En hurtig-deployerbare, off-rutenettet laboratorium er konstruert og bygd for ekstern, ressurs-begrenset globale innstillinger. Funksjonene og viktige sider ved logistisk forbedret, utvides, multifunksjonelle laboratorium modulene er utforsket. En sjekkliste for en grunnleggende laboratorium arbeidsflyt og en protokoll for en åndedretts viral diagnostisk test er utviklet og presenterte.
En uptick i siste pandemier (Ebola, Zika, MERS, influensa, etc.) understreker behovet for en mer “kvikk,’ koordinert respons som løser en rekke spørsmål fra transport, tilgang, fasiliteter, utstyr og kommunikasjon til leverandør trening. Vi har utviklet en innovativ, skalerbar, logistikk-utvidet, mobil, laboratorium anlegget for nødhjelp og epidemier i ressurs-begrenset globale innstillinger for å møte. Benytte en bakgrunn i klinisk operasjoner som et akademisk medisinsk senter, vi utviklet en hurtig-deployerbare, modulære BSL-2 og BSL-3 anlegg med brukervennlig programvare for sporing og håndtering av narkotika og forsyninger i fjerntliggende områder under epidemier og utbrudd. Her presenterer vi våre intermodal, mobil, utvides pakke laboratorium enheter. Utformingen av laboratoriet forenkler off-rutenettet bruk ved å minimere strømforbruket og la alternative vannkilder. Enhetens informasjon (IKT) kommunikasjonsplattform inneholder (i) brukervennlig tavle-basert dokumentasjon, (ii) forbedret sporing av pasienter og forsyninger, og (iii) integrert kommunikasjon på stedet med innebygd telehealth evner. Vi har utviklet en sjekkliste for en grunnleggende laboratorium arbeidsflyt og respiratoriske virus diagnose ved omvendt-transkripsjon polymerasekjedereaksjons (RT-PCR) er en protokoll for å sikre kvalitet i eksterne miljøer. Som beskrevet, kan denne nyskapende og omfattende tilnærming for levering av laboratoriet evne i ressurs-begrensede globale miljøer.
Rask diagnostikk er et viktig instrument betimelig virusinfeksjon kontroll, spesielt hvis tidlig symptomer er utvisket til en rekke smitte sykdommer. Den siste Ebola utbruddet (2014-2015) i Vest-Afrika1,2, Zika virus epidemier (2015-2016) i Asia og Latin-Amerika3,4, fremveksten av Midtøsten åndedretts syndrom (MERS) coronavirus infeksjoner5,6, og uvanlig dødelig influensa (influensa) epidemier (2017-2018) i USA7,8 avdekket behovet for hurtig-deployerbare, laboratoriefasiliteter som en rekke avganger fra transport, tilgang, fasiliteter, utstyr og kommunikasjon.
Off-rutenett evne (autonome strøm og vann, etc.) er avgjørende i landlige, ressurs-begrenset globale innstillinger9,10,11. Vår erfaring i klinisk operasjoner og globale programmer ved Baylor College of Medicine ble brukt til å designe og bygge et container-baserte mobile laboratorium med funksjoner for enkel distribusjon, oppsett og multifunksjonelle bruken (BSL-2 og BSL-3). Bilder av dette allsidig, logistisk forbedret laboratorium er vist i figur 1.
Dette hurtig-deployerbare, laboratorium anlegget har en utvidbar design ligner på tidligere beskrevet beholder klinikken (den “Emergency Smart Pod”)12,13,14, utviklet av Baylor College of Medicine og sponset av USAID. En pakket brukes (i transportmodus) har dimensjonene til 9 fot 9 tommer x 8 føtter x 8 føtter (figur 1A, B), og utvider til et område på 170 kvadrat feet (15.75 m2) (figur 1 c, D). Enheten kan distribueres av to til fire personer på mindre enn ti minutter.
