從生物樣本庫(kù)到開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)

李 新，杜 昕，馬長(zhǎng)生

從生物樣本庫(kù)到開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)

李 新，杜 昕，馬長(zhǎng)生

生物樣本庫(kù)建設(shè)在國(guó)內(nèi)處于迅猛發(fā)展階段，然而如何有效地將生物樣本庫(kù)中已整合的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為科學(xué)優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)生物樣本庫(kù)建設(shè)的終極目標(biāo)，在國(guó)內(nèi)還缺乏成熟機(jī)制。建立數(shù)據(jù)庫(kù)共享機(jī)制，是公益性生物樣本庫(kù)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。本文旨在通過(guò)對(duì)國(guó)際著名生物樣本庫(kù)(UK Biobank，英國(guó)生物樣本庫(kù))和遺傳變異數(shù)據(jù)庫(kù)(HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)，人類(lèi)基因組單體型圖數(shù)據(jù)庫(kù))的應(yīng)用情況介紹，闡述生物樣本庫(kù)持續(xù)推動(dòng)科研項(xiàng)目進(jìn)展、促進(jìn)科研成果產(chǎn)生的意義。

生物樣本庫(kù)；數(shù)據(jù)庫(kù)；共享機(jī)制

生物樣本庫(kù)是進(jìn)行轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的重要資源，正日益受到各國(guó)政府及科研單位的高度重視。生物樣本庫(kù)建設(shè)在國(guó)內(nèi)逐漸升溫，這也從一個(gè)側(cè)面體現(xiàn)出國(guó)內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的高度重視。同時(shí)，生物樣本庫(kù)建設(shè)的興起與國(guó)內(nèi)科研經(jīng)費(fèi)投入的持續(xù)增長(zhǎng)密不可分?？蒲薪?jīng)費(fèi)的增長(zhǎng)使得整體科研規(guī)模擴(kuò)大，而樣本是大多數(shù)生物及醫(yī)學(xué)類(lèi)基礎(chǔ)研究的根本，因此生物樣本庫(kù)建設(shè)對(duì)于推動(dòng)我國(guó)科研事業(yè)的發(fā)展意義重大。國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)一些生物樣本庫(kù)規(guī)范化建設(shè)方面的專(zhuān)著、系列培訓(xùn)和會(huì)議，對(duì)于我國(guó)生物樣本庫(kù)的建設(shè)起到了積極的推動(dòng)作用，其中對(duì)生物樣本庫(kù)建設(shè)的規(guī)范化操作流程和樣本收集、儲(chǔ)存的技術(shù)問(wèn)題都有大量涉及。本文僅探討生物樣本庫(kù)資源共享的意義和機(jī)制。

1 建立共享生物樣本庫(kù)的意義

要探討生物樣本庫(kù)共享的意義，首先要回答生物樣本庫(kù)為何要共享這一問(wèn)題。首先，當(dāng)前人類(lèi)單基因遺傳病的解析已不再是難題，一個(gè)全面揭示所有復(fù)雜性疾病相關(guān)基因和人類(lèi)遺傳機(jī)制的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。通常對(duì)于復(fù)雜疾病的研究需要較大的樣本量才能獲得有意義的研究結(jié)果，單一醫(yī)院難以在短期內(nèi)完成全部所需樣本收集。2013年在Nature Genetics上發(fā)表的對(duì)于心率關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的研究，共應(yīng)用了來(lái)自多個(gè)醫(yī)院和研究中心的181 171例個(gè)體的數(shù)據(jù)，鑒定出14個(gè)與心率相關(guān)的新位點(diǎn)[1]。大型研究對(duì)于樣本的需求量和時(shí)效性已經(jīng)超出了單一醫(yī)院的能力。其次，生物樣本庫(kù)建設(shè)的終極目標(biāo)不是保存樣本，而是通過(guò)對(duì)其保存樣本的應(yīng)用，開(kāi)展各類(lèi)研究，并將研究結(jié)果最后轉(zhuǎn)化為可應(yīng)用的技術(shù)成果。雖然人類(lèi)整體的生物、醫(yī)療數(shù)據(jù)量在增加，可以進(jìn)行一些規(guī)律性分析，但對(duì)于每一個(gè)體而言只有一個(gè)大致的總體規(guī)律還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要想實(shí)現(xiàn)個(gè)體化醫(yī)療，目前的信息和知識(shí)都還很匱乏，必須盡可能全面地收集每個(gè)患者的各種信息，包括臨床診斷、藥物反應(yīng)、長(zhǎng)期臨床事件追蹤、基因組、表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組等信息。在這些生物組學(xué)信息中，除了基因組信息比較恒定之外，其他組學(xué)信息都是高度可變的。所以，在某些基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用中對(duì)同一樣本只收集1次信息肯定是不夠的，比如人體同一時(shí)刻不同組織中或同一組織不同生理階段下轉(zhuǎn)錄組就有較大差異。要收集這樣龐大的數(shù)據(jù)體系，僅通過(guò)生物樣本庫(kù)機(jī)構(gòu)本身的力量顯然是杯水車(chē)薪。因此，生物樣本庫(kù)必須通過(guò)樣本和數(shù)據(jù)共享，吸引更多、更有實(shí)力科研團(tuán)體的合作，致力推進(jìn)科研進(jìn)展，才能加快解決轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中的關(guān)鍵問(wèn)題，比如實(shí)現(xiàn)真正的個(gè)體化醫(yī)療。

