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方法文章

四级生物安全实验室中的安全预防措施与操作规程：4. 医学影像检查程序

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DOI：

10.3791/53601

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2016年10月3日

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1Integrated Research Facility at Frederick, National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), National Institutes of Health (NIH)

本文内容

摘要

本文概述了在动物生物安全四级实验室中安全开展医学影像学检查所需的制备及动物操作流程。通过对一只模拟感染的豚鼠进行计算机断层扫描，展示了可用于评估高致病性病原体所致疾病的方法步骤。

摘要

利用动物模型进行人类疾病的医学影像研究已有数十年历史；然而，直到最近，对高致病性病原体引发的疾病进行医学影像学研究仍无法实现。2014年，美国国立卫生研究院下属的过敏与传染病研究所位于德特里克堡的综合研究设施启用了动物生物安全四级（ABSL-4）实验室，用于评估实验感染动物中传染病的临床进程和病理变化。研究人员可使用多种成像技术，包括计算机断层扫描（CT）、磁共振成像、正电子发射断层扫描和单光子发射计算机断层扫描，开展此类评估。本文重点介绍在ABSL-4实验室中安全获取活体豚鼠CT图像的工作流程。这些操作包括动物处理、麻醉，以及在动物从镇静状态恢复前的准备与监测。我们还将讨论成像设备的准备、质量检查、从“热区”（含病原体区域）到“冷区”的通信方法，以及将动物从饲养室转移至成像室的过程。

引言

美国马里兰州弗雷德里克市德特里克堡的国家过敏与传染病研究所（NIAID）综合研究设施（IRF-Frederick）的使命是开展新发传染病研究，以深入了解与微生物所致疾病严重程度相关的临床疾病过程。IRF-Frederick 具备独特的能力，可在生物安全四级实验室（ABSL-4）中对高致病性病原体的动物模型进行医学成像1。研究人员可使用的成像方式包括：计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）、超声、X 射线以及荧光透视成像。研究人员利用这些成像技术在纵向研究中监测疾病进展，并评估药物治疗和疫苗接种等干预措施的有效性。

IRF-Frederick 的成像设备在设计上特别将设备的核心组件置于高 containment 区域之外2,3 且便于维护和维修。该设计将成像区域划分为 "热" （含有病原体）和 "冷侧" 为实现这种分离，专门设计了延长管，以将高密闭空间延伸至每种成像设备的孔洞内部图1）。除了提供生物防护外，这些管道还能保护成像设备免受用于对高等级生物安全实验室进行去污的气体和化学品的影响。成像科学家和技术人员在实验室外操作扫描仪 "冷侧" 而比较医学（CM）工作人员负责处理和监测动物 "热端"由于临床医学人员必须与影像科学家密切合作以协调这些实验，这种分离可能导致沟通上的困难。

在评估可用选项后，临床医学（CM）工作人员配备了蓝牙耳机，该耳机可将短波超高频无线电波传输至电话，用于呼叫隔离区外的影像学工作人员。由于设施结构的设计原因，必须在每个房间内安装无线接入点，以克服水泥和钢材层之间造成的信号干扰 "热" 和 "冷侧"因此，身穿产生噪音的正压防护服的生物安全实验室工作人员与高防护区域外的影像学工作人员之间的沟通现在变得可靠。此外，影像室的热区一侧也已安装摄像头，以便影像学工作人员能够观察到热区内的活动情况 "热端"通过摄像头，影像工作人员可指导CM技术人员进行动物体位调整或对成像方案进行任何临时修改。

在IRF-Frederick的ABSL-4防护服实验室中，所有工作均要求工作人员穿戴正压密闭式防护服4。穿戴此类防护服会降低行动能力，且防护服附带的厚重乳胶手套，再加上最多三层额外手套，会严重影响操作的灵巧性。其结果是操作步骤耗时更长，需要精细动作技能的任务也变得更加困难。随着生物安全等级的提高，动物操作和处理变得更加复杂且耗时，尤其是对小型动物而言。在ABSL-4实验室中进行的操作可能比在ABSL-2实验室中进行相同操作所需时间长达2至3倍。

