生物計(jì)量：在生命科學(xué)世界“以度審容”

來自商鞅方升的啟示

上海博物館有一個(gè)非常著名的鎮(zhèn)館之寶——商鞅方升，一個(gè)手掌大小的青銅容器，它是公元前344年商鞅任“大良造”時(shí)所頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)量器。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)，度量衡不統(tǒng)一，測(cè)量還停留在“布指知寸，布手知尺”的自然標(biāo)準(zhǔn)階段，偏差非常大，而且亂象叢生，在諸侯割據(jù)的國(guó)家，除了國(guó)君所頒布的“公量”外，卿大夫還設(shè)有“家量”，度量衡無法統(tǒng)一。商鞅很早就建立了“以度審容”的科學(xué)方法，也就是用已知長(zhǎng)度去計(jì)算容量的方法，他親自督造了一批度量衡標(biāo)準(zhǔn)器，也就是“商鞅方升”?！妒酚洝ど叹袀鳌酚涊d，制作完成的商鞅方升被發(fā)放到全國(guó)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(dá)到“一度量，平權(quán)衡、正鈞石、齊斗甬（桶）”的目的，商鞅還在每年春秋二季定期對(duì)量器進(jìn)行鑒定，這是最早的“計(jì)量校準(zhǔn)”活動(dòng)。秦始皇統(tǒng)一六國(guó)之后，延續(xù)了商鞅的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)制度，“一法度衡石丈尺，車同軌，書同文字”，奠定了強(qiáng)國(guó)基石。

商鞅方升作為國(guó)寶級(jí)計(jì)量器具曾登上央視，中國(guó)計(jì)量院方向院長(zhǎng)親自介紹，可見其意義重大。商鞅方升展示了中國(guó)人兩千多年前，通過人造計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)度量衡統(tǒng)一的實(shí)踐，它所代表的“以度審容”測(cè)量方案，核心就是通過固定已知參數(shù)，復(fù)現(xiàn)和度量未知的導(dǎo)出參量，這也是計(jì)量科學(xué)的關(guān)鍵理論，從最初的實(shí)物原器到常數(shù)定義計(jì)量變革，再到生物化學(xué)分子制造，我們一直在追求恒定參數(shù)和萬事萬物的關(guān)聯(lián)。

現(xiàn)代計(jì)量科學(xué)

在商鞅方升之后人類文明兩千多年的歷史中，計(jì)量科學(xué)不斷發(fā)展，1791年法國(guó)科學(xué)家取地球子午線長(zhǎng)度的四千萬分之一為一米，并制成了第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)米尺，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)米尺成為世界上最早的米原器，保存在法國(guó)檔案館。1875年3月1日，世界上17個(gè)國(guó)家在法國(guó)簽署“米制公約”，共同認(rèn)可法國(guó)檔案館米原器作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，由此組建了國(guó)際計(jì)量局（BIPM）。20世紀(jì)70年代之后，中國(guó)開始參與國(guó)際計(jì)量組織的活動(dòng)。

2018年11月16日，計(jì)量領(lǐng)域發(fā)生了重大變革，由國(guó)際計(jì)量局組織，60個(gè)成員國(guó)在法國(guó)巴黎投票通過了一項(xiàng)關(guān)于重新定義國(guó)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(shù)來定義，我們徹底告別使用實(shí)物來定義測(cè)量單位的時(shí)代。這不僅保證了SI的未來穩(wěn)定性，而且使這些定義可以通過量子等新技術(shù)復(fù)現(xiàn)。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)主席白瑞·英格里斯（Barry Inglis）說：“我們對(duì)世界的測(cè)量不再受到實(shí)物的限制了。我們有了全球通用的測(cè)量系統(tǒng)，為更加準(zhǔn)確的測(cè)量鋪平了道路，這將促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步。任何時(shí)間任何地點(diǎn)的科學(xué)家，只要有足夠的測(cè)量能力，都可以復(fù)現(xiàn)國(guó)際單位?！?/p>

生物計(jì)量新挑戰(zhàn)

生命科學(xué)的量值以分子為最小單元，以物質(zhì)的量摩爾（mol）為基本單位，以阿伏伽德羅常數(shù)NA來計(jì)算，1摩爾是精確包含6.022 140 76×1023個(gè)原子或分子等基本單元的系統(tǒng)的物質(zhì)的量。從重新定義的國(guó)際單位制布局圖，我們可以看出物質(zhì)的量mol，不再與其他基本單位相互關(guān)聯(lián)，而是形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的孤島，因此在實(shí)際的生物計(jì)量研究中，一個(gè)核心的挑戰(zhàn)就是發(fā)展生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)生物檢測(cè)過程與國(guó)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(biāo)準(zhǔn)（下）

