Mesures de sécurité et procédures d'exploitation dans un (A) BSL-4 laboratoire: 3. Aerobiology
Summary
As high-consequence pathogens can potentially infect subjects through airborne particles, aerobiology has been increasingly applied in pathogenesis research and medical countermeasure development. We present a detailed visual demonstration of aerobiology procedures during an aerosol challenge in nonhuman primates in an animal biosafety level 4 maximum containment environment.
Abstract
Aerosol or inhalational studies of high-consequence pathogens have recently been increasing in number due to the perceived threat of intentional aerosol releases or unexpected natural aerosol transmission. Specific laboratories designed to perform these experiments require tremendous engineering controls to provide a safe and secure working environment and constant systems maintenance to sustain functionality. Class III biosafety cabinets, also referred to as gloveboxes, are gas-tight enclosures with non-opening windows. These cabinets are maintained under negative pressure by double high-efficiency-particulate-air (HEPA)-filtered exhaust systems and are the ideal primary containment for housing aerosolization equipment. A well planned workflow between staff members within high containment from, for instance, an animal biosafety level-4 (ABSL-4) suit laboratory to the ABSL-4 cabinet laboratory is a crucial component for successful experimentation. For smooth study execution, establishing a communication network, moving equipment and subjects, and setting up and placing equipment, requires staff members to meticulously plan procedures prior to study initiation. Here, we provide an overview and a visual representation of how aerobiology research is conducted at the National Institutes of Health, National Institute of Allergy and Infectious Diseases Integrated Research Facility at Fort Detrick, Maryland, USA, within an ABSL-4 environment.
Introduction
La transmission des virus se produit généralement par des maladies directes ou de contact physique, mais de nombreuses importantes virales (par exemple, la rougeole, la varicelle, la grippe) sont causées par des pathogènes qui sont transmis par aérosol ou gouttelettes respiratoires. Ces agents pathogènes ont le potentiel de provoquer une pandémie avec des conséquences allant de la maladie bénigne généralisée associée à la perte de travail (par exemple, rhume) à plus rare maladie grave avec une létalité élevée (par exemple, la variole). Pathogènes haut conséquence qui se propagent naturellement par aérosol ou par aérosol libération intentionnelle (armes biologiques) sont d' un intérêt particulier pour aérobiologie 1. Les humains peuvent devenir rapidement infectés par certains de ces agents pathogènes par de grosses gouttelettes respiratoires ou des noyaux petites particules et facilement se propager ces pathogènes à d' autres par les sécrétions salivaires, de la toux, les éternuements et 2. Dans la communauté de biodéfense US, haute conséquence des agents pathogènes (par exemple, filovirus ou NIAID autre CaTÉGORIE prioritaires AC Pathogènes et CDC bioterrorisme Agents) sont l'objet de programmes de recherche sur les aérosols dus à une forte létalité des infections associées 3,4. Des progrès scientifiques significatifs dans le domaine de l' aérobiologie ont été faites au sein de la dernière décennie en raison des progrès technologiques dans les équipements des aérosols et des installations haut niveau de confinement 5,6. La recherche des Instituts nationaux de la santé, Institut national des allergies et des maladies infectieuses (NIH / NIAID), installations de recherche intégrée à Fort Detrick situé à Frederick, MD, USA (IRF-Frederick) met l'accent sur la haute conséquence des agents pathogènes émergents qui exigent la biosécurité animale niveau 4 (ABSL-4) confinement. La mission globale de l'IRF-Frédéric est d'évaluer et de faciliter le développement de vaccins candidats et thérapeutiques (contre-mesures médicales).
La recherche avec des agents pathogènes à haut conséquence à l'IRF-Frederick est régie par la biosécurité rigoureux et soins aux animaux et aux exigences d'utilisation. Ces requirements sont décrits dans la prévention des risques biotechnologiques dans les laboratoires microbiologiques et biomédicaux (BMBL) manuel 7 et les règlements fédéraux de protection des animaux. Ces exigences nécessaires peuvent restreindre le type de recherche qui peut être réalisée et l' impact de conception globale de l' étude. Comme nous l' avons décrit précédemment dans cette revue, toutes les recherches menées dans un environnement ABSL-4 requiert une attention particulière, une formation hautement spécialisée, et un centre robuste et redondant infrastructure 8,9.
