Ett snabbt kan sättas in, off-grid laboratorium har designats och byggts för avlägsen, resursbegränsade globala inställningar. Funktioner och kritiska aspekter av logistiskt utökad, utbyggbart, multifunktionella laboratorium moduler utforskas. En checklista för ett grundläggande laboratorium arbetsflöde och ett protokoll för en respiratorisk viral diagnostiskt test är utvecklade och presenterade.
En uptick i senaste pandemierna (Ebola, Zika, MERS, influensa, etc.) understryker behovet av en mer ‘vig,’ samordnat svar som behandlar en mängd frågor från transport, tillgång, faciliteter, utrustning och kommunikation till leverantör utbildning. För att bemöta detta behov, har vi utvecklat en innovativ, skalbar, logistik-förbättrade, mobil, laboratorium anläggning för nödsituationer och epidemier i resursbegränsade globala inställningar. Utnyttja en bakgrund i den kliniska verksamheten som en akademisk vårdcentral, vi utformade en snabbt distribuerbara, modulära BSL-2 och BSL-3 anläggning med användarvänlig programvara för spårning och hantering av narkotika och leveranser i avlägsna regioner under epidemier och utbrott. Här presenterar vi våra intermodala, mobil, utbyggbart transportbehållare laboratorium enheter. Utformningen av laboratoriet underlättar off-grid användning genom att minimera strömförbrukningen och tillåta alternativa vattenkällor. Enhetens information communication technology (ICT) plattform ger a användarvänlig surfplatta-baserad dokumentation, (ii) Förbättrad spårning av patienter och leveranser, och (iii) integrerad kommunikation på platsen med inbyggda telehälsa kapacitet. För att säkerställa kvalitet i avlägsna miljöer, har vi utvecklat en checklista för ett grundläggande laboratorium arbetsflöde och ett protokoll för respiratoriska viral diagnos använder omvänd-transkription polymeras-kedjereaktion (RT-PCR). Som beskrivits, tillåter denna innovativa och omfattande strategi för tillhandahållande av laboratoriet kapacitet i begränsade resurser globala miljöer.
Snabb diagnostik är en kritiska instrument lägligt viral infektion kontroll, särskilt om tidig symptomatology är omöjlig att skilja till en mängd olika sjukdomar, infektion. Det senaste utbrottet av Ebola (2014-2015) i västra Afrika1,2, Zika virus epidemier (2015-2016) i Asien och Latinamerika3,4, uppkomsten av Middle East Respiratory Syndrome (MERS) coronavirusen infektioner5,6, och de ovanligt dödliga influensan (influensa) epidemierna (2017-2018) i USA7,8 upptäckt behovet av snabbt kan sättas in, Laboratorieresurser som åtgärdar en mängd frågor från transport, tillgång, faciliteter, utrustning och kommunikation.
Off-grid kapacitet (självständiga makt och vattenförsörjning, etc.) är avgörande för landsbygdens, resursbegränsade globala inställningar9,10,11. Vår erfarenhet inom klinisk verksamhet och globala program vid Baylor College of Medicine användes för att konstruera och bygga en container-baserad mobila laboratorium med funktioner för enkel driftsättning, set-up och multifunktionell användning (BSL-2 och BSL-3). Bilder av denna mångsidiga, logistiskt utökad laboratorium anläggning visas i figur 1.
Detta snabbt kan sättas in, laboratorium anläggning har en expanderbar design som liknar den tidigare beskrivna behållare kliniken (‘Emergency Smart Pod’)12,13,14, utvecklat av Baylor College of Medicine och sponsras av USAID. En packad enhet (i transportläge) har måtten 9 fot 9 tum x 8 fot x 8 fot (figur 1A, B), och expanderar till en yta på 170 kvadratfot (15,75 m2) (figur 1 c, D). Enheten kan distribueras av två till fyra personer i mindre än tio minuter.
Remote laboratoriet är byggd för en BSL-2 lab anläggning (figur 2A) med en separat, modulära, utmätningsbara, BSL-3 enhet (figur 2B) avsedd för arbete med infektiösa agens som kan orsaka allvarliga eller potentiellt dödliga sjukdom genom inandning 15. anslutning av två laboratorium modulerna möjliggör optimering av experimenterande arbetsflöden, delning av resurser och kostnadsbesparingar (Figur 2 C-E).