Ekstern laboratoriet er bygd for en BSL-2 lab anlegg (figur 2A) med et eget, modulære, avtakbar, BSL-3 enhet (figur 2B) designet for arbeid med smittsomme stoffer som kan forårsake alvorlige eller potensielt dødelige sykdommer ved innånding 15. tilkobling av to laboratorium modulene gjør at optimalisering av eksperimentering arbeidsflyter, deling av ressurser og kostnadsbesparelser (Figur 2 C-E).
Modulene er lufttett og vanntett å skape en behagelig, energi effektiv mobile ly. Oppvarming, ventilasjon og air condition (HVAC) system brukes for sentralisert og temperatur-kontrollert. Generelt, minimerer utformingen av laboratoriet strømforbruket av sin egen alternative strømkilder som solcellepaneler og/eller en uavhengig elektrisk generator. Hver enhet inneholder en vask og eyewash stasjon, strøm og vann kontakter (Figur 3A-C). IKT-plattform gir en valgfri, tavle-basert (Android telefon/bord eller iPhone/iPad) dokumentasjon app for forsyning sporing og laboratoriet resultatet dokumentasjon (figur 3D) er utviklet i samarbeid med Baylors informasjon teknologi (IT) forskningsgruppen som er godt erfarne i å jobbe i fjerntliggende med begrenset tilkobling. Systemet kan fungere med cellular eller trådløse signaler, og tillater dokumentasjon uten tilkobling, med umiddelbar sikkerhetskopiering eller overføring til en sikker-sky basert server når tilkoblingen er gjenopprettet.
Laboratoriet har flere viktige infeksjonskontroll funksjoner, inkludert: (a) negative trykk luft flyt, (b) en hanskerommet eller biosikkerhet skap, (c) en helse risikostyring system: en bakteriedrepende ultrafiolett (UV-C) belysning med 4 hierarkier forsvarsminister bevist for å eliminere 99,7% av patogener at helse-relaterte infeksjoner. Anlegget er lett desinfiseres bruker hydrogenperoksid eller natriumhypokloritt (bleke) systemer for effektive dekontaminering. 16
Garanti for kvalitet laboratorium resultatene avhenger av en forpliktelse til å vurdere alle aspekter av helhet diagnostiske testprosessen. Her presenterer vi en sjekkliste for BSL-2 og BSL-3 laboratorium arbeidsflyten og en protokoll for rask respiratoriske virus diagnostisk test. Foreslåtte diagnostisering av sykdommer er avhengig av gjenkjenning av viral RNA eller DNA i prøven (nasal vask, blod, avføring, og urin, etc.) gjennom sanntids omvendt-transkripsjon polymerasekjedereaksjons (RT-PCR). Muligheten til å raskt beregne viral belastning i en prøve gjør PCR et effektivt verktøy for virussykdom screening17,18. Gjennomføringen av romanen, molekylær diagnostiske analyser lar utvidelse av diagnostiske evner for virus som Ebola19,20,21, influensa8,22og tuberkulose (TB )23.
Målet med dette arbeidet er å validere en roman modulære og deployerbar-laboratorium anlegg og gi en trening guide for laboratoriepersonell som arbeider i eksterne, lav-ressurs miljøer under en epidemi, naturkatastrofe eller andre nødhjelp situasjonen. Her presenterer vi en protokoll for åndedretts influensa diagnose i dette nyskapende, bærbare laboratoriet.
Funksjonen ekstern laboratorium beskrevet ovenfor er logistisk orienterte, utvides, raskt deployerbare, multifunksjonelle og basert på menneske-sentrert design konsepter som har blitt rettet for å beskytte laboratorium personell og arbeidsområdet effektivitet. Detaljert protokollen for rask laboratorium oppsett og trygt respiratoriske virus aisolering og diagnose ble utviklet og presenterte.
For optimal utstyr skal fungere, må følgende opprettholdes i laboratoriet enheter: omgivelsestemperatur på 21 ± 2 ° C, tillatt temperatur på 5 til 40 ° C, fuktighet av 14 ± 5% RH, tillatt maksimum relativ fuktighet i 80% RH (uten kondens), og en høyde mellom 0 og 2000 meter over havet.
