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中国建筑科学研究院有限公司-梁磊等:美国节肢动物生物安全实验室建设标准的分级与分类

时间:2024-1-1 15:47:33  作者:liuyanmin  来源:净化空调  查看:88888949  评论:0
内容摘要:.虫媒传染病(arthropod-borne diseases)如登革热(dengue)、疟疾(malaria)、蜱传脑炎(tick-borne encephalitis)等,是以吸血节肢动物(arthropod)为传播媒介的自然疫源性传染病,每年在我国乃至全球均有不同程度的暴发和流行,给公共卫生和生物安全保障带来了巨大挑战。本文梳理和对比分析了美国节肢动物生物安全实验室建设相关标准,重点阐述了节肢动物生物安全实验室的分级与分类,包括不同级别实验室工艺布局要点、通风空调方案、废弃物处理及排水等措施的主要要求,以期对我国节肢动物生物安全实验室相关标准制定和建设提出建议和意见。

美国节肢动物生物安全实验室建设标准的分级与分类

梁磊1☆夏菡2 赵四清3高玉伟3赵彤言3孙岩松3王荣4崔磊1王燕芹1李明5陈珣珣6△

1.中国建筑科学研究院有限公司,北京;2.中国科学院武汉病毒研究所,武汉;3.军事科学院军事医学研究院,北京;4.天津大学,天津;5.广州实验室,广州;6.广东省结核病控制中心,广州;)

 

摘要:虫媒传染病(arthropod-borne diseases)如登革热(dengue)、疟疾(malaria)、蜱传脑炎(tick-borne encephalitis)等,是以吸血节肢动物(arthropod)为传播媒介的自然疫源性传染病,每年在我国乃至全球均有不同程度的暴发和流行,给公共卫生和生物安全保障带来了巨大挑战。本文梳理和对比分析了美国节肢动物生物安全实验室建设相关标准,重点阐述了节肢动物生物安全实验室的分级与分类,包括不同级别实验室工艺布局要点、通风空调方案、废弃物处理及排水等措施的主要要求,以期对我国节肢动物生物安全实验室相关标准制定和建设提出建议和意见。

 

关键词:节肢动物;节肢动物防护;生物安全实验室;标准

 

Introduction of the Standard System for the Construction of Arthropod Biosafety Laboratories in the United State

Liang Lei1, Xia Han2, Zhao Siqing3,Gao Yuwei3, Zhao Tongyan3Sun Yansong3, Wang Rong4, Cui Lei1, Wang Yingqin1, Li Ming5, Chen Xunxun6

(1.China Academyof Building Research Co., Ltd., Beijing2.Wuhan Institute of VirologyChinese Academy of Sciences, Wuhan; 3.Academyof Military Medical Sciences,Academyof MilitaryScienceofthe Chinese PLA, Beijing; 4. Tianjin University, Tianjin,5. Guangzhou Laboratory, Guangzhou,6.Center for Tuberculosis Control of Guangdong ProvinceGuangzhou)

 

AbstractArthropod-borne diseases, such as dengue fever, malaria, tick-borne encephalitis, etc., are natural infectious diseases transmitted by bloodsucking arthropods. They have varying degrees of outbreaks and epidemics in China and even globally each year, posing huge challenges to public health and biosafety. This article summarizes and compares the relevant standards for the construction of arthropod biosafety laboratories in the United States, focusing on the classification and classification of arthropod biosafety laboratories, including the main requirements for process layout points, ventilation and air conditioning schemes, waste treatment, and drainage measures at different levels of laboratories. The aim is to provide suggestions and opinions on the development and construction of relevant standards for arthropod biosafety laboratories in China.