本文旨在以在生物安全四级（ABSL-4）环境中对豚鼠进行CT扫描为例，直观展示在该环境下对动物模型进行成像所面临的挑战。

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方案

本方案遵循以下动物护理指南。动物饲养于经国际实验动物评估和认可委员会（Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International）认证的设施中。所有实验程序均经国家过敏和传染病研究所临床研究部动物护理与使用委员会批准，并符合《动物福利法》法规、公共卫生服务政策以及《实验动物护理与使用指南》（Guide for the Care and Use of Laboratory Animals）的建议。

1. 准备CT扫描仪（位于"冷端"）

  1. 预热X射线管
    1. 确认扫描室内无工作人员，且受检者检查床为空。
    2. 根据扫描仪制造商的规范执行X射线管预热程序。
  2. 执行空气校准
    1. 确保扫描区域内无任何物体。
    2. 根据扫描仪制造商的规范执行空气校准程序。在许多平台上，此校准为自动或半自动。
  3. 执行质量控制扫描（在"热区"）
    1. 按照参考文献5中详细描述的ABSL-4防护服实验室进入程序进行操作，并增加额外步骤：若操作涉及放射性物质暴露，需将剂量计夹在防护服内的刷手服上，并每2个月提交一次剂量计以计算辐射暴露量。
    2. 将由空气、水和聚四氟乙烯（Teflon）制成的CT头部和体部模体放置在扫描床上的适当支架中。
  4. 执行质量控制扫描（在"冷区"）
    1. 从冷区将模体推进至扫描孔径中心6。
    2. 使用实验室标准化的质量控制（QC）参数进行扫描，以确保扫描仪符合制造商的技术规范。
    3. 对图像进行QC计算机分析，根据制造商协议，计算感兴趣区域（分别对应空气、水和聚四氟乙烯）信号强度的平均值和标准差。
    4. 通知比较医学（CM）工作人员CT扫描仪已准备就绪，可供使用。
    5. 与比较医学（CM）工作人员核对动物信息（识别编号、体重、出生日期）。
  5. 将受检者信息注册至患者数据库
    1. 在CT扫描仪操作台（位于"冷区"）访问扫描仪的放射信息系统（RIS），并确认RIS中已载入扫描排程的相关信息。
    2. 选择当前受检者及其人口统计学信息，如识别编号、年龄、出生日期和检查日期；随后检查类型应自动填入。
    3. 手动输入受检者体重。
    4. 在CT机架中选择正确的受检者体位（例如，头先进、脚先进、俯卧位、仰卧位）。

2. 在ABSL-4防护服实验室中准备作业区域

  1. 准备动物操作室中的II级生物安全柜（BSC）或下排风工作台。使用前至少提前10分钟开启BSC（或下排风工作台）。
    1. 使用经批准的消毒剂（如5%双链季铵盐消毒液，含正烷基二甲基苄基氯化铵、正烷基二甲基乙基苄基氯化铵）清洁并消毒BSC内部表面或下排风工作台的顶部表面。喷洒BSC内部表面或下排风工作台顶部表面，作用10分钟后擦拭至干燥，再用70%乙醇喷洒并擦拭表面以去除残留消毒剂。
    2. 将所需设备和用品放入BSC或下排风工作台内，包括麻醉诱导箱和动物操作手套。
  2. 准备CT扫描仪床。
    1. 在CT床面上安装动物固定装置。
    2. 设置生命体征监测仪以监测心率和血氧饱和度。若扫描时间超过10分钟，需同时监测体温。
  3. 准备麻醉机。
    1. 检查蒸发器中异氟烷的液量，必要时补充异氟烷。
    2. 通过氧气加压麻醉呼吸回路，检查是否有气体泄漏，并目视检查麻醉机是否存在漏气，完成漏气测试1。
      1. 如发现漏气，应确定漏气来源，排除故障，并进行后续漏气测试以确认问题已正确解决。
    3. 称量用于收集废弃麻醉气体的一次性吸附罐。若吸附罐重量超过其初始重量≥50 g，则需更换吸附罐7。

3. 从动物操作室转运动物及在CT扫描室准备麻醉诱导（在 "热侧")