生物計(jì)量是計(jì)量科學(xué)領(lǐng)域的新成員，最早的生命科學(xué)研究?jī)H限于現(xiàn)象和趨勢(shì)的觀察，最?；卮稹笆鞘裁?？”的問題，然而隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，生物定量測(cè)量變得越來越重要，大家開始關(guān)注“有多少？”。當(dāng)下，準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于臨床診斷、食品安全和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域，已經(jīng)與人類的生產(chǎn)生活密不可分。另一方面，生命科學(xué)相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，催生了大量的計(jì)量需求：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品質(zhì)量、儀器校準(zhǔn)等。所以總體來說，如何結(jié)合計(jì)量科學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行生物的準(zhǔn)確測(cè)量，是擺在計(jì)量研究者面前緊迫而艱巨的工作。

發(fā)展生物計(jì)量，是為了支持生物測(cè)量的可比性、有效性和溯源性，最終使測(cè)量可溯源到國(guó)際單位制。早在1999年，第21屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)就決定把生物計(jì)量學(xué)提上日程。隨后，物質(zhì)的量咨詢委員會(huì)（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(shù)可溯源測(cè)量系統(tǒng)，優(yōu)先考慮的是核酸測(cè)量、蛋白質(zhì)測(cè)量及其方法、分析過程的標(biāo)準(zhǔn)化，以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制，以便鞏固核酸和蛋白質(zhì)測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域。近幾年來，發(fā)達(dá)國(guó)家也加強(qiáng)了生物計(jì)量的投入。國(guó)際上目前從事生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制的機(jī)構(gòu)主要有美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與測(cè)量研究院、英國(guó)政府化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)聯(lián)邦材料測(cè)試研究院、澳大利亞國(guó)家測(cè)量院等。他們很早就關(guān)注了核酸和蛋白質(zhì)計(jì)量研究，在生物測(cè)量的質(zhì)量保證和計(jì)量方面也有了一定成果。

生物計(jì)量的發(fā)展在中國(guó)同樣引起了很大的關(guān)注，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院組建生物計(jì)量研究團(tuán)隊(duì)，取得了豐碩的研究成果，多次主導(dǎo)國(guó)際生物計(jì)量比對(duì)；上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院等計(jì)量機(jī)構(gòu)，則以地方產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，形成具有特色的生物計(jì)量研究能力。中國(guó)先后成立了三個(gè)相關(guān)的計(jì)量委員會(huì)：全國(guó)醫(yī)學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì)，全國(guó)臨床醫(yī)學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì)和全國(guó)生物計(jì)量技術(shù)委員會(huì)，負(fù)責(zé)組織方法比對(duì)和制定計(jì)量校準(zhǔn)法規(guī)文件。近年來，中國(guó)的生物計(jì)量基礎(chǔ)研究取得一定進(jìn)展，研制核酸和蛋白定量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)超過50項(xiàng)，完成生物分析儀器計(jì)量校準(zhǔn)方法編制超過10項(xiàng)。

臨床檢驗(yàn)是生物計(jì)量非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)溯源聯(lián)合委員會(huì)由國(guó)際計(jì)量局、國(guó)際臨床化學(xué)與檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)聯(lián)合會(huì)和國(guó)際實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可合作組織共同成立。其任務(wù)是指導(dǎo)和促進(jìn)世界公認(rèn)的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等效測(cè)量及為檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溯源提供全球平臺(tái)，以促進(jìn)和指導(dǎo)國(guó)際間承認(rèn)和接受臨床檢驗(yàn)結(jié)果的等效性和溯源到適宜的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，提高醫(yī)護(hù)水平，促進(jìn)貿(mào)易。臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要包括化學(xué)類和生物類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)兩大類：化學(xué)類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有240多種；生物類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有70多種，包含了血液學(xué)、細(xì)胞學(xué)、免疫學(xué)和遺傳學(xué)幾大類的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。目前國(guó)外已有的臨床有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中針對(duì)腫瘤癌癥等重大疾病的研究也還不多，相關(guān)的腫瘤標(biāo)志物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)目前僅有幾種。

國(guó)內(nèi)研究這些臨床標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的機(jī)構(gòu)主要集中在中國(guó)計(jì)量院、國(guó)家衛(wèi)健委臨床檢驗(yàn)中心以及部分生物醫(yī)藥公司。國(guó)內(nèi)臨床標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)目前的總數(shù)已有180多個(gè)，其中有蛋白質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)20種，脂類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)13種，但覆蓋的臨床檢測(cè)種類并不多。目前臨床檢驗(yàn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與發(fā)達(dá)國(guó)家研究水平還有較大差距，如針對(duì)一些腫瘤癌癥和重大傳染病相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究還處于空白水平。因此，迫切需要加大對(duì)重大疾病相關(guān)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制的重視和投入，研究開發(fā)其相應(yīng)的生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，保證患者檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