 

Keywords: arthropod; arthropod containment; Biosafety lab; standard

 

0 引言

虫媒传染病(arthropod-borne diseases)如登革热(dengue)、疟疾(malaria)、蜱传脑炎(tick-borne encephalitis)等,是以吸血节肢动物(arthropod)为传播媒介的自然疫源性传染病,每年在我国乃至全球均有不同程度的暴发和流行,对当地经济发展、社会稳定及公众健康都产生了严重的影响[1]。节肢动物作为传播媒介,通过叮咬将病原传播给人类及动物宿主而导致传染病流行,其种类繁多,全球分布广泛,主要包括蚊、蜱、蚤及螨等[2],导致如疟疾、登革热、和寨卡等疾病的流行。

节肢动物生物安全实验室(arthropod containment laboratory/arthropod biosafety laboratory)的建设对虫媒传染病的预防和控制研究至关重要。近年来世界各国均不同程度的开展了节肢动物实验室生物安全研究工作,以美国为代表的部分国家或地区已初步建立和完善了节肢动物生物安全实验室建设的标准体系[3,4],重点均放在最大程度地防止节肢动物逃逸并降低节肢动物研究中的生物安全风险上。美国和澳大利亚甚至均已建设了节肢动物四级生物安全实验室[5]。我国目前尚无高等级(三、四级)节肢动物生物安全实验室,也缺乏针对节肢动物的各级生物安全实验室的建设标准,现行国家标准GB19489-2008《实验室生物安全通用要求》和行业标准WS233-2017《病原微生物实验室生物安全通用准则》虽然对从事无脊椎动物操作实验室设施提出了基本要求[6,7],但总体相对简单、宽泛,对该类实验室建设的指导性非常有限。

本文梳理了美国疾病预防控制中心(CDC)于2021年最新发布的《微生物和生物医学实验室生物安全》(Biosafety in microbiological and biomedical laboratories)6版(以下简称“BMBL-6”)、美国热带医学与卫生学会(ASTMH)的美国医学昆虫学委员会(ACME)于2003年联合发布的《节肢动物实验室生物安全防护指南》(arthropod containment guidelines, ACG)V3.1(以下简称“ACG V3.1”)及其2019年更新版ACG V3.2等文件,分析了美国节肢动物生物安全实验室标准体系在实验室建设方面的内容,聚焦实验室分级分类、工艺布局要点、通风空调方案、废弃物处理及排水等措施,以期对我国节肢动物生物安全实验室相关标准制定和建设提出建议和意见。

1 实验室分级与分类

与传统病原微生物实验室或哺乳动物感染实验室不同,考虑到节肢动物的特性,其生物安全实验室应具有以下特点:不同种类节肢动物的饲养(包括吸血)环境要求广泛,实验室环境参数包括温度、相对湿度及照度等设计复杂,若实验室环境无法满足温、湿度要求时,还需采取替代方案,如使用人工气候箱等;节肢动物个体较小,特别当从事具有可飞行、快爬行或跳跃能力的昆虫研究时,防止节肢动物的逃逸是实验室建设和管理中重点关注内容;实验活动类型及操作程序复杂,需要特殊设施设备配合完成,如提供人工血餐的薄膜饲养仪、防止操作过程中节肢动物逃逸的隔离手套箱、节肢动物幼虫和成虫的饲养容器或笼具等[2]

基于对不同类型节肢动物操作的风险评估,美国ACG V3.1将节肢动物生物安全实验室防护水平(arthropod containment levels)划分为四个等级,分别为ACL-1~4[8],生物安全风险等级由低到高,与BMBL-6的生物安全理念基本一致[9]。其主要考虑的风险因素,在于回答几个关键问题:未感染病原微生物的、感染病原微生物的或基因修饰以及携带人工感染共生微生物的节肢动物逃逸后引起的后果及程度如何,例如逃逸的节肢动物将病原微生物传播给人(或动物宿主)的风险,是否会在野外生存定殖,成为某些虫媒传染病的传播媒介,这是实验室防护级别的定级需要考虑的因素;如何预防和阻止节肢动物的逃逸。对于不同生物安全等级的实验室,不论在设施设备上还是操作流程上均提出了相应要求,最大程度的防止动物逃逸;逃逸发生后所采取的应急预案,如节肢动物生物安全防护高等级实验室(ACL-3/4)发生逃逸且无法抓捕逃逸的节肢动物时,应及时关闭房间所有进出口,并使用合理的灭虫方法(如杀虫剂)对房间进行整体消杀,以及房间进行熏蒸消毒等措施,在设施设备的设计上应进行相应考虑。美国节肢动物生物安全实验室不同级别适用范围见表1。

