生物计量：在生命科学世界“以度审容”

来自商鞅方升的启示

上海博物馆有一个非常著名的镇馆之宝——商鞅方升，一个手掌大小的青铜容器，它是公元前344年商鞅任“大良造”时所颁发的标准量器。春秋战国时，度量衡不统一，测量还停留在“布指知寸，布手知尺”的自然标准阶段，偏差非常大，而且乱象丛生，在诸侯割据的国家，除了国君所颁布的“公量”外，卿大夫还设有“家量”，度量衡无法统一。商鞅很早就建立了“以度审容”的科学方法，也就是用已知长度去计算容量的方法，他亲自督造了一批度量衡标准器，也就是“商鞅方升”。《史记·商君列传》记载，制作完成的商鞅方升被发放到全国各地，为田亩的丈量、赋税的征收提供了有力的保证。并且，为达到“一度量，平权衡、正钧石、齐斗甬（桶）”的目的，商鞅还在每年春秋二季定期对量器进行鉴定，这是最早的“计量校准”活动。秦始皇统一六国之后，延续了商鞅的计量标准制度，“一法度衡石丈尺，车同轨，书同文字”，奠定了强国基石。

商鞅方升作为国宝级计量器具曾登上央视，中国计量院方向院长亲自介绍，可见其意义重大。商鞅方升展示了中国人两千多年前，通过人造计量标准实现度量衡统一的实践，它所代表的“以度审容”测量方案，核心就是通过固定已知参数，复现和度量未知的导出参量，这也是计量科学的关键理论，从最初的实物原器到常数定义计量变革，再到生物化学分子制造，我们一直在追求恒定参数和万事万物的关联。

现代计量科学

在商鞅方升之后人类文明两千多年的历史中，计量科学不断发展，1791年法国科学家取地球子午线长度的四千万分之一为一米，并制成了第一个标准米尺，这个标准米尺成为世界上最早的米原器，保存在法国档案馆。1875年3月1日，世界上17个国家在法国签署“米制公约”，共同认可法国档案馆米原器作为长度基准，由此组建了国际计量局（BIPM）。20世纪70年代之后，中国开始参与国际计量组织的活动。

2018年11月16日，计量领域发生了重大变革，由国际计量局组织，60个成员国在法国巴黎投票通过了一项关于重新定义国际单位制（SI）的历史性决议，永久性地改变了千克、安培、开尔文和摩尔的全球性定义。至此，所有SI单位由常数来定义，我们彻底告别使用实物来定义测量单位的时代。这不仅保证了SI的未来稳定性，而且使这些定义可以通过量子等新技术复现。国际计量委员会主席白瑞·英格里斯（Barry Inglis）说：“我们对世界的测量不再受到实物的限制了。我们有了全球通用的测量系统，为更加准确的测量铺平了道路，这将促进科学进步。任何时间任何地点的科学家，只要有足够的测量能力，都可以复现国际单位。”

生物计量新挑战

生命科学的量值以分子为最小单元，以物质的量摩尔（mol）为基本单位，以阿伏伽德罗常数NA来计算，1摩尔是精确包含6.022 140 76×10²³个原子或分子等基本单元的系统的物质的量。从重新定义的国际单位制布局图，我们可以看出物质的量mol，不再与其他基本单位相互关联，而是形成一个相对独立的孤岛，因此在实际的生物计量研究中，一个核心的挑战就是发展生物标准物质，实现生物检测过程与国际单位的量值溯源。

“以度审容”：商鞅方升用一维尺度衡量三维容积（上）；用一维分子，制造三维生物标准（下）

生物计量是计量科学领域的新成员，最早的生命科学研究仅限于现象和趋势的观察，最常回答“是什么？”的问题，然而随着分子生物学的发展，生物定量测量变得越来越重要，大家开始关注“有多少？”。当下，准确的定量分析结果已经非常广泛地应用于临床诊断、食品安全和环境检测等领域，已经与人类的生产生活密不可分。另一方面，生命科学相关技术的推广应用和产业的发展，催生了大量的计量需求：技术标准化、产品质量、仪器校准等。所以总体来说，如何结合计量科学的应用进行生物的准确测量，是摆在计量研究者面前紧迫而艰巨的工作。

