由于高致病性病原体可能通过空气颗粒感染宿主,空气生物学 increasingly 被应用于发病机制研究和医学对策开发中。本文展示了在动物生物安全四级最高防护环境中,对非人灵长类动物进行气溶胶攻击时空气生物学操作步骤的详细可视化演示。
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由于高致病性病原体可能通过空气颗粒感染宿主,空气生物学 increasingly 被应用于发病机制研究和医学对策开发中。本文展示了在动物生物安全四级最高防护环境中,对非人灵长类动物进行气溶胶攻击时空气生物学操作步骤的详细可视化演示。
由于人们日益关注故意气溶胶释放或意外的自然气溶胶传播所带来的威胁,高致病性病原体的气溶胶或吸入式研究数量近期持续增加。开展此类实验的特定实验室需要极为严格的工程控制措施,以提供安全可靠的实验环境,并依赖持续的系统维护来保障正常运行。III级生物安全柜(也称为手套箱)是一种气密性封闭装置,配备不可开启的窗口,通过双高效微粒空气(HEPA)过滤排风系统维持负压状态,是容纳气溶胶发生设备的理想一级防护设施。在高等级生物安全防护条件下,例如从动物生物安全四级(ABSL-4)防护服实验室到ABSL-4生物安全柜实验室之间,工作人员之间周密规划的工作流程是实验成功的关键要素。为确保研究顺利实施,建立通信网络、转移设备与实验对象、以及设备的安装与布置,均要求工作人员在研究启动前仔细规划各项操作程序。本文以美国马里兰州弗雷德里克堡国家卫生研究院过敏与传染病研究所综合研究设施为例,概述并以图示方式展示在ABSL-4环境中开展空气生物学研究的具体方法。
病毒的传播通常通过直接接触或物理接触发生,但许多重要的病毒性疾病(例如,麻疹、水痘、流感)是由通过气溶胶或呼吸道飞沫传播的病原体引起的。这类病原体有可能引发大流行,其后果从伴随工作能力丧失的广泛轻症(例如,普通感冒)到罕见但致死率高的严重疾病(例如,天花)不等。通过自然气溶胶传播或人为气溶胶释放(生物武器)传播的高致病性病原体尤其受到空气生物学领域的关注1。人类可能通过较大的呼吸道飞沫或微小颗粒核迅速感染其中一些病原体,并通过唾液分泌物、咳嗽和打喷嚏轻易将这些病原体传播给他人2。在美国生物防御领域,由于相关感染具有高致死性,高致病性病原体(例如,丝状病毒或其他美国国家过敏与传染病研究所(NIAID)分类A-C优先病原体以及美国疾病控制与预防中心(CDC)生物恐怖剂)成为气溶胶研究项目的重点3,4。过去十年中,由于气溶胶设备和技术以及高等级防护设施的进步,空气生物学领域取得了显著的科学进展5,6。美国国立卫生研究院/国家过敏与传染病研究所(NIH/NIAID)位于马里兰州弗雷德里克的德特里克堡综合研究设施(IRF-Frederick)的研究重点是需要动物生物安全四级(ABSL-4)防护的高致病性新发传染病原体。IRF-Frederick 的总体任务是评估并推动候选疫苗和治疗药物(医学对策)的研发。
在弗雷德里克综合研究设施(IRF-Frederick)开展的高后果病原体研究受到严格的生物安全以及动物护理与使用要求的约束。这些要求在以下文件中有所规定: 微生物学和生物医学实验室生物安全 (BMBL) 手册7 以及联邦动物福利法规. 这些必要要求可能会限制可开展的研究类型,并影响整体研究设计。正如我们此前在本期刊中所述,所有在ABSL-4环境中进行的研究均需要特别谨慎、高度专业化的培训,以及坚固且具备冗余设计的设施基础设施8,9.