2 生物樣本庫(kù)共享機(jī)制

要探討生物樣本庫(kù)共享的機(jī)制，就必然涉及什么是生物樣本庫(kù)共享的最佳方式這一問(wèn)題。開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)則是生物樣本庫(kù)實(shí)現(xiàn)共享的最有效途徑，也是生物樣本庫(kù)可持續(xù)發(fā)展的必備條件。大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，生物技術(shù)的迅速發(fā)展所產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)必須通過(guò)規(guī)范化的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。只有建立了規(guī)范化的數(shù)據(jù)庫(kù)，將來(lái)才有可能對(duì)接到大型研究中，比如超大規(guī)模的分子流行病學(xué)研究計(jì)劃，從而為制定公共衛(wèi)生政策奠定基礎(chǔ)。一個(gè)樣本收集的信息量越豐富，這個(gè)樣本的潛在研究?jī)r(jià)值就越高。通過(guò)樣本共享和開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用，提高樣本利用率，并將研究數(shù)據(jù)反饋給生物樣本庫(kù)，從而不斷豐富樣本的各類(lèi)數(shù)據(jù)，使之能夠應(yīng)用于更多有意義的研究。這是一個(gè)良性循環(huán)過(guò)程，其最終結(jié)果是通過(guò)加快對(duì)樣本的透徹研究，產(chǎn)生對(duì)樣本貢獻(xiàn)者及全人類(lèi)有用的成果。這正符合轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)“從實(shí)驗(yàn)臺(tái)到病床旁”的目的。

3 典型生物樣本庫(kù)介紹

通過(guò)對(duì)英國(guó)生物樣本庫(kù)(UK Biobank)、國(guó)際人類(lèi)基因組單體型圖計(jì)劃協(xié)作組遺傳變異數(shù)據(jù)庫(kù)(HapMap數(shù)據(jù)庫(kù))應(yīng)用情況介紹，闡述生物樣本庫(kù)持續(xù)推動(dòng)科研項(xiàng)目進(jìn)展、促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化的意義。3.1 UK Biobank UK Biobank是目前世界上已建成的規(guī)模最大的人類(lèi)遺傳隊(duì)列生物樣本庫(kù)。UK Biobank在2006—2010年完成了全英國(guó)范圍50萬(wàn)名志愿者樣本的收集，占英國(guó)總?cè)丝诘?%，入選的志愿者年齡40～69歲。收集了所有入選志愿者的血液、尿液和唾液樣本，經(jīng)過(guò)了系列基本檢測(cè)，并跟蹤記錄他們此后醫(yī)療檔案中的健康資料，最終建成一個(gè)國(guó)家級(jí)的健康資源庫(kù)。2013年3月，UK Biobank正式宣布將對(duì)全部樣本進(jìn)行詳細(xì)的DNA分析。目前，UK Biobank已與Affymetrix公司合作完成了基因分型芯片的設(shè)計(jì)，并已在5萬(wàn)份樣本中完成了基因分型實(shí)驗(yàn)。UK Biobank希望通過(guò)開(kāi)放這些資源，使之能夠持續(xù)用于研究，最終回答個(gè)體之間為何會(huì)產(chǎn)生疾病易感性差異這一關(guān)乎公共利益的重大問(wèn)題。

