Sikkerhedsforanstaltninger og driftsprocedurer i et (A) BSL-4 Laboratorieundersøgelser: 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
Overførsel af virus generelt sker ved direkte eller fysisk kontakt, men mange vigtige virussygdomme (fx mæslinger, skoldkopper, influenza) er forårsaget af patogener, der sendes af aerosol eller dråber fra luftvejene. Sådanne patogener har potentiale til at forårsage en pandemi med konsekvenser spænder fra udbredt mild sygdom forbundet med tab af arbejde (f.eks almindelig forkølelse) til sjældnere alvorlig sygdom med høj dødelighed (fx kopper). Høj konsekvens patogener, der spredes naturligt ved aerosol eller ved forsætlig aerosoler (biologiske våben) er af særlig interesse for aerobiology en. Mennesker kan blive hurtigt inficeret med nogle af disse patogener af store dråber fra luftvejene eller små-partikel kerner og let spredes disse patogener til andre gennem spyt sekreter, hoste og nysen 2. I USA biodefense samfund, høj konsekvens patogener (f.eks filovirus eller andre NIAID Catiseret AC Prioriterede patogener og CDC Bioterrorisme befuldmægtigede) er i fokus for aerosol forskningsprogrammer på grund af høj dødelighed af infektioner 3,4. Væsentlige videnskabelige fremskridt inden for aerobiology felt er foretaget inden for det seneste årti på grund af teknologiske fremskridt i aerosol-udstyr og høje indeslutningsfaciliteter 5,6. Forskning på National Institutes of Health, National Institute of Allergy og Infectious Diseases (NIH / NIAID), Integreret Research Facility ved Fort Detrick ligger i Frederick, MD, USA (IRF-Frederick) fokuserer på high-konsekvens nye patogener, der kræver dyr biosikkerhed niveau 4 (ABSL-4) indeslutning. Den overordnede mission IRF-Frederik er at vurdere og fremme udviklingen af potentielle vacciner og terapeutiske (medicinske modforanstaltninger).
Forskning med høj konsekvens patogener på IRF-Frederik er underlagt strenge biosikkerhed og pasning af dyr og brug krav. Disse requirements er skitseret i biosikkerhed i Mikrobiologisk og Biomedical Laboratories (BMBL) manual 7 og de føderale dyrevelfærd regler. Disse nødvendige krav kan begrænse den type forskning, der kan udføres, og påvirke overordnede studiedesign. Som vi tidligere beskrevet i dette tidsskrift, al forskning udføres i et ABSL-4 miljø kræver særlig forsigtighed, højt specialiseret uddannelse, og en robust og redundant facilitet infrastruktur 8,9.
Indrejse i IRF-Frederick ABSL-4 suit laboratorium kræver iklædt et positivt tryk indkapsler trop 8. Positivt tryk indkapsling dragter er ikke påkrævet for at komme ind på ABSL-4 kabinet laboratorium. Ifører et krat jakkesæt, gummi- eller nitrilhandsker, og tæt-tåede sko er passende, når manipulere Risk Group 4 infektiøst materiale inden en certificeret klasse III biosikkerhed kabinet (BSC) i en ABSL-4 kabinet laboratorium 7.
På IRF-Frederick, er aerosol udstyr manipuleret, samlet, og den løber i to hermetisk lukkede, rustfrit stål, lufttæt, negativt tryk klasse III BSC, figur 1. IRF-Frederick Aerobiology Core beskæftiger en automatiseret aerosol management platform ( AAMP) til at styre og overvåge aerosol eksperimenter inden for disse BSC, figur 2. en tidligere offentliggørelse skitserede specifikke funktioner i klasse III BSC på IRF-Frederik og forbindelsen til dragten laboratoriet via en pass-through port 5. Fremgangsmåden til fremstilling af klasse III BSC før eksperimenteren er specifikke for IRF. Andre Klasse III BSC anvendes på andre institutioner fungerer på samme måde som klasse III BSC i brug på IRF, men kan have forskellige mekanismer for transport, adgang, eller docking.
For yderligere at forstå, hvordan høj konsekvens patogener tilbage smitsom og spredes via aerosol transmission, sikker aerobiological eksperimenter skal udføres i disse klasse III BSC'er efter en bestemt arbejdsgang procedure. Forskere har været omhyggeligt og grundigt uddannet til at sikre denne arbejdsgang følges på en sikker og konsekvent måde. Forud for human primat (NHP) aerosol udfordring, flere aerosol karakterisering eller fingeret aerosol kørsler udføres for at teste stabilitet og levedygtighed af et middel, når i aerosolform. Aerosolen karakterisering, efterligner den faktiske aerosol udfordring, og forskeren evaluerer de variabler, der er forbundet med aerosol undersøgelser.
En anden del af arbejdsgangen er at registrere fysiske manipulationer, administration eller anæstetika eller andre midler, eller rutinemæssige procedurer på diagrammer for hver NHP. Disse underlagt diagrammer analyseres grundigt for at sikre proceduremæssig ensartethed og standardisering. Fag bedøves før aerosoludsættelsen. Eksempel anæstetika omfatter tiletamin / zolazepam, ketamin / acepromazin, og ketamine. Bedøvelsesmidler er valgt baseret på minimering af respiratorisk undertrykkelse og fremme af styret, steady state vejrtrækning. Yderligere anæstesi forsyninger holdes i dyret procedure værelser og transporteres om overførsel vogn med NHP til aerobiology ABSL-4 kabinet laboratorium.
