אמצעי בטיחות ונהלי הפעלה בבית (א) BSL-4 מעבדה: 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
העברת וירוסים מתרחשת בדרך כלל על ידי מגע ישיר או פיזי, אך רבים מחלות ויראליות חשוב (למשל, חצבת, אבעבועות רוח, שפעת) נגרמות על ידי פתוגנים המועברים על ידי תרסיס או טיפות הנשימה. פתוגנים כאלה יש פוטנציאל לגרום מגיפה עם השלכות החל ממחלה מתונה נפוצה בא לידי ביטוי באובדן העבודה (למשל, הצטננות) כדי נדירות מחלה רצינית עם הקטלניות גבוהה (למשל, מחלת האבעבועות השחורות). פתוגנים גבוה תוצאה שהתפשט באופן טבעי על ידי תרסיס או על ידי שחרור אירוסול מכוון (נשק ביולוגי) הם בעלי העניין מיוחד aerobiology 1. בני אדם עלולים להידבק במהירות עם כמה פתוגנים אלה על ידי טיפות נשימה גדולות או גרעינים קטן-חלקיק ובקלות להפיץ פתוגנים אלה לאחרים דרך פרשות רוק, שיעול, התעטשות 2. בקהילה להגנה מפני טרור ביולוגי בארה"ב, פתוגנים גבוהה מכך (למשל, הפילו-וירוסים או Ca NIAID אחריםפתוגנים עדיפים tegory AC וסוכני הטרור הביולוגי CDC) הם המוקד של תוכניות מחקר אירוסול בשל הקטלניות גבוהות של הזיהומים הקשורים 3,4. צעדים מדעיים משמעותיים בתחום aerobiology נעשו בעשור האחרון בשל התקדמות טכנולוגית בציוד אירוסול ומתקני בלימה גבוה 5,6. המחקר של המכון הלאומי לבריאות בארה"ב, המכון הלאומי לאלרגיה ומחלות זיהומיות (NIH / NIAID), מתקן מחקר משולב בפורט דטריק הממוקם פרדריק, MD, ארה"ב (IRF-פרדריק) מתמקד פתוגנים המתעוררים גבוהה תוצאה הדורשים בטיחות ביולוגית חיה רמה 4 בלימה (ABSL-4). המשימה הכוללת של IRF-פרדריק היא להעריך להקל על הפיתוח של חיסוני מועמד ותרופות (נגד רפואי).
מחקר עם פתוגנים גבוהה תוצאה בבית IRF-פרדריק נשלטת על ידי בטיחות ביולוגית מחמירים טיפול בבעלי חיים דרישות השימוש. requir אלהements המפורטת ב הבטיחות הביולוגית ב מיקרוביולוגיות ביו מעבדות (BMBL) ידני 7 והתקנות הרווחה הפדרליות חיה. דרישות נחוצות אלה עשויות להגביל את סוג המחקר שניתן לבצע ולהשפיע מערך מחקר כללי. ככל שאנו שתוארנו לעיל ביומן הזה, אך כל המחקרים שנערכו בסביבה ABSL-4 מחייב זהירות מיוחדת, הכשרה מאוד מיוחדת, וכן מתקן חזק מיותר תשתית 8,9.
וכניסה במעבדת חליפת IRF-פרדריק ABSL-4 דורשת עוטה בלחץ חיובי encapsulating חליפה 8. בלחץ חיובי encapsulating חליפות אינם נדרש להזנה במעבדת ארון ABSL-4. עוטה חליפה לשפשף, כפפות גומי או ניטריל, ונעליים צבאיות קרוב מתאים כאשר מניפולציה חומר זיהומיות סיכונים קבוצה 4 בתוך בטיחות ביולוגית מוסמך Class III הקבינט (BSC) במעבדה ארון ABSL-4 7.
באותו IRF-פרדריק, ציוד תרסיס מתוכנן, התאספו, ומתוחזק בשני הרמטית, נירוסטה, אוויר חזק, מחלקה שלילית בלחץ III BSCs, איור 1. הליבה IRF-פרדריק Aerobiology מעסיקה פלטפורמת ניהול אירוסול אוטומטי ( AAMP) לשלוט ולפקח ניסויים אירוסול בתוך BSCs אלה, איור 2. פרסום קודם התווה את הפונקציות הספציפיות של III BSCs המחלקה בבית IRF-פרדריק והקשר למעבדת החליפה דרך יציאת תמסורת 5. ההליך של הכנת BSC Class III לפני הניסויים הוא ספציפית IRF. III BSCs מח' אחר המשמש במוסדות אחרים פועל באופן דומה המחלקה השלישית BSC בשימוש באותה IRF, אבל יכול להיות מנגנונים שונים לתחבורה, גישה, או עגינה.
כדי להבין יותר כיצד פתוגנים גבוהה תוצאה להישאר זיהומיות ולהפיץ הולכתו אירוסול, AE בטוחניסויי robiological חייבים להתנהל בכיתה אלה III BSCs על פי נוהל עבודה ספציפית. חוקרים היו בזהירות הכשרה יסודית כדי להבטיח זרימת עבודה זו היא המיושמת בצורה בטוחה ועקבית. לפני הפרימטים אנושי (NHP) אתגר אירוסול, כמה אפיון תרסיס או ריצות תרסיס דמה מבוצעים כדי לבדוק את היציבות ואת הכדאיות של סוכן בעת בצורה בתרסיס. תהליך אפיון אירוסול המחקה את האתגר אירוסול בפועל, ואת החוקר מעריך את המשתנים הקשורים מחקרים אירוסול.