Entrée dans le ABSL-4 laboratoire de costume IRF-Frederick nécessite d' enfiler un costume d' encapsulation 8 pression positive. encapsuler combinaisons à pression positive ne sont pas nécessaires pour entrer dans le laboratoire ABSL-4 cabinet. Enfiler un costume de gommage, en caoutchouc ou en nitrile et des chaussures gros doigts est appropriée lors de la manipulation du groupe de risque 4 matériel infectieux dans un certifié Classe III biosécurité Cabinet (BSC) dans un laboratoire ABSL-4 Cabinet 7.
Au IRF-Frederick, équipement d'aérosol est conçu, assemblé et entretenu deux hermétiques III GCS, acier inoxydable, étanche à l' air, à pression négative de classe, Figure 1. Le IRF-Frederick Aérobiologie de base utilise une plate – forme de gestion d'aérosol automatisé ( AAMP) pour contrôler et surveiller l' aérosol d' expérimentation au sein de ces GCS, la figure 2. une publication précédente décrit les fonctions spécifiques des III GCS de classe à l'IRF-Frederick et la connexion au laboratoire de costume via un port pass-through 5. Le mode opératoire de la préparation de la classe III BSC avant l'expérimentation est spécifique à l'IRF. Autres III GCS de classe utilisés dans d'autres institutions fonctionnent de manière similaire à la classe III BSC en usage à l'IRF, mais peuvent avoir des mécanismes pour le transport, l'accès ou l'amarrage.
Pour mieux comprendre comment les agents pathogènes à haut conséquence restent contagieux et se propager à travers la transmission par aérosol, ae sûrel'expérimentation robiological doit être menée dans ces III GCS de classe selon une procédure de workflow spécifique. Les chercheurs ont été soigneusement et une formation approfondie pour assurer ce flux de travail est suivi d'une manière sûre et cohérente. Avant de primate non humain (PSN) aérosol, plusieurs caractérisation aérosol ou simulacres aérosol pistes sont réalisées pour tester la stabilité et la viabilité d'un agent lorsqu'il est sous forme d'aérosol. Le processus de caractérisation des aérosols imite l'aérosol réelle, et le chercheur évalue les variables associées aux études sur les aérosols.
Une autre partie du flux de travail est d'enregistrer des manipulations physiques, de l'administration ou des anesthésiques ou d'autres agents, ou des procédures de routine sur les cartes pour chaque PSN. Ces cartes en question sont analysés à fond pour assurer la cohérence de la procédure et de la normalisation. Les sujets sont anesthésiés avant aérosol exposition. Exemple anesthésiques comprennent tiletamine / zolazepam, la kétamine / acépromazine et ketamine. Anesthésiques sont choisis en fonction de minimiser la suppression des voies respiratoires et la promotion de contrôle, à l'état stable respiration. fournitures d'anesthésie supplémentaires sont maintenus dans les animaux salles de procédures et transportés sur le chariot de transfert avec le PSN au laboratoire aérobiologie ABSL-4 cabinet.
Dans le laboratoire ABSL-4 costume, PSN subissent pléthysmographie par l' une des deux méthodes (c. -à- tête sur pléthysmographie, pléthysmographie inductive respiratoire [RIP]) pour déterminer le volume courant inspiratoire et le taux de respiration change 10-12. Ces paramètres dérivés sont utilisés pour le calcul précis de la dose inhalée estimée de l'agent pathogène immédiatement avant ou pendant une exposition à l'aérosol. Pléthysmographie Head-out utilise une longue chambre cylindrique qui abrite le NHP 13. La chute de pression créée lorsque l'animal se trouve dans le cylindre est capturé par un pneumotachographe, relayé à l'amplificateur, préparé par les curren de courant alternatif / directst convertisseur, et intégré dans le logiciel pour calculer les paramètres pulmonaires ci-dessus. RIP utilise des capteurs faits de fils de cuivre enroulés inductifs qui sont incorporés dans des bandes élastiques autour de la poitrine du sujet et de l' abdomen 11,12. Un condensateur inductif génère un champ magnétique dans le capteur. Respiration modifie le champ magnétique, et les variations de tension résultant sont transmis d'un émetteur à côté de la bande élastique à un récepteur dans l'ordinateur par l'intermédiaire d'ondes radio ultra-haute fréquence courte longueur d'onde. Un logiciel dédié détermine la fréquence respiratoire et le volume courant du déplacement thoracique totale.