關(guān)于臨床檢驗(yàn)量值溯源，ISO17511標(biāo)準(zhǔn)和ISO18153標(biāo)準(zhǔn)做出了具體說明，要求應(yīng)用參考系統(tǒng)，即參考測(cè)量程序或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，驗(yàn)證常規(guī)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。NIST的幾個(gè)膽固醇標(biāo)準(zhǔn)（SRM911、SRM909、SRM1951、SRM1952），使臨床檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的膽固醇測(cè)量結(jié)果中錯(cuò)誤的陽性和陰性數(shù)目穩(wěn)定地減少了5.5%和7.2%。這些改進(jìn)不僅使疾病診斷更加準(zhǔn)確，而且每年節(jié)省誤診病人的治療費(fèi)一億多美元。

生物標(biāo)準(zhǔn)：從宏觀到微觀的分子制造

生命現(xiàn)象和功能決定于生物分子的量（物質(zhì)的量）和結(jié)構(gòu)，因此生物標(biāo)準(zhǔn)必將圍繞物質(zhì)的量和微觀尺寸這兩個(gè)測(cè)量領(lǐng)域來開展，而現(xiàn)代的分子生物學(xué)技術(shù)讓我們可以再造生物標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確地回答“有多少”和“有多小”的問題。

生物分子的物質(zhì)的量濃度標(biāo)準(zhǔn)分子克隆技術(shù)和蛋白質(zhì)工程技術(shù)為我們提供了宏觀尺度分子制造手段，同時(shí)通過高準(zhǔn)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(gòu)建最高的生物計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。例如，質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是一種含有檢測(cè)目的基因的特異性片段的重組質(zhì)粒分子，在PCR定性檢測(cè)中可以作為陽性對(duì)照，在定量PCR中可以作為定量分析的標(biāo)準(zhǔn)品，構(gòu)建定量分析的標(biāo)準(zhǔn)曲線。在上海計(jì)量院，質(zhì)粒DNA的定值采用了三種方法以保證其量值的準(zhǔn)確性：紫外分光光度法在生物化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用面廣；HR-ICP-MS法量值溯源清楚，是分析化學(xué)中高精度的檢測(cè)手段；數(shù)字PCR技術(shù)通量大、重復(fù)性好，在生物分析領(lǐng)域也是最先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)之一。將這三種方法聯(lián)合起來給質(zhì)粒DNA定值，可有效保障標(biāo)準(zhǔn)量值的準(zhǔn)確度和溯源性。上海計(jì)量院先后研制了30種質(zhì)粒DNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其中5種是國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2020年新冠疫情期間，上海計(jì)量院與上海交大聯(lián)合組建研究團(tuán)隊(duì)緊急啟動(dòng)了新冠病毒RNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研發(fā)項(xiàng)目，研究高準(zhǔn)確度RNA數(shù)字PCR絕對(duì)定量方法，研制了兩種“新型冠狀病毒體外轉(zhuǎn)錄RNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”，以新冠病毒E、N和ORF1ab三個(gè)基因?yàn)槟繕?biāo)，涵蓋世界衛(wèi)生組織和中國(guó)疾病預(yù)防控制中心公布的關(guān)鍵檢測(cè)區(qū)域，利用體外轉(zhuǎn)錄方法制備，采用數(shù)字PCR方法對(duì)新型冠狀病毒RNA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度進(jìn)行測(cè)定。研究成果可以為病毒RNA檢測(cè)方法研發(fā)提供靶標(biāo)；可以直接用于質(zhì)控，對(duì)核酸試劑盒靈敏度、線性范圍、靶向基因區(qū)域等進(jìn)行確認(rèn)；也可以為檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室提供RNA陽性伴隨樣品，預(yù)警假陰性結(jié)果，為病毒RNA檢測(cè)提供量值溯源的“砝碼”。

自組裝生物分子微觀尺度標(biāo)準(zhǔn)隨著醫(yī)學(xué)診療和生命科學(xué)研究探索深入到單細(xì)胞、單分子甚至更加微觀的層次，尤其是納米技術(shù)的引入，使得更多的原位、活體、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的生物化學(xué)信息采集需求被提了出來，生物學(xué)逐漸從趨勢(shì)分析、定性研究發(fā)展到定量研究，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性也變得越來越重要，一個(gè)看起來極微小的尺度偏差，可能會(huì)對(duì)結(jié)果判讀產(chǎn)生本質(zhì)的影響。生命科學(xué)中微觀尺寸信息的準(zhǔn)確度和量值溯源水平成為亟待解決的科學(xué)問題，開展微觀尺度生物標(biāo)準(zhǔn)研究勢(shì)在必行。