Energiforbruk er en av de viktigste parameterne for administrasjon av et off-rutenettet laboratorium. For kjernen laboratorieutstyr og kan makt-effektiv forskjellig 15-40%. gjennomsnittlig strømforbruk anslås imidlertid her for å levere en tjeneste. Den høyeste makt satsen (1500-2000 W) gjelder klimaanlegget, glovebox systemet, PCR maskinen og autoklav sterilisatoren. Vurderer 8 timer intensivt arbeid gjennomføring av protokollen og 16 timer kontrollen laboratory miljø, er daglige forbruket i laboratoriet enheter ca 36 kWh per dag for BSL-2, 43 kWh per dag for BSL-3 og 73 kWh per dag for den tilkoblede BSL-2/BSL-3 + fasiliteter. For en enkelt enhet, anbefaler vi gir en kilde til elektrisk kraft med kapasitet på kjører/kontinuerlig effekt ≥8 kW, bølge/Start drive ≥10 kW; for tilkoblede anlegget, kjører/kontinuerlig effekt ≥12 kW og bølge/Start drive ≥14 kW. Obs, i BSL-3 laboratorium anlegget, en sikkerhetskopien energikilde anbefales å unngå utilsiktet strømbrudd og garantere jevn arbeidet med hanskerommet og negative trykket systemet under en diagnostisk test.
En bensin drevet elektrisk generator er en kostnadseffektiv løsning for nødstilfelle energiforsyning. Anta at drivstoffeffektivitet av en bensin generator er ca 1,5 gallons per time på 100% Last. Deretter hvis det gjennomsnittlige daglige energiforbruket er 8 timer på 40% laste 16 timer med 10% belastning, laboratorium enheten BSL-2 eller BSL-3 krever 7-9 gallons av drivstoff per dag, tilsvarende og tilkoblede anlegget må ~ 15 gal/dag.
Ekstern laboratorium enhetene er utformet for å evner av off-rutenettet solenergi panel systemer. Solcellepaneler krever ikke ytterligere drivstoff og kan betjenes med høy produktivitet i tropiske og subtropiske områder av Afrika, Asia og Latin-Amerika på grunn av den høye solar bestråling. Foreløpig lar en enhet av en kommersielt tilgjengelig solcellepanel system en daglige strømforbruket til 44 kWh per dag.
Uavhengig av den valgte typen alternativ elektrisk energikilde, er skitne elektrisitet filtre sterkt anbefalt og preinstalled inne laboratoriefasiliteter å forbedre kvaliteten på strøm og beskytte laboratorieutstyr. Holde PCR systemet vekk fra sterk og uskjermet elektromagnetisk stråling fordi sterk elektromagnetisk stråling kan forstyrre riktig drift av enheten. Det er også viktig gjøre bruk PCR systemet nær sterke vibrasjoner kilder, for eksempel en sentrifuge eller pumpe fordi overdreven vibrasjon påvirker instrumentytelsen. Laboratoriumutstyr kan bare installeres i et miljø som nonconductive, forurensning, for eksempel støvpartikler eller flis. Kontroller rommet er fra noen åpninger som kan utvise partikler materiale på Maskinkomponenter.
Laboratoriet vannforbruk avhenger av antall diagnostiske tester kjører daglig og antall laboratorium teknikere arbeider i anlegget. Nuclease gratis vann er nødvendig for utarbeidelse av miksere under diagnostiske prosedyren inkludert utvinning og PCR test, og skal leveres på forhånd som andre forsyninger og kjemikalier. Minst 50 mL nuclease gratis vann er nødvendig for å kjøre en diagnosetest; et bestemt volum nuclease gratis vann avhenger av arbeidsmengde (dvs. på antall eksempler). Destillert vann er nødvendig for å kjøre autoklav sterilisatoren. Autoclave vannforbruk i en syklus er 160-180 mL; autoclave er anbefalt for daglig bruk. De fleste av plast (rør, pipette-spisser, etc.) er disponibel, men noen er gjenbrukbare og må vaskes (store beholdere, rack, etc.). Vanlig vann brukes for vask hendene mellom prosedyrer og minimal volumet er anslått til 15-20 L daglig. Må det pumpes for Trykk; sediment pre-filter system anbefales å beskytte vann apparater fra skadelige effekten av sedimenter og forbedre kvaliteten på rennende vann.