1 美国节肢动物生物安全实验室不同级别适用范围[38]

级别

适用范围

备注

ACL-1

适用于未感染或仅携带非病原微生物的节肢动物,包括:

1.本地节肢动物,无论在本地是否存在活跃的相关虫媒疾病的传播;

2.外来节肢动物,逃逸出实验室后无法生存或仅能在没有活跃的相关虫媒级别传播的地区暂时生存。

 

ACL-2

{C}1. {C}{C}{C}适用于感染或疑似感染了与人及(或)动物相关且需在BSL-2实验室操作的病原微生物的本地或外来节肢动物;

{C}2. {C}{C}{C}适用于未感染的基因修饰节肢动物,若基因修饰对其生存能力、存活率、宿主范围或载体容量没有或只有负面影响时,也应属于该级别。

措施、流程、防护设施设备的要求建立在ACL-1基础之上。

ACL-3

适用于感染或疑似感染了与人及(或)动物相关且需在BSL-3实验室操作的病原微生物的本地、外来或基因修饰的节肢动物。

措施、流程、防护设施设备的要求建立在ACL-2基础之上。

ACL-4

适用于感染了需在BSL-4实验室操作的可由气溶胶传播的最危险的病原微生物的节肢动物。操作被例入“受控动物病原体”中且用于节肢动物感染的病原微生物,也须在ACL-4级中。

ACL-3的所有标准措施及本级别中额外的注意事项都应满足,标准。

注:BSL, biosafety level,生物安全级别

随着防护等级的逐步提高,实验室软、硬件要求也相应提高,表2给出了ACG V3.2中针对实验室不同防护级别下感染后操作措施、个人防护装备(personal protective equipment.,PPE)、一级及二级屏障环境基本要求等的汇总。

2节肢动物实验室不同防护级别基本要求汇总[38]

级别

感染后操作

一级屏障要求

二级屏障要求

ACL-1

达到BSL-1的要求
符合ACL-1的标准处理流程

适合于节肢动物类型的饲养装置,一级防护:容器,手套、防护服、必要时防护口罩、面罩或头套

独立的饲养室、防止节肢动物逃逸及野生节肢动物进入防护区的措施

ACL-2

达到BSL-2的要求
符合ACL-2、BSL-2关于人员限制、培训、签字、隔离及污物处理的各项要求

防逃逸饲养装置,一级防护:容器,手套、防护服、口罩、面罩或头套,必要时呼吸防护装备

符合BSL-2和ACL-1设施要求,具有喂养场所,逃逸动物不易躲藏,排水、排气设施具有防止节肢动物逃逸措施

ACL-3

达到BSL-3的要求
符合ACL-3、BSL-3关于人员控制、培训、PPE、签字、隔离及污物处理的各项要求,并对记录进行保存

防逃逸饲养装置,可实现紧急情况下采用杀虫剂进行环境消杀条件,基于特定场地和实验活动,选择比BSL-3更严格的个人防护设备

符合BSL-3和ACL-2设施要求,采用生物安全柜等物理隔离装置,外来昆虫控制措施,核心工作间内不建议设排水系统和地漏

ACL-4

达到BSL-4的要求
符合ACL-4和BSL-4的隔离要求,以及关于人员培训、PPE、签字、隔离及污物处理的各项要求,并对记录进行保存

1)手套箱式:防逃逸饲养装置,可实现紧急情况下杀虫剂的消杀条件;