  1. 将豚鼠所在的笼子从影像室附近的一个啮齿类动物饲养室转移到II级生物安全柜中。
    1. 核对动物编号。
    2. 取下笼卡并随动物一同保留。
  2. 打开笼盖，在正压防护服手套外戴上动物防护皮手套。轻柔地抓起豚鼠，将其放入麻醉诱导箱中，并用盖子盖好。
  3. 将装有动物的麻醉诱导箱从II级生物安全柜中取出，放置于转运推车上。
  4. 使用推车将动物运送至CT扫描室。
  5. 在CT扫描室内，立即连接废气收集罐和麻醉机至诱导箱。打开氧气通向诱导箱，并将蒸发器设定为输送4%异氟烷，用于初始麻醉诱导8。
  6. 在麻醉诱导过程中监测动物的麻醉深度是否足够（例如，对外界刺激无反应、肌张力下降、呼吸和心率稳定）8。
  7. 当豚鼠完全麻醉后，关闭通向诱导箱的麻醉气体。

4. 将受试者安置于CT扫描仪的成像床（上 "热端")

  1. 将麻醉后的豚鼠从诱导箱中取出，并放置于成像床。
    1. 将豚鼠腹侧向下置于固定垫上。
    2. 在双眼内涂抹眼膏以保护角膜上皮，防止其干燥。
  2. 给予维持剂量的异氟烷麻醉。
    1. 将鼻罩置于豚鼠鼻部，并打开气体开关，以1 L/min的流速向鼻罩输送氧气8.
    2. 将异氟烷蒸发器设置为通过鼻罩向豚鼠输送 2-3% 的异氟烷。
    3. 当动物达到所需的麻醉平面（无自主运动，呼吸频率约每分钟60次）后，将挥发罐设置调低至1.0–1.5%，以维持麻醉。
    4. 监测生命体征，包括体温、心率和呼吸频率。若呼吸频率开始加快或减慢，应分别降低或提高异氟烷的浓度百分比。9.
  3. 必要时，根据数据采集的预期时长和维持的麻醉深度，提供额外热源以保持豚鼠体温在37至39°C之间8,9.
  4. 在保持垫顶部覆盖一层塑料罩。
  5. 将成像床推进屏蔽管中。

5. 设置图像视野

  1. 在CT扫描室的"冷侧"启动激光系统（由成像工作人员操作），以对豚鼠进行CT扫描定位。使用检查床的"进"和"出"按钮，将感兴趣解剖区域置于激光十字线范围内。
  2. 为设定视野范围，使用激光按钮在感兴趣解剖区域上方设定起始点。
  3. 与位于"热侧"的CM工作人员联系，在其与CT扫描仪之间放置铅屏蔽板。

6. 采集图像

  1. 根据制造商方案获取用于CT研究图像层面定位的扫描定位像。
  2. 在扫描图像上为CT检查图像规定断层切面位置。
  3. 协调 "热端" 如果使用造影剂注射，需通知相关人员。
  4. 根据制造商的方案获取研究扫描图像。
  5. 根据制造商方案，在扫描仪控制台重建CT图像。
  6. 将图像发送至图像存档与通信系统。根据制造商的操作规程，从此存档系统中进行进一步的定性与定量分析。

7. 扫描后恢复

  1. 将豚鼠从扫描仪床转移到带有食物和零食的清洁独立通气笼具中。
  2. 使用运输车将装有动物的笼具送回其饲养区域。
  3. 监测动物状态，直至其完全从麻醉中恢复。
  4. 完全恢复后，将笼具放回高效微粒空气（HEPA）过滤通风笼架中。

8. 扫描仪舱室及设备的消毒

  1. 使用5%双链季铵盐溶液对扫描仪舱内区域（例如，与动物直接接触的表面、扫描仪床面、扫描室地面、门把手）进行消毒，作用时间为10分钟。
  2. 在双链季铵盐溶液作用10分钟后，用70%乙醇溶液冲洗表面。
  3. 对于不能直接喷洒双链季铵盐溶液的物品（如敏感电子设备），先用浸透双链季铵盐的布擦拭，再用浸透乙醇的布擦拭。

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结果

在ABSL-4实验室中安全操作必须严格遵守所有安全规程和动物操作的标准操作程序。将感染动物通过麻醉诱导箱从动物操作室转移至成像室，可最大限度降低公共走廊被污染的风险。在IRF-Frederick开展ABSL-4研究期间，由于严格执行相关操作规程，从未发生实验室获得性感染或动物受试者之间的交叉污染。