For kjølelager, minst én 5.1 kubikkfot kjøleskap (4 ° C) og en 4,9 kubikkfot (20 ° C til-30 ° C) fryseren må tørkeskap laboratorium lagre prøver / RNA.
Laboratoriet dekontaminering inneholder flere nivåer: rengjøring > antisepsis > desinfeksjon > sterilisering. Enkel rengjøring kan utføres med såpe og vann mens skrubbing med gloved hånd eller pensel. Antisepsis inkluderer vask med flytende antimikrobielle kjemiske for å hemme veksten og multiplikasjon av bakterier. Alkohol løsninger (70%) kan brukes som en antiseptisk væske. Desinfeksjon er anvendelsen av en flytende kjemisk å fjerne nesten alle sykdomsfremkallende mikroorganismer (unntatt bakteriell sporer) på arbeid overflater og utstyr. Kjemisk eksponeringstid, temperatur og konsentrasjonen av desinfeksjonsmiddel er viktig. Natriumhypokloritt løsning (0,5%) eller blekemiddel, er en effektiv desinfeksjonsmiddel i stor skala for overflate rensing og vann rensing. Ultrafiolett bakteriedrepende bestråling er en annen metode for desinfisering. En bakteriedrepende lampe gir UV-C lyset og fører til inaktivering av bakterier og virus. Sterilisering benytter en fysisk eller kjemiske fremgangsmåte å ødelegge hele mikrobiell liv – inkludert svært motstandsdyktig bakteriell sporer. Sterilisering kan utføres med en autoklav sterilisere.
Alle laboratoriet avfall må segregerte på generasjon. Sted solid, ikke-skarp, smittsomme avfall i lekkasjefri avfall poser merket som biohazard. Hvis generert avfall er skarp, må den plasseres i punkteringsfrie beholdere. Samle potensielt flytende avfall i riktig merket biohazard beholdere til væsker. Beholdere og poser skal ikke fylles mer enn 2/3 volumet. Salg av alle blekemidler produkter må være sortert i egne utpekte søppelbøtten. Laboratoriet avfall må håndteres forsiktig for å unngå å generere aerosoler og brudd på vesker/containere. Samling poser/hyller med biohazard avfall må være forseglet og eksterne overflater dekontaminert etter bruk med 0,5% natriumhypokloritt løsning. Sterilisere alle laboratoriet avfall i autoklav ved 121 ° C i 30 minutter før forbrenning. Se fungerende håndboken for riktig bruk av en autoklav. Hvis mulig, Legg til en kjemiske eller biologiske indikator autoclave å sikre riktig sterilisering. Alle autoklaveres faste og flytende avfall må merkes tydelig som sterilisert med innstillingen, dato, tid og operatør. Merket avfall må deretter plasseres i et sikkert separat før forbrenning.
Som forventet, avhenger arbeidsflyten av diagnosetesten sykdom og prøven. Hvis det er anbefalt for virus identifikasjon samle blodprøver (f.eks Ebola19), kan prøve dele lagres på 20 ° C i stedet for-80 ° C (nødvendig for respiratoriske virus). Det er alltid bedre å ta flere prøven når prøvetaking fra en pasient enn å dele prøver senere. Hvis mulig, for hver av må minst to tas i separate prøven rør. Prøver må være delt hvis flere prøvetaking ikke er mulig.
