全球首个生物纳米磁珠国际标准发布

2021 年 11 月，国际标准化组织官方网站发布了第一个生物纳米磁珠国际标准：ISO/TS 19807-2:2021 纳米技术 - 磁性纳米材料 - 第 2 部分：核酸提取用纳米结构磁珠特性和测量方法规范，该标准对规范和推动磁珠在生物医学领域的应用具有重要的意义。

本标准由国家纳米科学中心承担秘书处的国际标准化组织纳米技术委员会材料规格工作组（ISO/TC229/WG4）提出并组织，由苏州海狸生物医学工程有限公司任辉博士和德国联邦物理技术研究院（PTB）的科学家 Uwe Steinhoff 博士联合主导，经过多次会议讨论和投票，历时五年半顺利完成。
本期，我们将深入报道该标准项目的研究经历和指导意义。
一、国际标准的制定流程
国际标准的制定有比较成熟的流程，按照 ISO/IEC 导则，主要包括七个阶段，以下是每个阶段及对应的文件名称：
1、预研阶段：Preliminary work item (PWI) 预研工作项目
2、提案阶段：New work item proposal (NP) 新工作项目提案
3、准备阶段：Working draft(s) （WD）工作草案
4、委员会阶段：Committee draft(s) （CD）委员会草案
5、征询意见阶段：Enquiry draft （DTS）征询意见草案
6、批准阶段：Final draft international standard （FDIS）最终国际标准草案
7、出版阶段：International standard （ISO）国际标准
二、纳米磁珠国际标准制定的背景
2010 年以来，我国分子诊断行业，尤其是以二代测序为核心的基因检测行业得到突飞猛进的发展，全国超过 1000 家企业从事基因检测相关的产品和技术服务，同时，以游离 DNA、CTC 和外泌体为代表的无创产前诊断技术和液体活检技术成为子诊断企业和资本追捧的技术路线。纳米磁珠在基因组 DNA 提取，尤其是超微量 DNA/RNA 的高效富集中优势显著，且具有高通量和自动化的方法优势，逐渐被广泛采用。纳米磁珠最早是由挪威科学家 John Ugelstad (1921-1997) 教授于 1976 年成功合成出来，其后在生物医学领域的应用也有 30 多年的时间，但是一直没有相关的技术标准来规范性能指标和检测方法。在这种形势下，由我国主导提出纳米磁珠的国际标准，对于提升我国生物耗材产业的质量控制、推动分子诊断的发展都具有重要的意义。
经过国内的酝酿和充分准备，2016 年 5 月，ISO/TC229/WG4 工作组召集人葛广路研究员邀请任辉博士赴日本京都参加 ISO/TC229 年会，并进行了核酸提取用纳米磁珠的立项陈述。由于准备充分，得到了现场专家们的一致支持，列入工作组计划。随后于当年 10 月 25 日截止的预研项目（Preliminary Work Item, PWI）投票中，36 个国家专家参与，21 票赞成，0 票反对，顺利立项，成立起草组；其中 10 个国家提名了 14 位专家参与这个项目，分别来自中国、德国、伊朗、日本、马来西亚、墨西哥、俄罗斯、南非、英国和美国，说明这个项目的立项意义受到广泛关注。2016 年 11 月在新加坡举办的 ISO/TC229 年会上，经 WG4 工作组秘书处组织协调，德国 PTB 纳米磁性颗粒研究专家 Uwe Steinhoff 博士欣然接受邀请，与任辉博士联合主导本项目的研究。
三、纳米磁珠标准制定过程中的里程碑
里程碑阶段一： NP 新工作项目提案通过投票
在进一步修订、完善纳米磁珠预研工作项目（ISO/PWI 22761）文稿的同时，起草组调研了全球 15 家纳米磁珠生产企业的产品资料，2017 年先后经历了柏林会议和首尔会议，深入讨论了 165 条专家意见和修改建议，专家意见主要集中在磁珠相关纳米技术的具体表述、超顺磁性微球的定义和性能指标，并重新确定了项目的适用范围从游离核酸提取拓展到核酸提取。2018 年 3 月 WG4 工作组秘书处向 TC229 纳米技术委员会提交了新工作项目提案（NP）。
2018 年 9 月份完成 NP 投票，由来自全球 32 个国家的专家参加了投票，以 16 票赞成、0 票反对、16 票弃权的结果顺利通过 NP 立项，项目编号 ISO/NP TS 19807-2，并严格给出了 36 个月的时间窗口，即要求 2021 年 9 月前正式发布。