Modulerna är lufttäta och vattentäta att skapa en bekväm, energi effektiv mobil skydd. Värme, ventilation och luftkonditionering (HVAC) system används för centraliserad och temperaturkontrollerade enheter. I allmänhet minimerar utformningen av laboratoriet enheterna strömförbrukningen genom användning av sina egna alternativa kraftkällor såsom solpaneler och/eller en oberoende elektrisk generator. Varje enhet har ett handfat och ögondusch station, elkraft och vatten anslutningar (Figur 3A-C). ICT-plattformen ger en valfri, tablet-baserade (Android telefon/surfplatta eller iPhone/iPad) dokumentation app för spårning av leverans och laboratorium resultat dokumentation (figur 3D) utvecklade i samarbete med Baylor’s Information Technology (IT) forskargrupp som är väl erfarna i att arbeta i avlägsna miljöer med begränsad anslutning. Systemet kan fungera med cellular eller trådlösa signaler, och tillåter dokumentation utan anslutning med omedelbar säkerhetskopiering eller överföring till en säker-cloud baserade server när anslutningen återupprättas.
Laboratoriet har flera nyckel infektion-kontroll funktioner, inklusive: (a) negativa trycket luft flöde, (b) en handskfacket eller biosäkerhet skåp, (c) en hälsa risk management system: ett bakteriedödande ultraviolett (UV-C) belysningssystem som använder 4 hierarkier av försvar som visat att eliminera 99,7% av patogener som orsakar vårdrelaterade infektioner. Anläggningen är enkelt desinficeras med väteperoxid eller natriumhypoklorit (blekmedel) system för effektiv sanering. 16
Försäkran om kvalitet laboratorieresultat beror på ett åtagande att bedöma alla aspekter av helhet diagnostiska testprocessen. Här presenterar vi en checklista för arbetsflödet BSL-2 och BSL-3 laboratorium, och ett protokoll för snabb respiratorisk virus diagnostiskt test. Föreslagna diagnos av virussjukdomar bygger på påvisande av viral RNA eller DNA i prov (nasal tvätta, blod, avföring, och urin, etc.) genom realtid omvänd-transkription polymeras-kedjereaktion (RT-PCR). Förmågan att snabbt uppskatta virusbelastning i prov gör PCR ett effektivt verktyg för virussjukdom som screening17,18. Genomförandet av Roman, molekylär diagnostiska analyser tillåter expansion av diagnostisk kapacitet för virus såsom Ebola19,20,21, influensa8,22och tuberkulos (TB )23.
Målet med detta arbete är att validera en roman modulära och snabbt kan sättas in laboratorium anläggning och ge en utbildning guide för laboratoriepersonal som arbetar i avlägsna, resurssnål miljöer under en epidemi, naturkatastrof eller annan nödhjälp situationen. Här presenterar vi ett protokoll för luftvägarna influensa diagnos i detta innovativa, bärbar laboratorium.
Remote laboratorium anläggningen ovan är logistiskt-orienterade, utbyggbart, snabbt kan sättas in, multifunktionella och baserat på mänskliga-centered designkoncept som har varit inriktat på att skydda laboratorium personal och arbetsytan effektivitet. Det detaljerade protokollet för snabb laboratorium set-up och säker respiratorisk virusisolering och diagnos var utvecklade och presenterade.
För optimal utrustning fungera, följande villkor måste upprätthållas i laboratorium enheter: omgivningstemperatur av 21 ± 2 ° C, tillåtna temperaturen för 5 till 40 ° C, luftfuktighet på 14 ± 5% RH, tillåten högsta relativa luftfuktighet på 80% RH (icke-kondenserande), och en höjd mellan 0 och 2 000 m över havet.
Energiförbrukningen är en av de viktigaste parametrarna för förvaltning av ett fristående laboratorium. För core laboratorieutrustning, kan den förmåga effektiviteten variera 15-40%. dock uppskattas genomsnittliga energiförbrukning här leverera en lämplig tjänst. Den högsta makt ränta (1.500-2.000 W) avser luftkonditioneringen, handskfack systemet, PCR-maskinen och autoklav sterilizer. Med tanke på 8 timmar av intensivt arbete utför de protokoll och 16 timmars laboratorium miljö kontroll, är den dagliga energiförbrukningen laboratorium enheter ungefär 36 kWh/dag för BSL-2, ca 43 kWh/dag för BSL-3 och 73 kWh/dag för den anslutna BSL-2/BSL-3 + faciliteter. För en enda enhet, rekommenderar vi att ge en källa till elektrisk ström med kapacitet på löpning/kontinuerlig effekt ≥8 kW, surge/start power ≥10 kW. för anslutna anläggningen, löpning/kontinuerlig effekt ≥ 12 kW, och våg/börjar driva ≥14 kW. Observera att i BSL-3 laboratorium anläggningen, en backup energikälla är starkt rekommenderat att undvika oavsiktlig strömavbrott och garantera stadig arbetet i handskfacket och undertryck systemet under ett diagnostiskt test.