所收集的信息都儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)上，免費(fèi)對(duì)經(jīng)過(guò)科學(xué)和倫理批準(zhǔn)的世界范圍內(nèi)的研究人員開(kāi)放。當(dāng)然，為了保護(hù)志愿者的隱私權(quán)益，在一定安全范圍內(nèi)會(huì)隱藏志愿者的個(gè)人信息。研究人員希望收集的大量信息能夠幫助闡明遺傳因素、生活方式及其相互作用對(duì)一些常見(jiàn)疾病，如心臟病、癌癥、糖尿病和癡呆等產(chǎn)生的影響。UK Biobank現(xiàn)已對(duì)研究者正式開(kāi)放其數(shù)據(jù)資源[2]，從2012年10月—2013年11月，在UK Biobank官網(wǎng)上列出的獲批研究有35項(xiàng)，廣泛涉及生物、醫(yī)藥領(lǐng)域各方向的研究。比如對(duì)抑郁癥和雙向情感障礙在英國(guó)發(fā)病率的分析[3]、對(duì)骨質(zhì)疏松的流行病學(xué)調(diào)查[4]。除了復(fù)雜疾病相關(guān)研究外，UK Biobank作為一個(gè)人口資源庫(kù)，還可用于對(duì)群體性狀的研究，比如對(duì)人類(lèi)左右手握力特征的研究[5]。

UK Biobank對(duì)資源開(kāi)放政策的一個(gè)原則是任何使用UK Biobank資源的研究其目的都是公益性的，都要將其研究產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果回饋到UK Biobank，并繼續(xù)用于未來(lái)的研究。這一原則確保了資源庫(kù)的數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富，可利用性越來(lái)越強(qiáng)，確保了資源庫(kù)的可持續(xù)發(fā)展。因此，UK Biobank認(rèn)為使用資源就是對(duì)資源庫(kù)的投入。

3.2 HapMap數(shù)據(jù)庫(kù) HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)(http:/www. hapmap.org)是國(guó)際人類(lèi)基因組單體型圖計(jì)劃(簡(jiǎn)稱(chēng)HapMap計(jì)劃)將所產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)對(duì)公眾免費(fèi)開(kāi)放的平臺(tái)[6]。HapMap計(jì)劃于2002年啟動(dòng)，是一個(gè)多國(guó)參與的合作項(xiàng)目，旨在確定和編目人類(lèi)遺傳的相似性和差異性。在2012年3月美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health，NIH)宣布其千人基因組計(jì)劃的全部數(shù)據(jù)將免費(fèi)對(duì)外開(kāi)放之前，HapMap一直是世界上最大的人類(lèi)基因變異數(shù)據(jù)庫(kù)，得到了廣泛應(yīng)用，尤其推動(dòng)了人類(lèi)復(fù)雜疾病遺傳因素的研究進(jìn)入新的階段。

