到樓層、窗戶、墻體、照明裝置及其他電器設備的影響，以庫房單位空調負荷 100 W/m2計算，普通庫房總負荷 W = S（房間面積）× 100。

1.5.2 冰箱散熱所需空調負荷的估算 -86 ℃ 超低溫冰箱正常運行時的平均輸入功率為 1200 W。考慮設備在設 定工作溫度下有開停機，是非持續的運行，其放熱量擬按 1000 W/臺計算。設備總負荷 W = n（設備臺數）× 1000。 這部分熱量將成為主要空調負荷。

綜上，該設備間在設計房間溫度下（32 ℃ 以下）正常運行時，空調總負荷 W =普通庫房總負荷 + 設備總負荷。

2 冷鏈監控系統

環境因素可影響低溫保藏設備的工作狀態，從而間接影響生物樣本質量，因此，需要通過建立冷鏈監控系統對生物樣本庫的溫度、濕度等環境因素實施監控。傳統環境監控模式下用戶存在以下困擾，無法及時查看和分析冷鏈設備使用狀況和性能、無法及時了解并解決冷鏈設備出現的溫度波 動[11]，并可能由此造成樣本損壞。環境監控的系統應盡量考慮到完整的冷鏈系統，并因地制宜、有所取舍地進行配置。對于從事樣本長期保藏和處理的中心樣本庫，需盡量采用較為全面的環境監控措施，這種全方位的監控手段可保證某項監控出現故障時能及時發現并加以排除。

冷鏈監控解決方案如圖 2。智能采集器通過局域網將采集的環境和設備溫度數據傳輸至相應的中繼器模塊；客戶端服務器則通過向中繼器傳輸請求指令以接收中繼器模塊獲取的溫濕度數據；可以通過客戶端軟件查看、分析和處理接收到的溫濕度數據。當冷鏈設備溫度超過設定值，冷鏈監控系統將通過三種報警方式提醒指定管理人員：響聲報警、手機短信報警、語音電話報警。在客戶端可通過聲音報警和信息滾動報警兩種方式實現對超溫信息的預警，客戶端服務器也可同時將超溫信息以短信的方式發送到指定的手機，或撥打固定電話進行語音報警。

通過已建立的冷鏈監控及監控報警系統對環境及超低溫冰箱的溫濕度數據自動分析，設定啟動報警系統的溫濕度閾值。數據異常監控報警系統以響聲、短信和電話三種報警方式提醒指定管理人員。

通過已建立的冷鏈監控系統對低溫保藏設備供電系統進行遠程監控。一旦出現停電、跳閘、電源松脫等故障，局域網中繼器模塊接收并保存故障超低溫冰箱的智能采集模塊所采集的電源通、斷數據，隨后及時將異常數據通過短信 模塊以短信和電話兩種方式報警。

圖2 冷鏈監控解決方案

通過已建成的冷鏈監控系統可遠程監控樣本庫的環境，以確保生物樣本庫的濕度在 35% ～ 75% 范圍。如生物樣本環境濕度超出該范圍時，冷鏈監控系統管理端的短信模塊和電話本模塊即以短信和電話兩種方式報警，提醒管理人員開啟除濕機。

通過對冷鏈設備溫度超溫短信報警和有線監控，讓用戶隨時了解低溫保藏設備的運行狀況，保證樣本的安全，真正實現全日無憂。此外，用冷鏈監控系統的報表統計分析功能可替代手工記錄相關信息的方法，不僅降低了相關人力成本，還保證了管理數據的及時性和準確性。

3 安全監管系統

局域網已廣泛用于各行各業共享軟件或硬件資源，形成的多臺計算機與設備設施的網絡連接為實現生物樣本庫的遠程實時監管起到了關鍵作用。安全監管系統充分利用了局域網的優勢用于生物樣本庫的安全管理[12-14]。建立智能邏輯鑒權門禁功能、視頻監控錄像功能于一體的全數字化管理系統，在保障生物樣本庫設備設施安全的同時為全時段方便取樣提供有效保障。采用授權進出可避免閑雜人員進入，保證設施設備和生物樣本的安全，方便了授權用戶全天 24 小時的隨時取樣，保障生物樣本庫低溫保藏設備在適宜環境中在 24 小時監控下的運行，通過局域網安裝視頻監控攝像頭以便管理人員遠程查看生物樣本庫設備運行以及人員入庫、出庫情況，協助管理員監控在存取樣品過程中是否有違規操作現象，為教學和科研工作保駕護航。

4 生物樣本庫的應急管理

4.1 配備應急供電裝置

建立電源實時監控系統，及時通過短信/電話方式向用戶報警設備因停電或插頭插座松脫斷電信息，由此降低影響生物樣本保藏質量的風險。

對重要的冷鏈監控設備，如電腦應配備不間斷應急電源，從而可確保在斷電時能持續供電 15 ～ 30 min，從而降低監控設備因斷電無法正常工作而影響保藏生物樣本質量的風險。建議有條件的樣本庫配備雙路供電系統，并能在停電時短期內自動啟用線路切換供電；小規模生物樣本庫可配備用發電機在停電時作為替代電源，從而降低因長時間斷電對樣本庫低溫保藏設備的損壞及其對保存的生物樣本質量的不利影響的風險。

4.2 制定樣本轉移應急預案

機械制冷保藏設備與公用電源系統相連，因此應當制定相關的備用電源計劃和應急響應計劃。保藏材料顯著升溫 的所需時長與材料的性質、機械制冷保藏設備中所保藏材料的溫度（熱負荷）、環境溫度以及裝置的設計和維護情況有關。機械制冷保藏設備必須配備低溫保藏設備作為緊急設備，以便在設備出現故障和較長時間斷電時及時轉移設備中的樣本。

應急處置預案要結合樣本庫的實際情況，樣本庫管理員需負責預案的制定和落實。制定預案時考慮各種可能的處理方案，以便緊急情況下選用。如考慮冰箱鑰匙的存放位置、密碼的設置，以及轉運樣本時需要的低溫保藏設備如轉運盒、冰袋等。應根據樣本庫的規模配置備用保藏設備，建議每 10 臺超低溫冰箱配備 1 臺備用設備。以備某臺超低溫冰箱故障時有足夠的空間應急轉移樣本。備用冰箱須全空保持正常運行狀態，否則發生需要轉移樣本的情況再開機啟用就來不及正常使用了。制定樣本庫低溫保藏設備應急處置預案，最大程度降低樣本安全風險。

結合已建立的遠程自動報警系統，當停電或其他故障致凍存設備溫度升到設定閾值時，此報警系統將發送短信和（或）電話通知管理人員，以便及時查看設備狀態、查找故障原因，并根據實際情況判斷是否轉移樣本，同時做好報警信息記錄和生物樣本轉移信息記錄，及時通知生物樣本的負責人。事后及時對故障設備進行檢修和維護。

5 小結

以冷鏈監控系統為主導，結合局域網技術實現對生物樣本庫的遠程實時監控，不僅利于生物樣本庫的規范化、標準化的科學管理，而且對生物樣本的安全性給予根本保障，尤其適于獨立單元建設的生物樣本庫，可為生物樣本的安全性和可持續性科學價值提供保障，同時也是培養高水平醫學專業人才隊伍，提升醫療衛生科研水平的戰略儲備的重要基礎。