En bensin drivs elektrisk generator är en kostnadseffektiv lösning för akut energiförsörjning. Anta att en bensin generator bränsleeffektivitet är cirka 1,5 gallon per timme vid 100% belastning. Då, om den genomsnittliga dagliga energiförbrukningen är 8 timmar 40% belastning och 16 timmars 10% belastning, laboratoriet enheten BSL-2 eller BSL-3 kräver 7-9 gallons bränsle per dag, på motsvarande sätt och anslutna anläggningen behöver ~ 15 gal/dag.
Remote laboratorium enheter är utformade för att passa funktionerna i off-grid solcellssystem. Solpaneler kräver inte ytterligare bränsle och kan drivas med hög produktivitet i de tropiska och subtropiska regionerna i Afrika, Asien och Latinamerika på grund av den höga solinstrålning. För närvarande, tillåter en enhet av ett kommersiellt tillgängliga solpanel system en daglig energiförbrukning på upp till 44 kWh/dag.
Oavsett den valda typen av alternativ elektriska energikälla, är smutsig El filter starkt rekommenderat och förinstallerad i laboratoriet anläggningar att förbättra kvalitet och skydda laboratorieutrustning. Håll PCR systemet borta från stark och oskärmade elektromagnetisk strålning eftersom stark elektromagnetisk strålning kan störa den korrekt driften av enheten. Det är också viktigt Använd inte PCR systemet nära starka vibrationer källor, till exempel en centrifug eller pump eftersom överdriven vibration kommer att påverka instrumentet prestanda. Laboratorieutrustning kan endast installeras i en miljö som har oledande föroreningar, såsom dammpartiklar eller flis. Se till att rummet är borta från alla ventiler som kunde utvisa partikelformiga material på komponenterna som instrumentet.
Användning av laboratoriet vatten beror på antalet diagnostiska tester körs dagligen och antal laboratorietekniker som arbetar i anläggningen. Nuclease gratis vatten krävs för beredning av blandare under diagnostiska förfarandet inklusive extraktion och PCR-testet och måste levereras i förväg som andra förnödenheter och kemikalier. Minst 50 mL nuclease gratis vatten behövs för att köra ett diagnostiskt test; volymen som krävs av nuclease gratis vatten beror på arbetsbelastningen (dvs på antal prover). Destillerat vatten behövs för att köra autoklav sterilizer. Autoklav vattenförbrukningen i en cykel är 160-180 mL; autoklaven rekommenderas för daglig användning. De flesta av plast (rör, pipettspetsar, etc.) är disponibel, men vissa är återanvändbara och behöver tvättas (stora behållare, rack, etc.). Regelbundna rinnande vatten används för att tvätta händerna mellan förfaranden och dess minimala volym beräknas uppgå till 15-20 L dagligen. Vattnet behöver pumpas för tryck; sediment förfilter system rekommenderas att skydda vatten apparater från de skadliga effekterna av sediment och förbättra kvaliteten på rinnande vatten.
För kyllagring, minst en 5.1 kubikfot kyl (+ 4 ° C) och en 4,9 kubikfot (-20 ° C till-30 ° C) frys krävs i varje laboratorium enhet att lagra prover / RNA.
Laboratoriet sanering omfattar flera nivåer: rengöring > antisepsis > desinfektion > sterilisering. Enkel rengöring kan utföras med tvål och vatten medan skrubbning med en behandskade hand eller borste. Antiseptisk innehåller tvätt med flytande antimikrobiella kemiska för att hämma tillväxt och förökning av bakterier. Alkohol lösningar (70%) kan användas som en antiseptisk vätska. Desinfektion är tillämpningen av en flytande kemisk att eliminera nästan alla patogena mikroorganismer (utom bakteriesporer) på arbetsytor och utrustning. Kemisk exponeringstid, temperatur och koncentration av desinfektionsmedel är viktiga. Natriumhypokloritlösning (0,5%), eller blekmedel, är ett effektivt desinfektionsmedel i stor skala för surface rening och vatten rening. Bakteriedödande ultraviolett bestrålning är en annan metod för desinfektion. En bakteriedödande lampa ger UV-C ljus och leder till inaktivering av bakterier och virus. Sterilisering sysselsätter en fysikalisk eller kemisk förfarande att förstöra alla mikrobiellt liv–inklusive högresistent bakteriesporer. Sterilisering kan utföras med en autoklav sterilizer.