Hvis alternative prøver ikke kan lagres på riktig temperatur (f.eks ingen frysere er tilgjengelig), pensle skal lagres i ren (100%) etanol eller 99% rødsprit (metanol tilsetningsstoffer bare). I dette tilfellet må vattpinne spissen settes i ampuller med 1-2 mL av etanol. Merk at slike prøver passer bare for PCR. Vær også oppmerksom på at en veletablert analysen er nødvendig for hver bestemt virus diagnose8,23, og ukjente virus prøver må sendes til tildelte laboratorier for videre undersøkelser19,20, 21.
Obligatorisk og anbefalte krav til listen av laboratoriumutstyr for PCR respiratoriske virus-diagnosetester må gjenkjennes. Tabell 3 understreker grunnleggende og minimal avanserte (anbefales) utstyret og behov for RT PCR diagnostisk test. For BSL-3 praksis er ekstra negative trykket beskyttelse (f.eks hanskerommet) personell viktig og nødvendig.
Tilkoblede laboratorium modulene er å foretrekke å øke antall personell i laboratorietester og fremskynde tiden det tar for en enkelt test. Erstatte tidkrevende manuell RNA utvinning er mulig med automatisert qPCR (f.eks QiaCube). Mens dette instrumentet er tungvint (bredde 65 cm, lengde 62 cm, høyde 86 cm), det kan passe mobile laboratorium arbeidsområdet etter omorganisering av møbler i BSL-2 eller BSL-3.
Videre arbeidet vil bli fokusert på utvikling av augmented reality (AR) og virtual reality (VR) opplæring. AR/VR glass brukes til å gi en interaktiv plattform å undervise nødvendige ferdigheter for å bli en veltrent laboratorium arbeidstaker. Nyttige tips for å utføre noen av vanskelig, må prosedyrer laboratoriet diagnostiseringstestene inkluderes i programvare guide. Denne tilnærmingen til opplæring bør forbedre kvaliteten på diagnosetesten ytelse og administrasjon i eksterne laboratoriefasiliteter, spesielt eksternt og ressurser.
The authors have nothing to disclose.
Innholdet i denne artikkelen gjenspeiler ikke nødvendigvis synet eller retningslinjer for den oss Department for Health and Human Services eller institusjoner tilknyttet forfatterne. Denne forskningen ble støttet av Paul G. Allen Family Foundation “Enhanced null-effekt, Emergency Smart Pod”. Vi verdsette dypt alle fruktbart diskusjoner og samarbeid med kolleger fra Baylor College of Medicine, GSS helse, NASA Johnson Space Center. Vi er oppriktig takknemlig til Thermo Fisher Scientifics og dets representanter for et lån på RT PCR-maskin, sentrifuger og automatiske pipetter å gjennomføre en respiratoriske virus diagnostisk test i eksterne laboratorium anlegget. Forfatterne er takknemlige til Marta Storl-Desmond og Sidney Stephen Sorrell for deres hjelp i manuskriptet forberedelse og musikkvideoer.