Le volume minute (MV) obtenue par pléthysmographie est utilisé dans le calcul de la dose inhalée estimée (D). Dans la génération et l'échantillonnage d'un aérosol, la concentration d'aérosol (AC) est calculée en multipliant la concentration en biosampler (BC) par le volume de milieu (V) et en divisant par le résultat de la multiplication du taux de la biosampler (FL) d'écoulement par lele temps d'exposition (T). La formule simplifiée est représentée comme AC = BC x V ÷ FL x T. A son tour, le défi d'aérosol réelle PSN, D est calculée en multipliant AC par MV et la durée d'exposition (temps = T). La formule simplifiée est représentée comme D = AC x MV x T.
Le but de cet article est de démontrer visuellement la procédure d'aérosol entier en utilisant les PSN deux points de vue, le côté ABSL-4 laboratoire de costume et du côté ABSL-4 laboratoire de cabinet. Bien que ces procédures peuvent être de nature générale pour plusieurs pratiques mentionnées, elles sont spécifiques à l'IRF-Frederick Aérobiologie de base et représentent les pratiques réelles utilisées dans cet établissement. Cet article se concentre sur les procédures de biosécurité nécessaires pour effectuer en toute sécurité un aérosol, pas d'aérosol réel lui-même. Dans ces procédures, nous utilisons un sujet factice pour montrer les pratiques de biosécurité, en raison du risque associé à anesthésier un PSN. Cependant, le processus de performant un aérosol est écrit d'une manière générale parce que la procédure est la même quel que soit haute conséquence pathogène utilisé. Nous visons à améliorer les connaissances et la compréhension des scientifiques sur les rigueurs de la réalisation d'études d'aérosols d'agents pathogènes à haut risque dans des conditions de confinement maximales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous décrivons les procédures de aérobiologie utilisées à l'IRF-Frederick pour travailler avec très dangereux (Groupe de risque 4) des agents pathogènes. Un but de visualiser les procédures de bioaérosols est d'insister sur la sécurité du personnel lors de l'utilisation d'un BSC III de la classe lors de l'expérimentation avec de tels agents pathogènes pour éviter les infections acquises au laboratoire. III GCS de classe maintenir un flux d' air directionnel vers l' intérieur qu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The content of this publication does not necessarily reflect the views or policies of the US Department of Health and Human Services (DHHS) or of the institutions and companies affiliated with the authors. This work was funded in part through Battelle Memorial Institute’s prime contract with the US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) under Contract No. HHSN272200700016I. J.K.B., K.J., M.R.H., D.P., L.B., and J.W. performed this work as employees of Battelle Memorial Institute. Subcontractors to Battelle Memorial Institute who performed this work are: J.H.K., an employee of Tunnell Government Services, Inc.; and M.G.L., an employee of Lovelace Respiratory Research Institute.
Materials
| Micro-Chem Plus | National Chemical Laboratories | 255 | |
| Ethanol | Fisher | BP2818500 | |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 441244 | |
| Class III BSC | Germfree | DGB-10 | |
| Integrated BSC gloves | Piercan | 10UY2032-9 | |
| Aerosol Management Platform (AeroMP) | Biaera Technologies | NA | |
| Head-out plethysmography | Buxco/Data Sciences International | NA | |
| Respriatory inductive plethysmography | Data Sciences International | NA | |
| Centered flow tangential aerosol generator (CenTAG) | CH Technologies | NA | |
| Collison nebulizer | BGI Inc. | CN25 | |
| Autoclave | Getinge | GEB 2404 AMB-2 | |
| Sperian positive-pressure suit | Honeywell Safety Products | BSL 4-2 | |
| Outer suit gloves (latex, Ansell Canners and Handlers) | Fisher | 19-019-601 | |
| Outer suit gloves (nitrile/rubber, MAPA) | Fisher | 2MYU1 | |
| Scrubs | Cintas | 60975/60976 | |
| Socks | Cintas | 944 | |
| Duct tape | Pack-N-Tape | 51131069695 | |
| Towels | Cintas | 2720 | |
| O-rings | O-ring warehouse | AS568-343 | |
| Overshoes | Amazon | B0034KZE22 | |
| Zip lube | Amazon | B000GKBEJA |
References
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