2)正压防护服式:正压防护服、一级二级安全饲养容器

符合BSL-4和ACL-3设施要求,配套正压防护服操作符合节肢动物实验的设施及设备

需要特别指出的是,由于节肢动物的多样性及其特征的复杂性,简单的采用一套“放之四海而皆准”的标准列表是不科学的,在通用要求基础之上,针对不同节肢动物类型及实验活动,甚至包括地区因素的考虑,还应有其针对性设计。例如,在冬季操作某种无法耐受寒冷的节肢动物时,逃逸所带来的危害降低,其生物安全防护等级可适当降低,而在夏季高温高湿地区开展某种极易适应该类气候的节肢动物时,防逃逸的要求级别甚至要有所增加。我国幅员辽阔,不同地区气候差异较大,因此笔者认为对节肢动物实验室的选址、操作种类及时机,均应结合上述因素综合考虑。

2 设计与实施关键点探讨

2.1工艺布局

美国标准除ACL-4级外,对不同级别实验室尤其是节肢动物饲养间的位置及进出口要求进行了规定,其主要关注点还是在于如何最大程度的降低动物逃逸。随着防护级别的提高,饲养间位置对独立性要求增强,实验室人、物流环节的复杂程度也随之增加。标准还对缓冲间门的互锁及冷空气幕的设置提出要求。同时,标准还对物流及双扉蒸汽灭菌器(如设置)的门也提出互锁要求。虽然没有特别对ACL-4级别布局等给出额外要求,但提出如在BSL-4实验室操作节肢动物,则实验室必须严格满足BMBL-6中BSL-4相关要求,适用于节肢动物操作特点的特殊仪器和防护设备应通过有效验证,以保证节肢动物始终处于安全控制之中。不同级别节肢动物实验室布局部分要求见表3。

3ACL-1~3节肢动物实验室布局部分要求[3,8]

级别

饲养间位置

门及出入口

ACL-1

尽量远离建筑物内主要交通干道(走廊)

1未要求设置缓冲间;

2用硬质嵌板、玻璃、滤网、塑料布或织品等遮盖门上的所有缝隙,减少节肢动物的逃逸和进入。

ACL-2

与大楼内人员流动不受限制的开放区域分开,饲养间设置双门互锁的缓冲间

1建议至少设置两道可自动关闭且互锁的门(即缓冲间的设置),内侧门应向外开或为推拉门,且当房间内有节肢动物时应保持关闭;根据风险评估确定是否增加额外的屏障(如屏蔽隔板、垂帘等);
2建议设置为独立建筑或独立区域。

ACL-3

严格要求与大楼内人员流动不受限制的开放区域分开,饲养间设置双门互锁的缓冲间

1门口设置门禁,只有授权才能进入;人员通道设置更衣间和淋浴间;饲养间的缓冲间应为气锁;

2 饲养间门增设防逃逸屏障(如屏蔽隔板、悬挂的窗帘/纱窗或空气幕
3防护区可设置物流缓冲或双扉高压蒸汽灭菌器,如设置则门应互锁,内侧门应向外开或为推拉门,且当房间内有节肢动物时应实时关闭。

2.2 通风空调(Heating, Ventilating, and Air Conditioning,HVAC)

标准对ACL-1和ACL-4级实验室通风空调系统并未给出具体要求,笔者认为ACL-1总体要求相对简单,符合BSL-1环境要求即可。对于ACL-4级实验室,不论是生物安全柜型还是正压防护服型,BMBL-6中已有相对明确的要求,在此基础之上,还应满足ACL-3中提及的在HVAC系统中的各种防逃逸措施。ACL-2~3节肢动物生物安全按实验室HAVC系统基本要求见表4。

4ACL-2~3节肢动物生物安全按实验室HAVC系统基本要[3,8]

级别

HVAC要求

ACL-2

{C}1) {C}{C}{C}通风系统应适合节肢动物的饲养;

{C}2) {C}{C}{C}全新风直流通风系统;

{C}3) {C}{C}{C}通风口应设置防逃逸屏障;

{C}4) {C}{C}{C}节肢动物饲养间内气流组织应采用定向流;