发展生物计量，是为了支持生物测量的可比性、有效性和溯源性，最终使测量可溯源到国际单位制。早在1999年，第21届国际计量大会就决定把生物计量学提上日程。随后，物质的量咨询委员会（CCQM）成立了生物分析工作组。该工作组的主要目的是建立生物技术可溯源测量系统，优先考虑的是核酸测量、蛋白质测量及其方法、分析过程的标准化，以及标准物质的研制，以便巩固核酸和蛋白质测量的应用领域。近几年来，发达国家也加强了生物计量的投入。国际上目前从事生物标准物质研制的机构主要有美国国家标准与技术研究院（NIST）、欧盟委员会联合研究中心标准物质与测量研究院、英国政府化学实验室、德国联邦材料测试研究院、澳大利亚国家测量院等。他们很早就关注了核酸和蛋白质计量研究，在生物测量的质量保证和计量方面也有了一定成果。

生物计量的发展在中国同样引起了很大的关注，中国计量科学研究院组建生物计量研究团队，取得了丰硕的研究成果，多次主导国际生物计量比对；上海市计量测试技术研究院等计量机构，则以地方产业需求为导向，形成具有特色的生物计量研究能力。中国先后成立了三个相关的计量委员会：全国医学计量技术委员会，全国临床医学计量技术委员会和全国生物计量技术委员会，负责组织方法比对和制定计量校准法规文件。近年来，中国的生物计量基础研究取得一定进展，研制核酸和蛋白定量标准物质超过50项，完成生物分析仪器计量校准方法编制超过10项。

临床检验是生物计量非常重要的应用领域，检验医学溯源联合委员会由国际计量局、国际临床化学与检验医学联合会和国际实验室认可合作组织共同成立。其任务是指导和促进世界公认的医学检验等效测量及为检验医学测量标准溯源提供全球平台，以促进和指导国际间承认和接受临床检验结果的等效性和溯源到适宜的测量标准，提高医护水平，促进贸易。临床诊断标准物质主要包括化学类和生物类标准物质两大类：化学类标准物质有240多种；生物类标准物质有70多种，包含了血液学、细胞学、免疫学和遗传学几大类的标准物质。目前国外已有的临床有证标准物质中针对肿瘤癌症等重大疾病的研究也还不多，相关的肿瘤标志物标准物质目前仅有几种。

国内研究这些临床标准物质的机构主要集中在中国计量院、国家卫健委临床检验中心以及部分生物医药公司。国内临床标准物质目前的总数已有180多个，其中有蛋白质标准物质20种，脂类标准物质13种，但覆盖的临床检测种类并不多。目前临床检验相关的标准物质与发达国家研究水平还有较大差距，如针对一些肿瘤癌症和重大传染病相关的标准物质研究还处于空白水平。因此，迫切需要加大对重大疾病相关生物标准物质研制的重视和投入，研究开发其相应的生物标准物质，保证患者检测结果的准确性和一致性。

关于临床检验量值溯源，ISO17511标准和ISO18153标准做出了具体说明，要求应用参考系统，即参考测量程序或标准物质，验证常规检验结果的准确性。NIST的几个胆固醇标准（SRM911、SRM909、SRM1951、SRM1952），使临床检验实验室的胆固醇测量结果中错误的阳性和阴性数目稳定地减少了5.5%和7.2%。这些改进不仅使疾病诊断更加准确，而且每年节省误诊病人的治疗费一亿多美元。

生物标准：从宏观到微观的分子制造

生命现象和功能决定于生物分子的量（物质的量）和结构，因此生物标准必将围绕物质的量和微观尺寸这两个测量领域来开展，而现代的分子生物学技术让我们可以再造生物标准，准确地回答“有多少”和“有多小”的问题。

生物分子的物质的量浓度标准分子克隆技术和蛋白质工程技术为我们提供了宏观尺度分子制造手段，同时通过高准确度的参考定值方法，我们就可获得可靠的浓度量值，往往可以构建最高的生物计量标准。例如，质粒DNA标准物质是一种含有检测目的基因的特异性片段的重组质粒分子，在PCR定性检测中可以作为阳性对照，在定量PCR中可以作为定量分析的标准品，构建定量分析的标准曲线。在上海计量院，质粒DNA的定值采用了三种方法以保证其量值的准确性：紫外分光光度法在生物化学领域应用面广；HR-ICP-MS法量值溯源清楚，是分析化学中高精度的检测手段；数字PCR技术通量大、重复性好，在生物分析领域也是最先进的检测技术之一。将这三种方法联合起来给质粒DNA定值，可有效保障标准量值的准确度和溯源性。上海计量院先后研制了30种质粒DNA标准物质，其中5种是国家一级标准物质。