2017 年 11 月 13 日 ISO TC229 首尔会议纳米磁珠项目技术讨论现场
里程碑阶段二：委员会草案 CD 通过
正式立项后，纳米磁珠项目受到产业界的一致瞩目，2018 年 11 月份在马来西亚首都吉隆坡举行的 ISO TC229 会议纳米磁珠项目专场，超过 40 位专家参加了现场技术讨论，其中包括美国 FDA 派来的三位专家。针对工作草案 WD，第一阶段收到了 166 条专家意见和修改意见，第二阶段于 2019 年 2 月又新增了 162 条专家意见。这 328 条专家意见主要集中在纳米磁珠特性的描述、定义及测量方法上。有时一个名词、一个定义要反复讨论半个小时以上， 经起草组申请，WG4 秘书处多次为该项目增加组织线上技术专家讨论会，历时 8 个月，最后在悉尼会议上，与会专家经过激烈讨论最终达成阶段性共识，进入委员会阶段（Committee draft , CD）。本阶段的专家们主要来自中国、德国、美国、韩国、日本、英国、奥地利、伊朗、卢森堡和澳大利亚等，他们专业审慎的意见和严谨的态度给了这项工作非常重要的支持和帮助。

2018 年 11 月 2 日马来西亚吉隆坡 ISO TC229 年末会议 纳米磁珠项目技术讨论现场
里程碑阶段三：最终国际标准草案 FDIS 通过
基于 WG4 工作组、标准起草组和所有参与专家的高效和辛勤的工作，2019 年 10 月完成了征询意见草案 DTS 投票，34 个国家参加了投票，17 票赞成，1 票不赞成，16 票弃权，得以顺利通过。同时，该项目收到了 218 条针对 DTS 征询意见草案的专家意见。该项目的研制随后经历了 2019 年 11 月杭州会议、疫情影响改为线上视频会议的 2020 年 5 月会议，以及 2020 年 11 月份会议。随后，WG4 临时为该标准项目增加了 7 个小时的线上讨论会，共深入讨论了 420 条专家意见，最终将该项目推进到最终国际标准草案 FDIS。2021 年 4 月 12 日，FDIS 草案稿最终确定；2021 年 8 月 20 日国际标准 / 技术规范（ISO/TS）文稿最终修改确定；2021 年 10 月国际标准 / 技术规范 ISO/TS 19807-2：2021 正式发布。
最终，这项生物用纳米磁珠国际标准，历时 5 年半，共收到 926 条专家意见，参与了 7 次 ISO TC229 年会的专题项目讨论会，5 次线上国际专家专项讨论会，最终按照 ISO 秘书处的时间窗口，如期完成。
四、纳米磁珠国际标准的主要内容
ISO/TS 19807-2:2021 纳米磁珠国际标准对影响核酸提取结果的核心特性如磁珠浓度、磁珠粒径分布、核酸结合能力、剩余磁化强度、表面官能团类型、饱和磁化强度等进行了详细、明确的定义，提出了标准化的检测方法；
Table 1 — Critical characteristics of magnetic beads to be measured

Characteristics

Measurement method

Relevant standards

Bead mass concentration

Gravimetry and oven drying

ISO 11358-1[20]

Bead size distribution

DLS [21]-[24]

ISO 22412[25]

SEM [21],[23]

ISO 19749[26]

TEM [21]-[23]

ISO 21363[27]

Ultrasonic attenuation spectroscopy [28]

ISO 20998-1[29]

ISO 20998-3[30]

Electrical sensing zone [31]

ISO 13319-1[32]

Nucleic acid binding
capacity

UV-Vis spectrometry[33],[34]

ISO 21571[35]

Real-time PCR[36],[37]

ISO 21571[35]

Agarose gel electrophoresis[38]

ISO 21571[35]

Remanent mass magneti- zation

SQUID magnetometry [39],[40]

VSM [21],[22],[41]

Surface functional group type

IR [21],[24],[42]

XPS

ISO 20903[43]

Saturation mass magnet- ization

SQUID magnetometry

VSM

同时，给出了一些附加特性建议，如：对初始磁化率、保存悬浮液中铁离子浓度、质量比表面积、基本磁性纳米粒子的尺寸、表面官能团密度进行了详细、明确的定义，提出了标准化的检测方法。