进入IRF-Frederick的ABSL-4正压防护服实验室需要穿戴正压密闭式防护服8。进入ABSL-4柜式实验室则无需穿戴正压密闭式防护服。在ABSL-4柜式实验室中,于经认证的III级生物安全柜(BSC)内操作危险等级4级的感染性材料时,应穿着刷手服,佩戴橡胶或丁腈手套,并穿包趾鞋7。
在IRF-Frederick,气溶胶设备在两个完全密封的不锈钢气密负压III级生物安全柜中进行设计、组装和维护,如图1所示。IRF-Frederick气溶胶生物学核心设施采用自动化气溶胶管理平台(AAMP)来控制和监测这些生物安全柜内的气溶胶实验,如图2所示。此前一篇出版物已详细说明IRF-Frederick的III级生物安全柜的具体功能及其通过传递端口与防护服实验室的连接方式5。在实验前准备III级生物安全柜的操作流程是IRF特有的。其他机构所使用的III级生物安全柜功能上与IRF所用设备类似,但在运输、进入或对接机制方面可能存在差异。
为了进一步了解高致病性病原体如何通过气溶胶传播保持感染性,必须在III级生物安全柜(BSC)中按照特定的工作流程进行安全的空气生物学实验。研究人员已接受过严格而全面的培训,以确保该工作流程以安全且一致的方式执行。在开展非人灵长类动物(NHP)气溶胶攻毒实验之前,需先进行若干次气溶胶表征或模拟气溶胶运行,以检测病原体在气溶胶状态下的稳定性和活性。气溶胶表征过程模拟实际的气溶胶攻毒操作,研究人员将评估与气溶胶研究相关的各项变量。
工作流程的另一个环节是记录每只非人灵长类动物(NHP)的物理操作、麻醉剂或其他试剂的给药情况以及常规操作流程。这些个体记录表将被全面分析,以确保操作的一致性和标准化。在气溶胶暴露前,动物需进行麻醉。示例麻醉剂包括替来他明/唑拉西泮(tiletamine/zolazepam)、氯胺酮/乙酰丙嗪(ketamine/acepromazine)以及氯胺酮(ketamine)。麻醉剂的选择基于最小化呼吸抑制并促进受控、稳态呼吸的原则。额外的麻醉用品保存在动物操作间内,并随NHP通过转运车一同运送至气溶胶生物安全四级(ABSL-4)柜实验室。
在ABSL-4防护服实验室中,非人灵长类动物通过以下两种方法之一进行体积描记术即,头部伸出式体积描记法,呼吸感应体积描记法(RIP),用于测定吸气潮气量和呼吸频率的变化10-12这些衍生参数用于在气溶胶暴露前或暴露期间,精确计算病原体的估计吸入剂量。头部外露式体积描记法使用一个长圆柱形舱室来容纳非人灵长类动物(NHP)13动物处于圆筒内时所产生的压力变化由流量传感器捕获,随后传递至放大器,经交流/直流转换器处理后,输入软件以计算上述肺功能参数。呼吸感应体积描记法(RIP)采用嵌入在弹性带内的感应式铜线圈传感器,环绕于受试对象的胸部和腹部。11,12感应电容在传感器中产生磁场。呼吸会改变该磁场,由此产生的电压变化通过短波超高频无线电波,从弹性带旁的发射器传输至计算机中的接收器。专用软件根据胸腔总位移确定呼吸频率和潮气量。
通过体积描记法获得的每分钟通气量(MV)用于计算估计吸入剂量(D)。在发生和采集气溶胶的过程中,气溶胶浓度(AC)通过将生物采样器浓度(BC)乘以培养基体积(V),再除以生物采样器流速(FL)与暴露时间(T)的乘积来计算。简化公式表示为 AC = BC × V ÷ FL × T。进而,在非人灵长类动物(NHPs)的实际气溶胶攻击实验中,D 通过将 AC 与 MV 及暴露持续时间(时间 = T)相乘来计算。简化公式表示为 D = AC × MV × T。
本文旨在从两个角度直观展示使用非人灵长类动物(NHP)进行气溶胶攻击实验的完整操作流程:ABSL-4防护服实验室侧和ABSL-4生物安全柜实验室侧。尽管文中所述程序在某些方面具有通用性,但这些操作具体针对弗雷德里克传染病研究所(IRF-Frederick)气溶胶生物学核心设施,并反映该机构实际采用的操作规范。本文重点介绍安全实施气溶胶攻击实验所需遵守的生物安全程序,而非气溶胶攻击实验本身的技术细节。由于麻醉非人灵长类动物存在风险,我们在演示中使用模拟受试对象来展示生物安全操作实践。然而,气溶胶攻击实验的操作流程仍以通用方式描述,因为无论使用何种高致病性病原体,其基本操作步骤均相同。我们的目标是增进科研人员对在最高级别生物 containment 条件下开展高致病性病原体气溶胶研究严苛性的认识与理解。
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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. 空气生物学:动物生物安全等级4(ABSL-4)防护服实验室
2. 体积描记法:动物生物安全等级4(ABSL-4)防护服实验室
3. 非人灵长类动物转运与操作:动物生物安全四级防护服实验室
4. 空气微生物学:ABSL-4 柜式实验室
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III 级生物安全柜(BSC)是一种完全密封的不锈钢安全柜,其内部在负压条件下维持动物生物安全四级(ABSL-4)环境,设置于 ABSL-4 柜式实验室中(图 1)。工作人员可在 ABSL-4 柜式实验室内,通过安装于安全柜下方的不锈钢容器(在 ABSL-4 或 BSL-4 环境中通常称为“浸入式消毒槽”),将物品引入 BSC 内,该容器中盛有浓度为 5% 的双链季铵盐消毒液(正烷基二甲基苄基氯化铵、正烷基二甲基乙基苄基氯化铵)。由于该 BSC 嵌入分隔柜式实验室与 ABSL-4 防护服实验室的墙体中,因此也可通过转运车和快速传递端口(RTP)从 ABSL-4 防护服实验室一侧将物品、实验动物及病毒病原体送入 BSC。研究人员可通过佩戴特定类型的合成橡胶手套(如氯丁橡胶/氯磺化聚乙烯材质)从外部操作 BSC 内的物品。除感染性样本外,BSC 内的物品在经双门高压灭菌器灭菌或通过浸入式消毒槽消毒后方可取出。通过检查和确认 III 级 BSC 及生物气溶胶设备(图 2)正常运行,我们可确保环境的安全性与设备的...
