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生命科学领域生物计量

/biometrology of life science field/
最后更新 2022-01-20
浏览 246
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生物计量一般概念和测量方法及生物计量标准在生命科学领域的发展应用。主要涉及各种生命活动中生物之间、生物与环境之间,以及在人类经济、社会活动中的发展应用,结合如生物农业、食品安全、生物安全、物证鉴定、临床检验及生物环保等的特点,实现相应生物特性量检测结果准确、可比与可溯源的计量活动。

英文名称
biometrology of life science field
所属学科
仪器科学与技术

生物计量作为计量学的一个分支,是一个新兴的学科,正在迅速发展中。它保证了生命科学领域生物特性量测量结果最终可溯源到国际单位(SI)制单位或国际公认单位。通过建立计量学溯源性获得可靠的测量结果,使标准的结果可检验,过程可复现,支持生物测量结果的可比、有效和可溯源,进而实现对生物产品及质量的信赖。生物计量标准既包括传递、复现生物量值的装置、设备,也包括作为量值载体的生物标准物质。按照生物对象,生物标准物质可以分为蛋白质标准物质、核酸标准物质、细胞标准物质、微生物标准物质、脂质类标准物质、多糖类标准物质等;按照标准物质在生命科学领域中的用途可以分为转基因标准物质、生物毒素标准物质、食品微生物标准物质、食用油中脂肪酸标准物质、乳清蛋白粉总氮和蛋白质含量标准物质、临床检验尿液红细胞和白细胞标准物质、牛血清白蛋白标准物质、生物安全防护评价用模式微生物标准物质、水环境微生物标准物质、生物分析仪器校准用标准物质等;按照传递的量值可以分为多肽含量标准物质、DNA序列标准物质、生物活性标准物质、细胞计数标准物质、微生物计数标准物质等。

随着生物计量的深入研究,生物测量的难度越来越大、问题也越来越多,相关计量技术也越来越丰富。例如,生物分析对象和生物样本基质越来越复杂,对象包括生物小分子、核酸、蛋白质、多糖、细胞、微生物等;样本基质包括尿液、血液、动物、植物、食品等。在生命遗传病/肿瘤标志物测量中,人血清中蛋白丰度跨越了10个数量级,人体中约含有3万个基因,每个细胞中含有超过10000条核糖核酸(RNA);同时,生物测量的数据越来越多,不仅需要生物数据库(如表观基因组数据库、蛋白数据库等)的支持,还需要生物统计学、生物信息学等作为支撑。

生物计量与生命科学领域紧密联系,解决生命科学中的重大问题,支撑生命科学领域发展应用。

中国计量科学研究院在生命科学领域所涉及的食品安全、生物安全、生物农业、物证鉴定、临床检验和生物环保等方面开展了研究工作,取得了丰硕的成果,获得了一定社会效益和经济效益,也促进了学科的发展。

在生物农业与食品安全方面,中国计量科学研究院研究建立了转基因检测溯源传递体系和相关生物计量标准以保证进口粮食转基因成分检测数据的准确可靠和安全评价保障;食品微生物计量标准确保中国食品微生物测量结果准确可靠;营养成分相关计量标准解决了中国近5亿特殊人群需要准确食品营养标识的需要。

在生物安全方面,生物技术引起的生物安全问题和外来物种入侵引起的生物安全问题日益突出。研究建立的核酸和蛋白质测量标准,实现了核酸和蛋白质测量的准确、有效、可比,为国家公共安全领域、生物技术企业和其他基础性公益性部门进行核酸和蛋白质相关检测和研究提供了技术支撑;建立的模式微生物计量标准,为中国装备防护性能的定量评价提供了“标尺”,为保证人员防护装备的防护性能评价与生物监测数据的准确、可靠、可比,以及为病原微生物安全监测和疾病防控提供计量技术支撑。

在物证鉴定方面,法医DNA鉴定在中国已经广泛开展,其中sanger测序技术是法医检测的黄金标准,配套的检测试剂和质量控制标准已经研制成功。中国计量科学研究院制定了《遗传分析仪校准规范》,研制了荧光标记片段DNA标准物质,为基于毛细管电泳原理的法医DNA鉴定用仪器的校准提供了计量技术和标准支撑。

在临床检验方面,按国际法规指令要求,如欧盟体外诊断指令98/79/EC要求校准物和/或质量控制物质的计量学溯源性必须通过上一级的参考测量程序和/或可靠的更高等级参考物质来保证。从而避免不必要的重复检查,节约大量的支出,确保病人得到正确的诊断与治疗。通过临床检验计量技术研究,中国计量科学研究院主导了国际计量局CCQM P137血清中淀粉酶活性测定的国际比对研究,参加了CCQM P164血清中人生长激素含量测量国际比对研究,制定了《半自动生化分析仪检定规程》等多项临床检验中重要生物分析仪器的规范规程。

在生物环保方面,中国计量科学研究院在国家科技支撑计划项目课题《水环境微生物测量溯源技术及计量标准研究》的支持下,研制了一系列领先的9种水环境监测用微生物相关标准物质,建立了水环境中微生物精准测量方法。制定了《全自动微生物定量分析仪校准规范》《ATP荧光微生物检测仪校准规范》《水质毒性检测分析仪校准规范》等计量技术规范,确保了中国的水环境微生物测量结果的准确、可靠、可比和国际互认。应用生物计量研究建立了污水高效处理菌剂、生物膜、污泥减量化菌剂等与生物制剂的质量评价相关的计量标准;污水及废气的采样、处理、检测用设备的计量校准及标准;生物农业、土壤修复采用的生物制剂,生态系统修复用的生物材料的质量评价标准等。随着生物环保技术的发展,生物计量在生物环保领域的应用与技术开发随之加强,对生物环保中的测量准确性、可比性、溯源性起到基础性作用,保障了生物产业良性发展。

在生物产品质量控制、分析仪器检定校准方面,已经发布和正在制定的核酸、蛋白、细胞、微生物分析仪器及生物综合分析仪器的检定规程或校准规范有40多项,有效保证了中国生物检测结果的准确性与可比性。

有关生命科学领域生物计量的应用研究还在不断发展中。其中有不少还正在研究中,例如在兴奋剂检测方面,基因工程技术的日益成熟为生物兴奋剂滥用提供了新的途径——通过基因重组技术生产重组蛋白兴奋剂,如生产重组人促红细胞生成素(rhEPO)和重组人生长激素(rhGH),这些已被国际奥委会(IOC)列为禁用药物。从公平竞赛及机体健康角度,需要对生物兴奋剂进行简易、准确的检测,这就需要建立生物兴奋剂的计量检测方法并研制相应的标准物质,为重组蛋白兴奋剂的检测提供溯源依据。

此外还有精准医学领域生物计量、精准农业领域生物计量、生物药品的生物计量等。生命组学计量标准正在研制,这些已经和正在进行的应用研究,体现了生物计量学科的复杂性和重要性,与国家战略、国家安全、生物产业、国家粮食安全、生命健康紧密相关,并具有应用领域自身的特点。它们是生物计量学科继续发展的生长点。

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