सुरक्षा सावधानियों और संचालन प्रक्रियाओं एक (ए) में बीएसएल 4 प्रयोगशाला: 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
वायरस के संक्रमण आम तौर पर प्रत्यक्ष या शारीरिक संपर्क, लेकिन कई महत्वपूर्ण वायरल रोगों (जैसे, खसरा, चेचक, इन्फ्लूएंजा) रोगज़नक़ों कि एयरोसोल या सांस की बूंदों से प्रेषित कर रहे हैं की वजह से कर रहे हैं के द्वारा होता है। इस तरह के रोगजनकों व्यापक हल्के काम की हानि के साथ जुड़े रोग से लेकर परिणामों के साथ एक महामारी पैदा करने की क्षमता है (उदाहरण के लिए, जुकाम) उच्च मारक (जैसे, चेचक) के साथ गंभीर बीमारी दुर्लभ है। उच्च परिणाम रोगज़नक़ों कि एयरोसोल से या जानबूझकर एयरोसोल रिहाई के द्वारा स्वाभाविक रूप से फैल (जैविक हथियार) aerobiology 1 करने के लिए विशेष रुचि के हैं। मनुष्य के तेजी से बड़े सांस की बूंदों या छोटे-कण नाभिक द्वारा इन रोगाणुओं की कुछ से संक्रमित हो सकता हो जाते हैं और आसानी से लार स्राव के माध्यम से दूसरों के लिए इन रोगजनकों फैला है, खाँसी, और 2 छींकने। अमेरिका Biodefense समुदाय में, उच्च परिणाम रोगजनकों (जैसे, filoviruses या अन्य NIAID सीएtegory एसी प्राथमिकता रोगज़नक़ों और सीडीसी Bioterrorism एजेंटों) जुड़े संक्रमण 3,4 के उच्च मारक के कारण एयरोसोल अनुसंधान कार्यक्रमों का ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। Aerobiology क्षेत्र के भीतर महत्वपूर्ण वैज्ञानिक प्रगति एयरोसोल उपकरण और उच्च रोकथाम सुविधाओं 5,6 में तकनीकी विकास के कारण पिछले एक दशक के भीतर किया गया है। राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान, नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ एलर्जी और संक्रामक रोगों (एनआईएच / NIAID), फोर्ट फ्रेडरिक, एमडी, संयुक्त राज्य अमेरिका (आईआरएफ-फ्रेडरिक) में स्थित Detrick पर समन्वित अनुसंधान सुविधा में अनुसंधान के लिए उच्च परिणाम उभरते रोगज़नक़ों कि पशु जैव सुरक्षा की आवश्यकता होती है पर केंद्रित स्तर 4 (ABSL-4) रोकथाम। आईआरएफ-फ्रेडरिक के समग्र मिशन का मूल्यांकन करने और उम्मीदवार टीकों और चिकित्सा विज्ञान (चिकित्सा countermeasures) के विकास की सुविधा है।
आईआरएफ-फ्रेडरिक पर उच्च परिणाम रोगजनकों के साथ अनुसंधान कड़े जैव सुरक्षा और जानवरों की देखभाल और उपयोग आवश्यकताओं के द्वारा संचालित है। ये requirements सूक्ष्मजीवविज्ञानी और बायोमेडिकल लेबोरेटरीज (BMBL) मैनुअल 7 और संघीय पशु कल्याण नियमों में जैव सुरक्षा में रेखांकित कर रहे हैं। ये आवश्यक आवश्यकताओं को अनुसंधान के प्रकार है कि प्रतिबंधित किया जा सकता है और प्रभाव समग्र अध्ययन डिजाइन कर सकते हैं। हम पहले इस पत्रिका में वर्णित है, एक ABSL -4 के माहौल में आयोजित सभी शोध विशेष सावधानी, अति विशिष्ट प्रशिक्षण, और एक मजबूत और निरर्थक सुविधा बुनियादी ढांचे 8,9 की आवश्यकता है।
आईआरएफ-फ्रेडरिक ABSL -4 सूट प्रयोगशाला में प्रवेश के लिए एक सकारात्मक दबाव सूट 8 encapsulating धारण की आवश्यकता है। सकारात्मक दबाव सूट encapsulating ABSL -4 कैबिनेट प्रयोगशाला में प्रवेश करने के लिए आवश्यक नहीं कर रहे हैं। एक हाथ धोने सूट, रबर या nitrile दस्ताने, और करीब पंजे जूते धारण उचित है जब एक ABSL -4 कैबिनेट प्रयोगशाला 7 में एक प्रमाणित तीसरी कक्षा जैव सुरक्षा कैबिनेट (बीएससी) के भीतर जोखिम समूह 4 संक्रामक सामग्री जोड़ तोड़ रहा है।