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我们概述了弗雷德里克综合研究设施(IRF-Frederick)在处理高危(生物安全等级4)病原体时所采用的空气微生物学操作规程。对生物气溶胶操作流程进行可视化呈现的目的之一,是在使用III级生物安全柜进行此类病原体实验时,强调保障工作人员安全,以避免实验室获得性感染的发生。III级生物安全柜通过维持向内的定向气流,并将排出气体经过双重高效微粒空气(HEPA)过滤器过滤,从而确保病原体被严格封闭在实验室内(图1)。
由于III级生物安全柜(BSC)是防止生物气溶胶研究过程中潜在病原体暴露的主要屏障,研究人员必须在每次气溶胶实验前后检查III级BSC及其附带的集成式合成橡胶手套是否存在泄漏。尽管已尽一切努力消除对实验室研究人员的风险,但仍可能发生III级BSC集成合成橡胶手套破损的情况。必须为工作人员提供理论和实践操作相结合的培训,内容涵盖III级BSC应急响应程序。这些程序包括从ABSL-4柜式实验室撤离、对III级BSC的密闭性破损进行封堵,以及在必要时穿戴个人防护装备。我们过去曾使用过不同厚度的其他类型手套,其选择取决于实验操作所需的精细动作技能...
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作者无任何利益冲突需要披露。
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(合同号:HHSN272200700016I)获得资助。J.K.B.、K.J.、M.R.H.、D.P.、L.B. 和 J.W. 以巴特尔纪念研究所雇员的身份完成了此项工作。作为巴特尔纪念研究所的分包商并参与本工作的人员包括:J.H.K.,Tunnell Government Services, Inc. 的雇员;以及 M.G.L.,Lovelace 呼吸系统研究所的雇员。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Micro-Chem Plus | 国家化学实验室 | 255 | |
| 乙醇 | Fisher | BP2818500 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | 441244 | |
| III级生物安全柜 | Germfree | DGB-10 | |
| 集成式生物安全柜手套 | Piercan | 10UY2032-9 | |
| 气溶胶管理平台(AeroMP) | Biaera Technologies | NA | |
| 头部外露式体积描记法系统 | Buxco/数据科学国际公司 | NA | |
| 呼吸感应体积描记法系统 | 数据科学国际公司 | NA | |
| 中心气流切向气溶胶发生器(CenTAG) | CH Technologies | NA | |
| Collison喷雾器 | BGI Inc. | CN25 | |
| 高压灭菌器 | Getinge | GEB 2404 AMB-2 | |
| Sperian正压防护服 | 霍尼韦尔安全产品公司 | BSL 4-2 | |
| 外层防护服手套(乳胶,Ansell Canners and Handlers) | Fisher | 19-019-601 | |
| 外层防护服手套(腈/橡胶,MAPA) | Fisher | 2MYU1 | |
| 手术刷手服 | Cintas | 60975/60976 | |
| 袜子 | Cintas | 944 | |
| 封箱胶带 | Pack-N-Tape | 51131069695 | |
| 毛巾 | Cintas | 2720 | |
| O型密封圈 | O型圈仓库 | AS568-343 | |
| 鞋套 | Amazon | B0034KZE22 | |
| 拉链润滑剂 | Amazon | B000GKBEJA |
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