Alla laboratorieavfall måste hållas åtskilda vid tidpunkten för generation. Plats fast, icke-sharp, smittförande avfall i täta Avfallspåsar markeras som biohazard. Om genererat avfall är skarp, måste den placeras i sticksäker behållare. Samla potentiellt infektiösa flytande avfall i korrekt märkta biohazard behållare för vätskor. Behållare och väskor ska inte fyllas mer än 2/3 volymen. Destruktion av alla blekmedel måste sorteras in i sina egna utsedda papperskorg. Laboratorieavfall måste hanteras varsamt för att undvika generera vätskeaerosoler och brott på väskor/behållare. Collection väskor/lagerplatser med biohazard avfall måste vara förseglade och yttre ytor dekontamineras efter användning med 0,5-procentig natriumhypokloritlösning. Sterilisera alla laboratorieavfall i autoklav vid 121 ° C i 30 minuter före förbränning. Finns fungerande manual för korrekt användning av en autoklav. Lägg om möjligt till en kemisk eller biologisk indikator i autoklav att säkerställa korrekt sterilisering. Alla Ånghärdad fast och flytande avfall måste märkas tydligt som steriliseras med inställningen, datum, tid och operatör. Märkt avfallet måste då placeras i ett säkert, separat område före förbränning.
Som förväntat, beror arbetsflöde för diagnostiska test på sjukdomen och preparatet. Om det rekommenderas att samla in blodprov (t.ex. Ebola19) virusidentifiering av, kan provet alikvoter lagras vid-20 ° C istället för-80 ° C (nödvändigt för respiratoriska virus). Det är alltid bättre att ta mer än ett exemplar när provtagning från patient än att indela exemplaren senare. För varje typ av preparatet måste om möjligt minst två prover tas i separata prov rör. Prover måste delas om ytterligare provtagning inte är möjligt.
Om alternativa exemplar inte kan förvaras vid temperaturer (t.ex. ingen Frys finns tillgängliga), kompresser bör förvaras i ren (100%) etanol eller 99% denaturerad sprit (metanol tillsatser bara). I det här fallet måste provstickan spetsen sättas i en injektionsflaska med 1-2 mL etanol. Observera att sådana exemplar är lämplig endast för PCR. Också, Observera att en väletablerad analys är nödvändig för varje särskilt virus diagnos8,23, och okända virus prover måste skickas till tilldelade laboratorier för ytterligare utredningar19,20, 21.
Obligatoriska och rekommenderade krav till listan av laboratorieutrustning för respiratorisk virus diagnostiska PCR-test måste erkännas. Tabell 3 understryker grundläggande och minimalt avancerade (rekommenderas) utrustning och krav för RT-PCR diagnostiska provet. För BSL-3 praxis är extra undertryck skydd (t.ex. handskfacket) personal viktigt och nödvändigt.
Modulerna anslutna laboratorium är att föredra att öka antalet anställda involverade i laboratorietester och påskynda den tid som krävs för ett enda test. Ersätta den tidskrävande manuella RNA-extraktionen är möjligt med automatiserade qPCR (t.ex. QiaCube). Medan detta instrument är besvärligt (bredd 65 cm, längd 62 cm, höjd 86 cm), det kan passa arbetsytan mobila laboratorium efter omflyttning av möbler i BSL-2 eller BSL-3 enheter.
Framtida arbete kommer att inriktas på utveckling av augmented reality (AR) och virtual reality (VR) träningar. De AR/VR-glasögon används för att tillhandahålla en interaktiv plattform för att lära ut nödvändiga kunskaper som behövs för att bli en välutbildad laboratorium arbetare. Tips för att utföra vissa av de svåra, utgångsämnet förfarandena i diagnostiska laboratorietester kommer att ingå i guiden programvara. Detta förhållningssätt till utbildning av personal bör förbättra kvaliteten på diagnostiskt testprestanda och hantering i remote laboratorium, särskilt remote och resursbegränsade områden.
The authors have nothing to disclose.
Innehållet i denna artikel återspeglar inte nödvändigtvis åsikter eller politik av den oss Department of Health and Human Services eller institutioner anslutna med författarna. Denna forskning stöds av Paul G. Allen Family Foundation ”Enhanced Zero-Impact, Emergency Smart Pod”. Vi uppskattar alla givande diskussioner och samarbete med kollegor från Baylor College of Medicine, GSS hälsa, NASA: s Johnson Space Center. Vi är uppriktigt tacksamma till Thermo Fisher Scientifics och dess representanter för ett lån på RT-PCR-maskinen, centrifug och automatiska Pipetter för att genomföra en respiratorisk virus diagnostiska test i remote laboratorium anläggningen. Författarna är tacksam till Marta Storl-Desmond och Sidney Stephen Sorrell för deras hjälp i manuskriptet förberedelse och videography.
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 |