आईआरएफ-फ्रेडरिक में एयरोसोल उपकरण, इंजीनियर है इकट्ठे हुए, और दो भली भांति बंद करके सील, स्टेनलेस स्टील, हवा तंग, नकारात्मक दबाव तीसरी कक्षा BSCs, चित्रा 1 में बनाए रखा। आईआरएफ-फ्रेडरिक Aerobiology कोर एक स्वचालित एयरोसोल प्रबंधन मंच (को रोजगार AAMP) को नियंत्रित करने और इन BSCs भीतर एयरोसोल प्रयोग, चित्रा 2 की निगरानी के लिए। पिछले एक प्रकाशन आईआरएफ-फ्रेडरिक में तीसरी कक्षा BSCs और एक पास के माध्यम से बंदरगाह के माध्यम से 5 सूट प्रयोगशाला के लिए कनेक्शन के विशिष्ट कार्यों को रेखांकित किया। प्रयोग करने से पहले तीसरी कक्षा बीएससी की तैयारी की प्रक्रिया आईआरएफ के लिए विशिष्ट है। अन्य तीसरी कक्षा अन्य संस्थानों में इस्तेमाल किया BSCs आईआरएफ में उपयोग में तीसरी कक्षा बीएससी की तरह ही काम है, लेकिन परिवहन, उपयोग, या डॉकिंग के लिए अलग तंत्र हो सकता है।
आगे समझते हैं कि कैसे उच्च परिणाम रोगजनकों संक्रामक रहने और एयरोसोल संचरण के माध्यम से फैल करने के लिए, सुरक्षित एईrobiological प्रयोग एक विशिष्ट कार्यप्रवाह प्रक्रिया के अनुसार इन तीसरी कक्षा BSCs में आयोजित किया जाना चाहिए। शोधकर्ताओं ने ध्यान से किया गया है और अच्छी तरह से इस कार्यप्रवाह एक सुरक्षित और सुसंगत तरीके से पालन किया जाता है सुनिश्चित करने के लिए प्रशिक्षित किया। nonhuman रहनुमा (NHP) एयरोसोल चुनौती है, कई एयरोसोल लक्षण वर्णन या नकली एयरोसोल रन से पहले स्थिरता और एक एजेंट की व्यवहार्यता जब एयरोसोल रूप में परीक्षण करने के लिए प्रदर्शन कर रहे हैं। एयरोसोल लक्षण वर्णन प्रक्रिया वास्तविक एयरोसोल चुनौती mimics, और शोधकर्ता एयरोसोल पढ़ाई के साथ जुड़े चर का मूल्यांकन करता है।
कार्यप्रवाह का एक अन्य भाग प्रत्येक NHP के लिए चार्ट पर शारीरिक जोड़तोड़, प्रशासन या anesthetics या अन्य एजेंटों, या नियमित प्रक्रिया को रिकॉर्ड करने के लिए है। ये विषय के चार्ट को अच्छी तरह से विश्लेषण कर रहे हैं प्रक्रियात्मक स्थिरता और मानकीकरण सुनिश्चित करने के लिए। विषयों के लिए जोखिम एयरोसोल से पहले anesthetized हैं। उदाहरण anesthetics शामिल tiletamine / zolazepam, ketamine / acepromazine, और ketamine। Anesthetics श्वसन दमन और नियंत्रित, स्थिर राज्य साँस लेने की पदोन्नति को कम करने के आधार पर चुना जाता है। अतिरिक्त संज्ञाहरण आपूर्ति पशु प्रक्रिया कमरे में बनाए रखा और aerobiology ABSL -4 कैबिनेट प्रयोगशाला में NHP के साथ स्थानांतरण गाड़ी पर ले जाया जाता है।
ABSL -4 सूट प्रयोगशाला के भीतर, NHPs दो तरीकों (यानी, सिर से बाहर plethysmography, सांस की प्रेरक plethysmography [चीर]) श्वसन ज्वार की मात्रा निर्धारित करने के लिए में से एक के माध्यम से plethysmography से गुजरना और साँस लेने की दर में परिवर्तन 10-12। इन मापदंडों को ली गई या एक एयरोसोल प्रदर्शन के दौरान तुरंत पहले रोगज़नक़ की अनुमानित साँस खुराक की सटीक गणना के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। सिर से बाहर plethysmography एक लंबे, बेलनाकार कक्ष कि NHP 13 घरों का उपयोग करता है। दबाव बनाया एक जानवर सिलेंडर में है जब