HapMap計(jì)劃初期收集了非裔、亞裔和歐裔的4個(gè)群體(共270份樣本)，分別是尼日利亞伊巴丹市的約魯巴人、日本東京市的日本人、中國(guó)北京市的漢族人和人類(lèi)多態(tài)性研究中心的樣本(祖籍是北歐或西歐的美國(guó)猶他州人)[7]。2007年已公布了包含310萬(wàn)個(gè)單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)的第2代人類(lèi)基因組單體型圖譜[8]，2010年又增加至全球11個(gè)群體1 184份樣本的全基因組SNPs基因型數(shù)據(jù)和其中692份樣本的100 kb測(cè)序數(shù)據(jù)[9]，進(jìn)一步豐富了HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)。HapMap計(jì)劃不僅通過(guò)其國(guó)際協(xié)作組本身產(chǎn)生數(shù)據(jù)，同時(shí)大力鼓勵(lì)研究者發(fā)表對(duì)HapMap數(shù)據(jù)和其他研究計(jì)劃的數(shù)據(jù)相結(jié)合的文章，尤其是致力于尋找影響疾病或藥物應(yīng)答的基因；同樣鼓勵(lì)研究者使用HapMap數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)表分析多態(tài)性、連鎖不平衡和相關(guān)數(shù)據(jù)的新方法。正是這種數(shù)據(jù)開(kāi)放政策使HapMap成為應(yīng)用最為廣泛、最為深入的人類(lèi)群體基因型數(shù)據(jù)庫(kù)。如同人類(lèi)基因組計(jì)劃，HapMap計(jì)劃的完成是一個(gè)里程碑式的成就，從研究策略到分析與推算的多種方法，均代表了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的科研水平，具有極高應(yīng)用性和創(chuàng)新性。在保證數(shù)據(jù)和相關(guān)研究工具全部免費(fèi)開(kāi)放的同時(shí)，HapMap計(jì)劃國(guó)際協(xié)作組還將本計(jì)劃采集的全球共11個(gè)群體樣本的DNA和培養(yǎng)細(xì)胞系樣本存放在美國(guó)國(guó)家人類(lèi)基因組研究中心(NIH的一個(gè)分部)，可供全球研究者申請(qǐng)使用。唯一遺憾的是，HapMap計(jì)劃采集的這些樣本都是一般意義上的健康、正常個(gè)體，沒(méi)有附帶表型信息或任何醫(yī)療信息。然而，這絲毫不妨礙HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)作為一個(gè)人類(lèi)群體遺傳資源數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于遺傳多態(tài)性和基因組研究所產(chǎn)生的不可替代的重要意義，HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)的奠基作用對(duì)于后續(xù)開(kāi)展的系列全基因組規(guī)模研究的巨大推動(dòng)大大超出預(yù)料。

中國(guó)是HapMap計(jì)劃的參與國(guó)，是其中唯一產(chǎn)生數(shù)據(jù)的發(fā)展中國(guó)家。我國(guó)參與這樣大型國(guó)際項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)有益于國(guó)內(nèi)今后建設(shè)類(lèi)似HapMap的大型公益性科研項(xiàng)目及數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 面臨問(wèn)題

4.1 UK Biobank和HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中面臨的問(wèn)題 UK Biobank和HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)的公益性宗旨和在此宗旨下執(zhí)行生物實(shí)體樣本與數(shù)據(jù)共享或公開(kāi)政策的成功案例，對(duì)國(guó)內(nèi)建設(shè)大型公益性生物樣本庫(kù)無(wú)疑有借鑒意義。任何大型項(xiàng)目的成功都是多方共同努力的結(jié)果，也都?xì)v經(jīng)曲折。UK Biobank目前已獲得良好的公眾支持和信任，被看作是廣泛利用個(gè)體數(shù)據(jù)開(kāi)展研究的典范[10]。但因涉及大量醫(yī)療信息，其數(shù)據(jù)安全、醫(yī)學(xué)倫理及公眾信任度曾引起UK Biobank參與的志愿者、公眾和科研工作者熱烈討論[11-13]。UK Biobank獲得了政府的廣泛支持，但也曾報(bào)道因?qū)嶋H操作困難重重而進(jìn)展緩慢[14]。

與UK Biobank不同，HapMap計(jì)劃僅采集了入選志愿者的外周血樣本用于DNA變異分析，未收集表型和臨床信息，其相關(guān)的數(shù)據(jù)安全、倫理信息處理起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是在HapMap計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中卻面臨著其他方面的挑戰(zhàn)。為了與可能的基因或SNPs專(zhuān)利趕超時(shí)間，HapMap計(jì)劃國(guó)際協(xié)作組特別采取了根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度隨時(shí)公布數(shù)據(jù)的策略，在HapMap計(jì)劃網(wǎng)站上將所有階段性數(shù)據(jù)即時(shí)發(fā)布供全球研究人員無(wú)償使用。最終HapMap數(shù)據(jù)庫(kù)的所有數(shù)據(jù)，包括低頻和罕見(jiàn)SNPs、分型技術(shù)、算法與結(jié)果等，全部無(wú)償公布。這些舉措消除了人們對(duì)大規(guī)模疾病相關(guān)基因和位點(diǎn)的專(zhuān)利被私營(yíng)集團(tuán)控制的憂慮。最終受政府支持的公益項(xiàng)目以其無(wú)法超越的規(guī)模和速度迫使多個(gè)啟動(dòng)更早的企業(yè)相關(guān)項(xiàng)目，特別是針對(duì)復(fù)雜性疾病的計(jì)劃放棄對(duì)于SNPs的專(zhuān)利嘗試。不止一個(gè)企業(yè)有償或無(wú)償?shù)貙?shù)據(jù)納入到HapMap計(jì)劃中，甚至從競(jìng)爭(zhēng)者轉(zhuǎn)為重要參加者[15]。