Inden for ABSL-4 suit laboratorium, menneskelige primater undergår plethysmografi via en af to metoder (dvs. hoved-out plethysmografi, respiratorisk induktiv plethysmografi [RIP]) for at bestemme inspiratorisk tidalvolumen og vejrtrækning ændrer 10-12. Disse afledte parametre anvendes til nøjagtig beregning af den estimerede inhalerede dosis af patogenet umiddelbart før eller under en aerosol eksponering. Head-out plethysmografi bruger en lang, cylindrisk kammer, der huser NHP 13. Trykfaldet oprettes, når et dyr er i cylinderen er fanget af en pneumotachograf, videresendes til forstærkeren, behandles af vekselstrømmen / direkte current-konverter, og integreret i softwaren til at udlede de ovennævnte pulmonale parametre. RIP bruger sensorer lavet af induktive coiled kobbertråde, der er indlejret i elastik rundt om emnet bryst og mave 11,12. En induktiv-kondensator frembringer et magnetfelt i sensoren. Vejrtrækning ændrer magnetfeltet, og de resulterende spændingsændringer er viderebragt fra en sender ud for det elastiske bånd til en modtager i computeren via korte bølgelængde ultrahøj frekvens radiobølger. Dedikeret software bestemmer vejrtrækning og tidalvolumen fra total thorax forskydning.
Minutvolumen (MV) opnået ved plethysmografi anvendes til beregning af den estimerede inhalerede dosis (D). Ved generering og prøveudtagning en aerosol, er aerosolkoncentrationen (AC) beregnes ved at multiplicere biosampler fusion (BC) med volumenet af mediet (V) og dividere med resultatet af at multiplicere strømningshastigheden af biosampler (FL) afbehandlingstid (T). Den forenklede formel er repræsenteret som AC = BC x V ÷ FL x T. Til gengæld for den faktiske aerosol udfordring NHP-indhold, D beregnes ved at gange AC af MV og varighed eksponeringen (tid = T). Den forenklede formel er repræsenteret som D = AC x MV x T.
Formålet med denne artikel er at visuelt vise hele aerosol udfordring under anvendelse NHP'er fra to synsvinkler, den ABSL-4 suit laboratorium side og ABSL-4 kabinet laboratorium side. Selv om disse procedurer kan være generel karakter i flere praksis nævnt, de er specifikke for IRF-Frederick Aerobiology Core og repræsenterer den faktiske praksis anvendes på denne institution. Denne artikel fokuserer på de biosikkerhed procedurer, der er nødvendige for sikkert at udføre en aerosol udfordring, ikke den faktiske aerosol udfordring selv. I disse procedurer, bruger vi en dummy emne at vise biosikkerhed praksis, på grund af risikoen forbundet med bedøve en NHP. Men processen med Performing en aerosol udfordring er skrevet i en generel måde, fordi proceduren er den samme uanset høj konsekvens patogen anvendes. Vi tilstræber at øge viden om og forståelse af videnskabsmænd om rigor af ledende aerosol studier af høj konsekvens patogener under maksimal indeslutningsbetingelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi skitsere de aerobiology procedurer, der anvendes på IRF-Frederik til at arbejde med meget farlige (Risk Group 4) patogener. Et af formålene med at visualisere de bioaerosolpartiklerne procedurer er at understrege sikkerheden for personalet, når du bruger en klasse III BSC under eksperimenter med sådanne patogener at undgå laboratorie-infektioner. Klasse III BSC'er opretholde en aktiv retningsbestemt luftstrøm, der udtømmer ind dobbelte HEPA-filtre til at sikre, at patogener er indeholdt i laboratoriet <str…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- Alibek, K., Handelman, S. . The chilling true story of the largest covert biological weapons program in the world-told from inside by the man who ran it. , (1999).
- Roy, C. J., Pitt, L. M., Swearingen, J. R. Infectious disease aerobiology: aerosol challenge methods. Biodefense: research methodology and animal models. , 61-76 (2006).
- Lackemeyer, M. G., et al. ABSL-4 aerobiology biosafety and technology at the NIH/NIAID integrated research facility at Fort Detrick. Viruses. 6 (1), 137-150 (2014).
- Bohannon, J. K., et al. Generation and characterization of large-particle aerosols using a center flow tangential aerosol generator with a non-human-primate, head-only aerosol chamber. Inhal Toxicol. , (2015).
- Chosewood, L. C., Wilson, D. E., eds, . Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories. , (2009).
- Janosko, K., et al. Safety Precautions and Operating Procedures in an (A)BSL4 Laboratory: 1. Biosafety level 4 suit laboratory suite entry and exit procedures. J Vis Exp. , (2015).
- Mazur, S., et al. Safety Precautions and Operating Procedures in an (A)BSL4 Laboratory: 2. General Practices. J Vis Exp. , (2015).
- Mortola, J. P., Frappell, P. B. On the barometric method for measurements of ventilation, and its use in small animals. Can J Physiol Pharmacol. 76 (10-11), 937-944 (1998).
- Zhang, Z., et al. Development of a respiratory inductive plethysmography module supporting multiple sensors for wearable systems. Sensors (Basel). 12 (10), 13167-13184 (2012).
- Ingram-Ross, J. L., et al. Cardiorespiratory safety evaluation in non-human primates. J Pharmacol Toxicol Meth. 66 (2), 114-124 (2012).
- Besch, T. K., Ruble, D. L., Gibbs, P. H., Pitt, M. L. Steady-state minute volume determination by body-only plethysmography in juvenile rhesus monkeys. Lab Anim Sci. 46 (5), 539-544 (1996).