חלק אחר של זרימת העבודה הוא להקליט מניפולציות פיסיות, ממשל או הרדמה או תרופות אחרות, או פרוצדורות שיגרתיות על תרשימים עבור כל NHP. תרשימי נושא אלה מנותחים באופן יסודי על מנת להבטיח עקביות וסטנדרטיזציה פרוצדורליים. נושאים מורדמים לפני ריסוס חשיפה. הרדמת דוגמא כוללת tiletamine / zolazepam, קטמין / acepromazine, ו ketamine. הרדמה נבחרת על בסיס מזעור דיכוי וקידום נשימה של מבוקר, נשימה יציבה. אספקת הרדמה נוספת נשמרת בחדרי הליך החיה והובלה על עגלת ההעברה עם NHP למעבדת ארון aerobiology ABSL-4.
בתוך המעבדה חליפה ABSL-4, NHPs לעבור plethysmography באמצעות אחת משתי שיטות (כלומר, plethysmography ראש-אאוט, plethysmography אינדוקטיביים הנשימה [RIP]) כדי לקבוע נפח גאות inspiratory ו קצב הנשימה משתנה 10-12. פרמטרים נגזרים אלה משמשים לחישוב מדויק של המנה בשאיפה המשוערת של הפתוגן מייד לפני או במהלך חשיפה אירוסול. ראש-אאוט plethysmography משתמש בתא גלילי ארוך כי הבתים 13 NHP. ירידת הלחץ שנוצרה כאשר בעל חיים הם בצילינדר הוא נתפס על ידי pneumotachograph, שנמסרו לבית המגבר, מעובד על ידי זרם חילופין / curren הישירהממיר t, והשתלב התוכנה לגזור את הפרמטרים ריאתי לעיל. RIP משתמשת בחיישנים עשויים חוטי נחושת אינדוקטיביים מפותלים המוטבעות גומיות סביב החזה של הנושא 11,12 בטן. אינדוקטיביים-קבלים יוצרים שדה מגנטי ב החיישן. נשימה משנה את השדה המגנטי, ושינויי המתח וכתוצאה מכך הם במימסר משדר ליד הגומייה למקלט במחשב באמצעות גלי רדיו בתדירות קצר גל אולטרה-גבוהה. תוכנה ייעודית קובעת קצב נשימה ואת נפח גאות מן עקירת חזה הכולל.
היקף הדקות (MV) שהושג באמצעות plethysmography משמש בחישוב המינון בשאיפה המוערך (D). ביצירה ולדגום בתרסיסים, ריכוז האירוסולים (AC) מחושב על ידי הכפלת ריכוז biosampler (BC) על ההיקף כולל של תקשורת (V) על ידי חלוקת תוצאה של הכפלת קצב הזרימה של biosampler (FL) על ידיזמן חשיפה (T). הנוסחה פשוטה מיוצג AC = BC x V ÷ FL x ט בתורו, לאתגר אירוסול בפועל NHPs, D מחושבת על ידי הכפלת AC ידי MV ואת משך החשיפה (זמן = T). הנוסחא הפשוטה מיוצגת D = AC x MV x ט
מטרת מאמר זה היא ויזואלית מדגימה את הליך אתגר אירוסול כולו באמצעות NHPs משתי נקודות מבט, צד מעבדת חליפת ABSL-4 וצד מעבדת ארון ABSL-4. למרות נהלים אלה יכול שיהיו כלליות בטבע במשך כמה שיטות שהוזכרו, הם ספציפית Core IRF-פרדריק Aerobiology ולייצג את שיטות בפועל נעשה שימוש במוסד הזה. מאמר זה מתמקד על נהלי הבטיחות הביולוגיים הדרושים לביצוע אתגר אירוסול בבטחה, לא אתגר אירוסול בפועל עצמו. בנהלים אלה, אנו משתמשים נושא דמה להראות נוהלי בטיחות ביולוגית, בשל הסיכון הכרוך בהרדמת NHP. עם זאת, התהליך של performing אתגר אירוסול כתוב באופן כללי כי ההליך הוא זהה, ללא קשר הפתוגן גבוהה תוצאה בשימוש. אנו שואפים לשפר את הידע והבנה של מדענים על קשיי עורכי מחקרים אירוסול של פתוגנים תוצאה גבוהים בתנאים אטימים מרביים.
Protocol
Representative Results
Discussion
נתאר את הליכי aerobiology בשימוש בבית IRF-פרדריק לעבודה עם פתוגנים מסוכנים מאוד (סיכונים קבוצה 4). אחת המטרות של לדמיין את הנהלים bioaerosol היא להדגיש את הבטיחות של הצוות בעת שימוש Class III BSC במהלך ניסויים עם פתוגנים כאלה כדי למנוע זיהומים רכשה מעבדה. III המחלקה BSCs לשמור על זרימת אווי…
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).