Characteristics

Measurement method

Relevant standards

Initial magnetic mass
susceptibility

VSM

SQUID magnetometry

Iron ion concentration

ICP-OES [44]

ISO 11885[45]

Mass specific surface area

Gas adsorption method [46],[47]

ISO 9277 [48]

ISO 18757[49]

Size of primary magnetic
nanoparticles

TEM

ISO 21363[27]

Surface functional group
density

Conductometric titration

未来几期，我们将详细介绍纳米磁珠国际标准中明确的各项特性及测量方法。
五、纳米磁珠标准制定的重要意义
近 10 年来，纳米磁珠技术越来越广泛地应用到临床分子诊断、免疫分析、食品安全检测、药物分析以及癌症诊疗等领域。尤其是 2019 年底以来，全球新冠疫情爆发和传播，利用纳米磁珠进行核酸提取展现出的高通量和自动化的方法优势，在病毒核酸检测行业的需求呈现爆发性增长，使得大批量的样本处理和快速检测得以实现。

但是，纳米磁珠作为分析检测行业的关键原材料，其行业发展还远未达到应具备的工业化成熟度。首先，纳米磁珠技术是兼有物理技术、化学合成及生物应用等多学科交叉的平台型技术，其工艺步骤多而复杂，大规模量产尤其困难。其次，不同研究或生产单位的制备技术显示出多样性，纳米磁珠的内部微观结构和表面基团特征均可展现出多样性。第三，纳米磁珠的应用方向可拓展性非常广泛，其生物医学应用的特性不仅与制备工艺和本身结构有关系，一些实际应用效果也极大地依赖于使用条件和环境，比如核酸提取过程中，各种缓冲液很大程度上决定了目标核酸的提取量和质量；还有一部分应用是特异性标记和捕获应用的，其性能也很大程度上受到特异性抗体或者配体及反应条件的影响。因此，纳米磁珠技术和产品的规格化和工业化进程是一个长期、漫长的过程，是需要各国的行业专家们共同推进的目标。

目前的现状是，不同生产厂家提供的纳米磁珠产品性能标识，大多未提供测量方法，因此使用厂家或监管机构难以比较不同厂家的产品或验证特性，原料检验是否合格几乎只能靠小样测试。因此，一份可以普遍接受的纳米磁珠规格和测试的统一标准是确保产品质量和客户信心的必然要求。纳米磁珠国际标准研究制定的初衷即于此，对纳米磁珠的特性表述和测量测定真正变得 “有法可依”。

纳米磁珠国际标准不仅让中国生物工程材料自主品牌有机会参与到国际标准的制定工作中，同时也加强了中德学术界和工业界在纳米磁珠领域的交流与合作，有望成为中德标准化合作带动企业发展的典范。

六、本 ISO 国际标准主导单位 —— 海狸公司简介

海狸公司是由任辉博士 2011 年创立的，是国内最早从事纳米磁性材料技术研发及产业化的企业之一，相继入选苏州工业园区科技领军（纳米专项），苏州市 “姑苏人才计划” 和江苏省 “双创计划”。经过 10 年的发展，海狸向市场提供了近百种纳米磁珠产品，应用方向涉及到生物及化学研究、分子诊断、免疫诊断、食品药品安全监测、环境监测、免疫细胞治疗和靶向药物开发等领域。海狸磁珠凭借其卓越的品质，受到了全球近 30 个国家、300 家企业和 1000 家科研机构的认可和好评，被国际科学文献引用 300 多次，BEAVER 也是 2019 年入选国际 BioChip 杂质关于 “IVD 及细胞治疗领域功能性微球大规模商业化产品” 综述的国产品牌。海狸公司 2016 年参与了中国计量科学研究院主导的国家重点研发计划重点专项 “精准医疗重大疾病体外诊断试剂及生物药物的计量基标准研究”，2019 年承担了江苏省科技成果转化专项，2020 年发布的中国医药行业标准《核酸提取试剂盒（磁珠法）》（YY/T 1717-2020），海狸公司是 10 家起草单位中仅有的纳米磁性生产企业。

海狸公司一直积极参与国内和国际纳米磁珠相关行业标准的制定和建立。随着 ISO/TS 19807-2:2021 国际标准正式发布后，海狸公司将协助政府有关部门积极推动纳米磁珠的国内标准的建立和国际标准在国内的推广普及，使纳米磁性材料可以更加标准、有效的服务于各行各业。