{C}5) {C}{C}{C}房间负压,且保证有序压力梯度;

{C}6) {C}{C}{C}在前厅和内部走廊加装空气幕以防止逃逸;

{C}7) {C}{C}{C}房间在出入口悬挂垂帘或设置空气幕以防止逃逸;

{C}8) {C}{C}{C}当室内不具备定向流条件,基于风险评估,也可采用静压手套箱对感染节肢动物进行操作。

ACL-3

{C}1) {C}{C}{C}适用时,满足ACL-2要求;

{C}2) {C}{C}{C}通风系统应适合节肢动物的饲养,但同时强调不得影响防护控制;

{C}3) {C}{C}{C}排风应远离公共区域和新风口,否则排风应设置高效空气过滤器(HEPA);

{C}4) {C}{C}{C}根据美国农业部要求,如操作涉及RG-3级动物病原体,则送风也应设置高效空气过滤器;

{C}5) {C}{C}{C}所有通风管道/口应设置相应的防逃逸措施(如加装孔径适宜的网格等);

{C}6) {C}{C}{C}节肢动物饲养间内应采用定向流;

{C}7) {C}{C}{C}房间负压,且保证有序压力梯度;

{C}8) {C}{C}{C}应通过人工测试验证房间定向气流是否达到(标准推荐采用可视化监测设备/仪表来确认室内定向流);

{C}9) {C}{C}{C}发生故障时应有声音报警。

2.3 生物安全柜与手套箱式隔离器

ALC-2~4实验室均可能涉及生物安全柜的使用。标准指出,根据BMBL-6的要求,所有涉及感染性物料的操作都应在生物安全柜或其他隔离装置内进行,或者由穿着适当PPE人员进行[9],因此在生物安全实验室内使用生物安全柜已被确定为一个标准而通行的做法。但是,在生物安全柜内操作节肢动物则十分困难且存在较大的生物安全风险。一方面,生物安全柜内的气流可将小型节肢动物从台面吹到柜体周围,吹进过滤器或一些无法触及的地方,麻醉的蚊子在生物安全柜内苏醒恢复飞行能力后发生逃逸;另一方面,气流也可能降低柜内温度和相对湿度,这些对节肢动物实验有效性均存在一定影响。因此标准推荐在适用时,应采用带(或不带)排风的配有套筒开口的柔性隔离器操作节肢动物。当ALC-3实验室使用生物安全柜时,经过年检的II级生物安全柜可排至本房间。如采用III级生物安全柜,则安装应满足使用要求,且也须通过检测。手套箱所在房间的负压环境为非必须,但可通过设有0.22微米膜过滤器的管道排风来实现腔体内的微负压。

2.4 高压灭菌、地漏及排水要求

ACL-2及ACL-3均应尽量在节肢动物实验大楼或单元内的节肢动物饲养间设置高压蒸汽灭菌器,如未设置,应有可验证的替代灭菌方式(如加热等),或有将污物转移至附近高压的标准流程。ACL-4的污物灭菌要求应能符合BMBL-6中关于BSL-4中相关要求。ACL-2如设置地漏排水,则应有相应的阻止处于任何生命阶段的节肢动物逃逸的手段,ACL-3实验室则不建议设置地漏。如ACL-3实验室设置了地漏,标准推荐采用集中的活毒废水处理系统进行消杀。ACL-2~3节肢动物生物安全按实验室高压灭菌、地漏及排水基本要求见表5。

5ACL-2~3节肢动物生物安全按实验室高压灭菌、地漏及排水基本要求[3,8]

 