2020年新冠疫情期间，上海计量院与上海交大联合组建研究团队紧急启动了新冠病毒RNA标准物质研发项目，研究高准确度RNA数字PCR绝对定量方法，研制了两种“新型冠状病毒体外转录RNA标准物质”，以新冠病毒E、N和ORF1ab三个基因为目标，涵盖世界卫生组织和中国疾病预防控制中心公布的关键检测区域，利用体外转录方法制备，采用数字PCR方法对新型冠状病毒RNA标准物质浓度进行测定。研究成果可以为病毒RNA检测方法研发提供靶标；可以直接用于质控，对核酸试剂盒灵敏度、线性范围、靶向基因区域等进行确认；也可以为检测实验室提供RNA阳性伴随样品，预警假阴性结果，为病毒RNA检测提供量值溯源的“砝码”。

自组装生物分子微观尺度标准随着医学诊疗和生命科学研究探索深入到单细胞、单分子甚至更加微观的层次，尤其是纳米技术的引入，使得更多的原位、活体、实时、动态的生物化学信息采集需求被提了出来，生物学逐渐从趋势分析、定性研究发展到定量研究，测量结果的准确度和可靠性也变得越来越重要，一个看起来极微小的尺度偏差，可能会对结果判读产生本质的影响。生命科学中微观尺寸信息的准确度和量值溯源水平成为亟待解决的科学问题，开展微观尺度生物标准研究势在必行。

高分辨荧光显微成像技术的飞速发展，推动生命科学研究从组织、器官水平向细胞和分子水平跨越，通过光切片成像、荧光标记与共定位、三维空间还原及动态成像，可以从微纳尺度直接获取生命最小基本单元（细胞、分子等）的功能、现象和机理信息。然而，在高分辨荧光显微领域，计量溯源标尺还是空白，严重影响了基础研究成果标准化和转化应用的进程。尽管其他高分辨成像技术，如电子显微镜、原子力显微镜等已经建立了成熟的显微标准，但是因为不具备荧光标记功能，因此无法在生物显微领域直接应用。目前，高分辨显微镜只能通过利用一些细胞丝状体对分辨率进行简单的评判，但细胞丝状体的结构、染色位置都存在个体差异，而且因为不具有准确的尺寸量值，因此无法作为统一的计量溯源标准。

重新定义的国际单位制，七个基本单位分别是：长度（米，m）、质量（千克，kg）、时间（秒，s）、电流（安培，A）、热力学温度（开尔文，K）、物质的量（摩尔，mol）和发光强度（坎德拉，cd）

DNA纳米自组装技术推动框架核酸的发展，已经成为乐高式的工具箱，可以精确可控地制造各种框架DNA纳米结构。据报道，科学家通过一条长度7 000多个核苷酸的主链DNA与200多条短订书针链杂交，可以形成一个精确可控的长方块分子结构。目前用于高分辨荧光显微术的框架DNA纳米结构已经从基本的原理证明实验发展到商业化的测试结构。德国联邦物理技术研究院的科学家针对DNA纳米标尺开展研究探索，证明了这种计量溯源思路的可行性。更重要的是，通过分子矿化技术，这种自组装的纳米分子结构的刚性和稳定性可以大大提升，能够对纳米尺度上的物质进行精确的控制，还可以获取高收率、重复性好、稳定的框架DNA纳米结构。

结语

从两千多年前的商鞅变法开始，中国人就领会了“以度审容”的科学道理，虽然还不知道容积的准确计算方法，但懂得人工制造计量标准，利用一维的量值，统一三维的体积。同比而言，我们今天生命科学的测量面对更大的挑战：生物标志物具有高度的复杂性、极低的浓度水平，而影像表征跨越从个体、细胞甚至分子的多个尺度。但是问题的解决方案却蕴含在同样的道理当中，为了应对生命科学复杂测量的挑战，需要发展基本生物分子标准，复现决定性的生物参量，从而将国际单位制关联到每一个生物测量结果。计量科学因为代表了公平和统一的属性，在中华文明中具有非常特殊的地位，它起始于长度、重量这些最基本的物理量，而今却已涵盖了全世界最高能级的测量方法，在革新中不断重生发展。随着生命科学测量准确度、统一性、有效性需求的提升，必将与计量科学相互交叉促进，形成再一次的突破发展，生物计量研究方兴未艾。

致谢：感谢上海市计量测试技术研究院闻艳丽、许丽、梁文、曹程明，以及上海交通大学孙洁林、左小磊的支持和贡献！