ड्रॉप एक pneumotachograph द्वारा कब्जा कर लिया है, एम्पलीफायर के लिए relayed, बारी वर्तमान / प्रत्यक्ष कुरेन द्वारा संसाधितटी कनवर्टर, और ऊपर फेफड़े के मानकों को प्राप्त करने के लिए सॉफ्टवेयर में एकीकृत। RIP उस विषय की छाती और पेट के आसपास 11,12 इलास्टिक बैंड में एम्बेडेड रहे हैं प्रेरक coiled तांबे के तारों से बना सेंसर का उपयोग करता। एक प्रेरक-संधारित्र सेंसर में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। श्वास चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन, और जिसके परिणामस्वरूप वोल्टेज परिवर्तन एक ट्रांसमीटर से लघु तरंग दैर्ध्य अति उच्च आवृत्ति रेडियो तरंगों के माध्यम से कंप्यूटर में एक रिसीवर के लिए इलास्टिक बैंड के बगल में relayed हैं। समर्पित सॉफ्टवेयर साँस लेने की दर और कुल वक्ष विस्थापन से ज्वार की मात्रा निर्धारित करता है।
मिनट की मात्रा (एमवी) plethysmography के माध्यम से प्राप्त होने का अनुमान साँस खुराक (डी) की गणना में इस्तेमाल किया जाता है। पैदा करने और एक एयरोसोल नमूने में, एयरोसोल एकाग्रता (एसी) मीडिया (वी) की मात्रा से biosampler एकाग्रता (बीसी) गुणा और से biosampler (सीए) के प्रवाह की दर से गुणा के परिणाम से विभाजित करके गणना की हैजोखिम समय (टी)। सरलीकृत सूत्र एसी = बीसी एक्स वी के रूप में प्रतिनिधित्व किया है ÷ फ्लोरिडा एक्स टी बदले में, NHPs में वास्तविक एयरोसोल चुनौती के लिए, डी एम वी और जोखिम अवधि (समय = टी) द्वारा एसी गुणा करके गणना की है। सरलीकृत सूत्र डी = एसी एक्स एम वी एक्स टी के रूप में प्रतिनिधित्व किया है
इस लेख का उद्देश्य नेत्रहीन पूरे एयरोसोल चुनौती प्रक्रिया दो दृष्टिकोण, ABSL -4 सूट प्रयोगशाला पक्ष और ABSL -4 कैबिनेट प्रयोगशाला की ओर से NHPs का उपयोग कर प्रदर्शित करने के लिए है। हालांकि इन प्रक्रियाओं का उल्लेख कई प्रथाओं के लिए प्रकृति में सामान्य हो सकता है, वे आईआरएफ-फ्रेडरिक Aerobiology कोर के लिए विशिष्ट हैं और इस संस्था में इस्तेमाल किया वास्तविक प्रथाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं। यह लेख सुरक्षित रूप से एक एयरोसोल चुनौती है, न कि वास्तविक चुनौती एयरोसोल में ही करने की जरूरत जैव सुरक्षा प्रक्रियाओं पर केंद्रित है। इन प्रक्रियाओं में, हम एक डमी विषय का उपयोग कर रहे जैव सुरक्षा प्रथाओं, एक NHP anesthetizing के साथ जुड़े जोखिम के कारण दिखाने के लिए। हालांकि, perfo की प्रक्रियाएक एयरोसोल चुनौती rming एक सामान्य तरीके से लिखा है क्योंकि प्रक्रिया उच्च परिणाम इस्तेमाल किया रोगज़नक़ की परवाह किए बिना एक ही है। हम अधिकतम रोकथाम की शर्तों के तहत उच्च परिणाम रोगाणुओं की एयरोसोल अध्ययन करने की कठोरता के बारे में वैज्ञानिकों के ज्ञान और समझ को बढ़ाने के लिए करना है।
Protocol
Representative Results
Discussion
हम अत्यधिक खतरनाक (जोखिम समूह 4) रोगजनकों के साथ काम करने के लिए आईआरएफ-फ्रेडरिक पर इस्तेमाल किया aerobiology प्रक्रियाओं की रूपरेखा तैयार। bioaerosol प्रक्रियाओं visualizing का एक उद्देश्य है, जब इस तरह के रोगज़नक़ों के सा…
Disclosures
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
- 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).