Autoclave Sterilizer 'BioClave' | Benchmark Scientific, Edison, NJ, USA | B4000-16 | 16 liter, Benchtop, Dims: 22×17.5×15.7 in, Fully automatic, Extremely Compact |
Barcode Scanner | Zebra Technologies ZIH Corp., Lincolnshire, IL, USA | Symbol LS2208 | Handheld, lightweight |
Breaker Box Panelboard Enclosure | Square D (Schneider Electric), France | MH62WP | NEMA 3R/5/12, Dims: 20 W x 62 H x 6-1/2 in. D, Electrical distribution board |
Centrifuge – Microcentrifuge 17,000 x g | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 75002440 | Holds 24 x1.5 or 2 ml tubes, Dims: 8.9×9.6×13.8 in |
Class II Biological Safety Cabinet | NuAire, Inc., Plymouth, MN, USA | NU-602-400 | 4 Ft. Class II Type A2 Cage Changing Biological Safety Cabinet, 12" Access Opening, HEPEX Pressure Duct |
Class III Biological Safety Cabinet (Glove box) | Germfree Laboratories, Ormond Beach, FL, USA | Model #PGB-36, Serial #C-2937 | Glove box, Portable, 36", Class III BSC. Dims: 36x20x23.75 in, Includes 2 interior outlets |
Cryo Coolers | VWR, Radnor, PA, USA | 414004-286 | 0.5 or 1.5 ml tube benchtop coolers |
Freezer (30°C freezer) | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | Model ULT430A | To occupy 4.9 Cubic feet |
Laminar Flow Cabinet | NuAire, Inc., Plymouth, MN, USA | NU-126-300 | 3 Ft. Vertical Laminar Airflow Cabinet, 8" Access Opening, HEPA filter supply, 99.99% |
Mini Centrifuge | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 75004061 | Dims: 4.1×5.0x6.0 in |
Pipettes automated | VWR, Radnor, PA, USA | 05-403-151 | Pipet 4-pack (2.5,10, 100 and 1,000μL volume) |
Pipettes automated 'Finnpipette' | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 4700880 | Pipet 4-pack (2, 20, 200 and 1,000μL volume), Advanced Volume Gearing(AVG), Ultra durable |
Power Generator | Cummins Power Generation, Minneapolis, MN, USA | C60 D6 | 60 kW, 60 Hz, 1 Phase, 120/240V, Diesel |
Refrigerator | BioMedical Solutions, Inc., Stafford, TX, USA | BSI-HC-UCFS-0504W | Standard Undercounter Refrigerators & Freezers |
Refrigerator | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 05LRAETSA | To occupy 5.1 Cubic feet |
RT-PCR machine 'Step-one plus' | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 4376598 | Holds 96 samples, Dims: 9.7×16.8×20.2 in |
Vortex Mix | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 88880017TS | Dims: 6.1×8.3×3.3 in |
Chemicals | |||
AgPath-ID One-Step RT-PCR Reagents | Applied Biosystems, Foster City, CA, USA | 4387391 | |
Ethanol Koptec Pure 200 Proof | Decon Labs, Inc., King of Prussia, PA, USA | V1001 | |
Nuclease-free Water | Ambion, Inc., Carlsbad, CA, USA | AM9906 | |
QIAamp Viral RNA Mini Kit | Qiagen, Hilden, Germany | 52906 | |
SuperScript III Platinum One-Step qRT- PCR Kit | Invitrogen, Carlsbad, CA, USA | 11732-088 | |
Disposable | |||
1 mL cryogenic tubes | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 03-337-7X | |
1.5 mL tubes | VWR, Radnor, PA, USA | 10025-726 | |
10 µL Filter Tips | Neptune, VWR, Radnor, PA, USA | Neptune, BT10XLS3 | |
20 µL Filter Tips | Multimax, BioExpress, VWR, Radnor, PA, USA | MultiMax, P-3243-30X | |
200 µL Filter Tips | ART, Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | ART, 2770 | |
1000 µL Filter Tips | Phenix Research Products, Candler, NC, USA | TS-059BR | |
AB custom probes | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | N/A | Custom probes |
Combitips | Eppendorf, Hauppauge, NY, USA | 89232-972 | |
Integrated DNA Technology (IDT) custom probes and primer | IDT | N/A | Custom probes |
MicroAmp Fast Optical 96-Well Reaction Plate | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 490003-978 CS | |
MicroAmp Fast Reaction Tubes (8 tubes/strip) | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 4358293 | |
MicroAmp Optical 8-Cap Strip | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 4323032 | |
MicroAmp Optical Adhesive Film | Thermo Fisher Scientific, Carlsbad, CA, USA | 4311971 | |
Supplies | |||
Biohazard waste bags | VWR, Radnor, PA, USA | 14220-046 | 20.3 x 30.5 cm Biohazard bags |
Gloves | Denville Scientific, Holliston, MA, USA | G4162-250 | Small, meduim or large Nitrile or latex gloves |
Lab coat | N/A | N/A | Customizable |
Masks | VWR, Radnor, PA, USA | 414004-663 | Advanced protection mask |
Protective shoes | N/A | N/A | Customizable |