高分辨熒光顯微成像技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)生命科學(xué)研究從組織、器官水平向細(xì)胞和分子水平跨越，通過光切片成像、熒光標(biāo)記與共定位、三維空間還原及動(dòng)態(tài)成像，可以從微納尺度直接獲取生命最小基本單元（細(xì)胞、分子等）的功能、現(xiàn)象和機(jī)理信息。然而，在高分辨熒光顯微領(lǐng)域，計(jì)量溯源標(biāo)尺還是空白，嚴(yán)重影響了基礎(chǔ)研究成果標(biāo)準(zhǔn)化和轉(zhuǎn)化應(yīng)用的進(jìn)程。盡管其他高分辨成像技術(shù)，如電子顯微鏡、原子力顯微鏡等已經(jīng)建立了成熟的顯微標(biāo)準(zhǔn)，但是因?yàn)椴痪邆錈晒鈽?biāo)記功能，因此無法在生物顯微領(lǐng)域直接應(yīng)用。目前，高分辨顯微鏡只能通過利用一些細(xì)胞絲狀體對(duì)分辨率進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)判，但細(xì)胞絲狀體的結(jié)構(gòu)、染色位置都存在個(gè)體差異，而且因?yàn)椴痪哂袦?zhǔn)確的尺寸量值，因此無法作為統(tǒng)一的計(jì)量溯源標(biāo)準(zhǔn)。

重新定義的國(guó)際單位制，七個(gè)基本單位分別是：長(zhǎng)度（米，m）、質(zhì)量（千克，kg）、時(shí)間（秒，s）、電流（安培，A）、熱力學(xué)溫度（開爾文，K）、物質(zhì)的量（摩爾，mol）和發(fā)光強(qiáng)度（坎德拉，cd）

DNA納米自組裝技術(shù)推動(dòng)框架核酸的發(fā)展，已經(jīng)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(jié)構(gòu)。據(jù)報(bào)道，科學(xué)家通過一條長(zhǎng)度7 000多個(gè)核苷酸的主鏈DNA與200多條短訂書針鏈雜交，可以形成一個(gè)精確可控的長(zhǎng)方塊分子結(jié)構(gòu)。目前用于高分辨熒光顯微術(shù)的框架DNA納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)從基本的原理證明實(shí)驗(yàn)發(fā)展到商業(yè)化的測(cè)試結(jié)構(gòu)。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的科學(xué)家針對(duì)DNA納米標(biāo)尺開展研究探索，證明了這種計(jì)量溯源思路的可行性。更重要的是，通過分子礦化技術(shù)，這種自組裝的納米分子結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性可以大大提升，能夠?qū){米尺度上的物質(zhì)進(jìn)行精確的控制，還可以獲取高收率、重復(fù)性好、穩(wěn)定的框架DNA納米結(jié)構(gòu)。

結(jié)語

從兩千多年前的商鞅變法開始，中國(guó)人就領(lǐng)會(huì)了“以度審容”的科學(xué)道理，雖然還不知道容積的準(zhǔn)確計(jì)算方法，但懂得人工制造計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，利用一維的量值，統(tǒng)一三維的體積。同比而言，我們今天生命科學(xué)的測(cè)量面對(duì)更大的挑戰(zhàn)：生物標(biāo)志物具有高度的復(fù)雜性、極低的濃度水平，而影像表征跨越從個(gè)體、細(xì)胞甚至分子的多個(gè)尺度。但是問題的解決方案卻蘊(yùn)含在同樣的道理當(dāng)中，為了應(yīng)對(duì)生命科學(xué)復(fù)雜測(cè)量的挑戰(zhàn)，需要發(fā)展基本生物分子標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)現(xiàn)決定性的生物參量，從而將國(guó)際單位制關(guān)聯(lián)到每一個(gè)生物測(cè)量結(jié)果。計(jì)量科學(xué)因?yàn)榇砹斯胶徒y(tǒng)一的屬性，在中華文明中具有非常特殊的地位，它起始于長(zhǎng)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(jí)的測(cè)量方法，在革新中不斷重生發(fā)展。隨著生命科學(xué)測(cè)量準(zhǔn)確度、統(tǒng)一性、有效性需求的提升，必將與計(jì)量科學(xué)相互交叉促進(jìn)，形成再一次的突破發(fā)展，生物計(jì)量研究方興未艾。

致謝：感謝上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院聞艷麗、許麗、梁文、曹程明，以及上海交通大學(xué)孫潔林、左小磊的支持和貢獻(xiàn)！