高压灭菌

地漏排水

ACL-2

实验建筑内的节肢动物饲养间便利位置应尽量设置高压蒸汽灭菌器,如未设置,则应有其他可验证灭菌方法(如加热等),或有将污物转移至附近高压灭菌的标准流程。

排水地漏应有防逃逸措施和灭菌措施,应采用化学方法阻止处在任何生命阶段节肢动物的逃逸

ACL-3

实验建筑内的节肢动物饲养间尽量设置高压灭菌器,如未设置,则应有其他可验证灭菌方法(如加热等),或有将污物转移至附近高压灭菌的标准流程。

不建议设置地漏。如设置,应采用化学方法阻止处在任何生命阶段节肢动物的逃逸。推荐做法是将所有排水直接排入储水罐,在此处利用加热或者化学方法将逃逸节肢动物彻底消灭,随后再将其排放至污水处理系统。

3启示与展望

通过对美国节肢动物生物安全实验室相关标准在实验室建设方面的内容进行了梳理和对比分析可以看出,节肢动物生物安全实验室有其特殊的操作特点技术难题。如果节肢动物感染某一病原体,那么它的防护等级也要自动的升高,至少应与其感染病原的防护等级一致,重点应关注如何最大程度地防止节肢动物隐匿和逃逸,以降低节肢动物研究中的生物安全风险。

我国目前尚无高等级(三、四级)节肢动物生物安全实验室,也缺乏针对节肢动物的各级生物安全实验室的建设标准,现行国家及行业标准相对简单、宽泛,对该类实验室建设的指导性非常有限。因此,加快我国相关领域建设标准体系及节肢动物生物安全设施的建设,填补国内在该领域的技术空白,势在必行。现阶段也可开展模拟实验室的建设,进行相关技术的研究,我国节肢动物生物安全实验室建设标准的制定提供必要的技术支撑。

我国幅员辽阔,不同地区气候差异较大,不同种类节肢动物需要在不同的人工气候环境下行饲养和观察,文献4给出了两种建设标准的选项:设施层面的人工气候生物安全实验室”(the temperature/humidity-controlled room)和设备层面的人工气候箱environmental chambers),并指出人工气候生物安全实验室适用于大规模蚊虫饲养情况,但由于要对整个房间进行气候模拟,其温、湿度控制难度大,成本高,且节肢动物逃逸风险也增高。如实验室蚊虫饲养规模不大,可采用人工气候箱进行蚊虫饲养,温湿度控制简单,运行成本低,且逃逸风险降低。

节肢动物生物安全实验活动类型及操作程序复杂,需要特殊设施设备配合完成,相当一部分特殊实验仪器设备还依赖于进口,因此,结合我国国情和节肢动物操作特点,加快相关工艺实验设备的国产化研究,也是我国相关科技工作者在未来需要进一步开展的工作。

 

广东省科技计划专项“高等级生物安全实验室建设”项目“广东省公共卫生医学中心P3实验室建设项目预研”(编号:2021B1212030003)

 

{C}☆ {C}{C}{C}梁磊,男,1976年生,硕士研究生,教授级高级工程师

{C}△ {C}{C}{C}陈珣珣(通讯作者)510630,广州市黄埔大道西485号广东省结核病控制中心

E-mailgrace_chen514@163.com

 

参考文献

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[5]KING’S College LONDONGlobal Biolabs Report 2023[M/OL]. [2023-04-05] https://www.kcl.ac.uk/warstudies/assets/global-biolabs-report-2023.pdf

[6]中国合格评定国家认可中心,国家质量监督检验检疫总局科技司,中国疾病预防控制中心,等.实验室生物安全通用要求:GB 19489—2008[S].北京:中国标准出版社,200811-12

[7]中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会,病原微生物实验室生物安全通用准则:WS233-2017[S].北京:中国标准出版社,201716

[8] American Committee Of Medical Entomology American Society Of Tropical Medicine And Hygiene. Arthropod containment guidelines[J]. Vector Borne Zoonotic Dis, 2003, 3(2): 61-98.

[9]United States Department of Health and Human Services. Biosafety in microbiological and biomedical laboratories[M/OL]. [2023-04-05]. https: www.cdc. gov/labs/pdf/SF__19 _308133A_BMBL6 _00 BOOK WEB final 3.pdf. 458-459

 

标签:节肢动物;节肢动物防护;生物安全实验室;标准 
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