生物安全四级（ABSL-4）病毒病原体可引发肺部相关病理变化10,11，而计算机断层扫描（CT）是监测感染动物模型疾病进展的有力工具。CT 图像基于X射线在组织中的吸收情况生成，成像过程相对快速，可最大限度减少所需麻醉时间。在CT图像中，被成像物体的密度越高（如骨骼），其显示越亮（图2）。器官组织的密度通常表现为中等强度（灰色），而含气组织（如健康肺部）则呈黑色。CT通过采集360°范围内的多幅放射影像，重建为身体的三维图像。为了更清晰地区分器官结构与感染性疾病相关的病理变化，可使用静脉注射对比剂。

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讨论

本系列之前的文献强调了在最高防护级别的实验室中安全工作所需的广泛培训、对细节的关注、安全规程以及额外的工程控制措施12,13。在这些实验室中，安全操作始终是最高优先事项。当涉及活体动物操作时，这一理念尤为重要，因为存在额外的风险，例如感染动物可能造成咬伤或抓伤，或产生气溶胶7。这些操作规程重点说明了将动物从饲养间安全转移至成像室的处理与运输过程。文中还演示了麻醉期间对动物的操作与监测，以向读者真实呈现在ABSL-4实验室中工作时所需具备的细致操作和安全注意事项。

我们描述了一种在生物安全四级实验室（ABSL-4）中进行无创医学影像检查的实验方案，以对豚鼠进行CT扫描为例。在BSL-4实验室中成功实施影像检查包含多个关键步骤。第一个关键步骤是确认安全检查清单已完成，确保所有安全系统在进入实验室前均正常运行5。工作人员必须遵循正确的进出程序，以确保在BSL-4实验室中安全操作。第二个关键步骤是确认在X射线管预热及所有后续扫描过程中，扫描室内无人员停留，或相关人员均位于便携式铅屏蔽之后。在对动物实施麻醉和成像准备之前，必须...

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披露

作者无任何利益冲突披露。

致谢

本出版物的内容不一定反映美国卫生与公共服务部（DHHS）或与作者相关的机构和公司的观点或政策。本工作部分通过巴特尔纪念研究所与美国国家过敏与传染病研究所（NIAID）签订的主合同资助，合同编号为 HHSN272200700016I。M.R.H.、K.J.、D.P.、L.B. 和 J.W. 作为巴特尔纪念研究所的雇员完成了此项工作。参与本工作的巴特尔纪念研究所的分包商包括：R.B.，查尔斯河实验室 - 外包解决方案公司雇员；L.K. 和 M.R.L.，MEDRelief 人员配备公司雇员；M.G.L.，洛夫莱斯呼吸系统研究所公司雇员；以及 J.H.K.，坦内尔政府服务公司雇员。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Micro-Chem Plus国家化学实验室255
CT扫描仪飞利浦医疗
CT模体飞利浦医疗
Isovue-300（CT造影剂）Bracco诊断公司NDC 0270-1315-30
通风笼架Lab Products
独立通气笼具Lab Products
生物安全柜Nuaire
麻醉机SurgiVetWWV9000
麻醉诱导箱VetEquip
麻醉面罩Henry Schein
异氟烷Henry Schein
废气吸附罐费雪科学F/AIR
固定垫
眼科软膏
生命体征监护仪BionetBM3Vet
移动电话Spectralink8440
蓝牙耳机
无线接入点
Sperian正压防护服霍尼韦尔安全产品BSL 4-2
外层手套（乳胶，Ansell Canners and Handlers）费雪科学19-019-601
外层手套（丁腈/橡胶，MAPA）费雪科学2MYU1
手术刷手服Cintas60975/60976
袜子Cintas944
封箱胶带Pack-N-Tape51131069695
毛巾Cintas2720
拉链润滑剂亚马逊B000GKBEJA

参考文献

  1. Jahrling, P. B., et al. The NIAID Integrated Research Facility at Frederick, Maryland: a unique international resource to facilitate medical countermeasure development for BSL-4 pathogens. Pathog Dis. , (2014).
  2. de Kok-Mercado, F., Kutlak, F. M., Jahrling, P. B. The NIAID Integrated Research Facility at Fort Detrick. Appl Biosafety. 16, 58-66 (2011).
  3. Keith, L., et al. Preclinical imaging in BSL-3 and BSL-4 envrionments: imaging pathophysiology of highly pathogenic infectious diseases. Moyer, B. R., Cheruvu, N. P. S., Hu, T. , Springer-Verlag. New York, NY. (2014).
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