4.2 我國(guó)生物樣本庫(kù)建設(shè)面臨的資源共享問(wèn)題

目前我國(guó)的生物樣本庫(kù)建設(shè)尚處于起步階段，但迅速升溫，尤其是近幾年在各級(jí)政府、基金委員會(huì)相關(guān)資源庫(kù)建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)的支持下出現(xiàn)了一大批生物樣本庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目。政府對(duì)生物樣本庫(kù)的重視無(wú)疑是一件好事，原則上以國(guó)家經(jīng)費(fèi)為主要投入來(lái)源的生物實(shí)體樣本庫(kù)及數(shù)據(jù)庫(kù)都應(yīng)遵守公益性原則，對(duì)參與者和研究者開(kāi)放。在實(shí)際操作中，因多種原因樣本及數(shù)據(jù)的共享是一個(gè)棘手的問(wèn)題，也是我國(guó)生物樣本庫(kù)建設(shè)與發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。要真正解決這一問(wèn)題，必然涉及國(guó)家科研經(jīng)費(fèi)分配體制、經(jīng)費(fèi)使用考核機(jī)制的改革。生物樣本庫(kù)的建設(shè)尤其需要長(zhǎng)期資金支持，在目前追求的“短、頻、快”的科研氛圍中，如何平衡長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展和當(dāng)下利益也是一個(gè)問(wèn)題。

當(dāng)前，即使中國(guó)短期內(nèi)無(wú)法建成UK Biobank那樣的大型國(guó)家生物樣本庫(kù)，也希望從目前國(guó)內(nèi)正在起步階段的眾多生物樣本庫(kù)中能盡快出現(xiàn)一個(gè)公益性質(zhì)的、對(duì)樣本捐獻(xiàn)者和研究者公開(kāi)的數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)論是人口庫(kù)或疾病庫(kù)，無(wú)論初始規(guī)模大或小，對(duì)國(guó)內(nèi)研究者都是一件幸事。呼吁國(guó)內(nèi)分散的生物樣本庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)能夠聯(lián)合起來(lái)，建設(shè)成一個(gè)國(guó)人的大型健康資源庫(kù)。然而，當(dāng)下中國(guó)的樣本庫(kù)建設(shè)，尤其是“生物樣本共享機(jī)制在中國(guó)錯(cuò)綜復(fù)雜的利益糾葛里走的步履維艱”[16]。無(wú)論如何，在現(xiàn)階段而言，只要能物有所用，能真正用于公益性的科研項(xiàng)目就是好的生物樣本庫(kù)。

生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究都離不開(kāi)生物樣本，“生物銀行”既是“當(dāng)務(wù)之急”，又是“百年大計(jì)”[16]。希望我國(guó)目前已建立的生物樣本庫(kù)中的“所有”能夠真正成為國(guó)內(nèi)科研工作者的研究“所用”，并最終將研究結(jié)果進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為人類(lèi)的福祉。

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Resource sharing of biobank through public database

LIXin，DU Xin，MA Changsheng
(Department of Cardiology，Beijing Anzhen Hospital，Capital Medical University，Beijing 100029，China)

Biobank or bioreporsitory construction is fastly developing in China.There are various growing biobanks supported by Chinese government foundations recently.However，almost none of them is currently available to public.Resource sharing can accelerate scientific findings and is necessary for long-term sustainability of the biobank.A mature resource sharing mechanism in China is yet to be developed.In this article，we discussed the way and the advantages of resource sharing through examples of the UK Biobank and the International HapMap Project，to discuss biobank on the research progress of scientific research project promotion and research achievements.

Biobank；Database；Sharingmechanism

R197.38

A

2095-3097(2014)06-0327-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2014.06.002

2014-01-10 本文編輯:徐海琴)

北京市科委科技項(xiàng)目(D131100005313007)；科技部項(xiàng)目(2011ZX09307-001-09)

100029北京，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院心內(nèi)科(李 新，杜 昕，馬長(zhǎng)生)

馬長(zhǎng)生，E-mail:chshma＠vip.sina.com