En hurtigt deployerbare, off-grid laboratorium har designet og bygget til remote, ressource-begrænset globale indstillinger. Funktioner og kritiske aspekter af modulerne logistisk forbedret, kan udvides, multifunktionelle laboratorium udforskes. En tjekliste for en grundlæggende laboratorium arbejdsproces og en protokol for en respiratorisk viral diagnostiske test er udviklet og præsenteret.
En uptick i seneste pandemier (Ebola, Zika, MERS, influenza, etc.) understreger behovet for en mere “adræt’ koordineret svar, der omhandler en lang række emner, lige fra transport, adgang, faciliteter, udstyr og kommunikation til udbyder uddannelse. For at imødegå dette behov, har vi udviklet en innovativ, skalerbar, logistik-forstærket, mobil, laboratorium facilitet for nødsituationer og epidemier i ressource-begrænset globale indstillinger. Udnytte en baggrund i kliniske operationer som en akademisk medical center, vi designet en hurtigt deployerbare, modulære BSL-2 og BSL-3 anlæg med brugervenlig software til sporing og administration af medicin og forsyninger i afsidesliggende regioner under epidemier og udbrud. Her præsenterer vi vores intermodale, mobil, udvidelig skibscontainer laboratorium enheder. Design af laboratoriet letter off-grid forbrug ved at minimere strømforbruget og alternative vandkilder. Enhedens oplysninger kommunikations teknologi (IKT) platform giver a brugervenlige tablet-baseret dokumentation, (ii) øget sporing af patienter og forsyninger, og (iii) integreret kommunikation onsite med indbygget telehealth kapaciteter. For at sikre kvalitet i eksterne miljøer, har vi udviklet en tjekliste for en grundlæggende laboratorium arbejdsproces og en protokol for respiratorisk viral diagnose ved hjælp af reverse-transskription Polymerasekædereaktionen (RT-PCR). Som beskrevet, denne innovative og omfattende tilgang giver mulighed for levering af laboratoriet evne i ressource-begrænset globale miljøer.
Hurtig diagnostik er et afgørende instrument i rettidig viral infektion control, især hvis tidlige symptomatologi er umulig at skelne til en lang række infektion sygdomme. Det seneste udbrud af Ebola (2014-2015) i Vestafrika1,2, Zika virus epidemier (2015-2016) i Asien og Latinamerika3,4, fremkomsten af Mellemøsten respiratorisk syndrom (MERS) coronavirus infektioner5,6, og usædvanligt dødelige (influenza) influenzaepidemier (2017-2018) i kr.7,8 udækket behov for hurtigt deployerbare, laboratoriefaciliteter, som omhandler en lang række spørgsmål fra transport, adgang, faciliteter, udstyr og kommunikation.
Off-grid kapacitet (autonom magt og vandforsyning, etc.) er afgørende i landdistrikterne, ressource-begrænset globale indstillinger9,10,11. Vores erfaring i klinisk operationer og globale programmer på Baylor College of Medicine blev brugt til at designe og bygge en container-baserede mobile laboratorium med funktioner til nem installation, opsætning og multifunktionelle skik (BSL-2 og BSL-3). Billeder af denne alsidige, logistisk forbedrede laboratorium facilitet er vist i figur 1.
Dette hurtigt deployerbare, laboratorium anlæg har en udvidbar design svarende til den tidligere beskrevne container Klinik (‘nødsituation Smart Pod’)12,13,14, udviklet af Baylor College of Medicine og sponsoreret af USAID. En enkelt pakket enhed (i transporttilstand) har dimensioner af 9 fod 9 tommer x 8 fod x 8 fod (figur 1A, B), og udvider sig til et område af 170 kvadratfod (15.75 m2) (figur 1 c, D). Enheden kan installeres af to til fire personer i mindre end ti minutter.
Det eksterne laboratorium er bygget til en BSL-2 lab facilitet (figur 2A) med en særskilt, modulære, udlæg, BSL-3 enhed (figur 2B) designet til at arbejde med smitstoffer, der kan forårsage alvorlige eller potentielt dødbringende sygdom gennem indånding 15. forbindelse af to laboratorium moduler giver mulighed for optimering af arbejdsprocesser, eksperimenter, deling af ressourcer, og omkostningsbesparelser (Figur 2 C-E).
Modulerne er lufttæt og vand-stram til at skabe en behagelig, energi effektive mobile husly. Varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC) system anvendes til centraliseret og temperatur-kontrollerede enheder. I almindelighed, minimerer design af laboratoriet enheder strømforbruget ved brug af deres egen alternative energikilder såsom solpaneler og/eller en uafhængig elektriske generator. Hver enhed indeholder en håndvask og øjenskyller station, elektrisk strøm og vand stik (Fig. 3A-C). IKT-platform leverer en valgfri, tablet-baserede (Android telefon/Tablet eller iPhone/iPad) dokumentation app til levering tracking og laboratorium resultat dokumentation (figur 3D) udviklet i partnerskab med Baylors oplysninger Technology (IT) forskningsgruppe, der er godt erfarne i arbejdet i eksterne miljøer med begrænset forbindelse. Systemet kan fungere ved hjælp af cellulære eller trådløse signaler, og tillader dokumentation uden connectivity, med øjeblikkelig sikkerhedskopi eller overførsel til en sikker-cloud baseret serveren når forbindelsen er genoprettet.
Laboratoriet har flere centrale infektionskontrol funktioner, herunder: a negative pres luft flow, (b) en handskerummet eller biosikkerhed kabinet, (c) en sundhed risikostyring system: en bakteriedræbende ultraviolet (UV-C) belysningssystem ved hjælp af 4 hierarkier af defense bevist at fjerne 99,7% af patogener, der forårsager sundhedsrelaterede infektioner. Anlægget er nemt desinficeret med brintoverilte eller natriumhypochlorit (blegemiddel) systemer til effektiv dekontaminering. 16
Sikring af kvalitet laboratorium resultater afhænger af en forpligtelse til at vurdere alle aspekter af den helhed diagnostiske teste proces. Her præsenterer vi en tjekliste for BSL-2 og BSL-3 laboratoriet arbejdsprocessen, og en protokol for hurtig respiratoriske virus diagnostiske test. Den foreslåede diagnosen af virale sygdomme er baseret på påvisning af viral RNA eller DNA i modellen (nasal vask, blod, afføring, og urin, etc.) via real-time reverse-transskription polymerase kæde reaktion (RT-PCR). Evnen til at hurtigt estimere viral belastninger i prøvemateriale gør PCR et effektivt redskab for viral sygdom screening17,18. Gennemførelsen af roman, Molekylær diagnostisk assays giver mulighed for udvidelse af diagnosticeringsmuligheder for vira såsom Ebola19,20,21, influenza8,22, og tuberkulose (TB )23.
Målet med dette arbejde er at validere en roman modulære og hurtigt deployerbare laboratorium facilitet og give en uddannelse guide for laboratoriepersonalet arbejder i sen, lav-ressource miljøer under epidemier, naturkatastrofer eller andre nødhjælp situation. Vi præsenterer her, en protokol for respiratorisk influenza diagnose i denne innovative, bærbare laboratorium.
Remote laboratorium anlægget beskrevet ovenfor er logistisk orienterede, kan udvides, hurtigt deployerbar, multifunktionelle og baseret på human-centreret designbegreber, der har været gearet til at beskytte laboratorium personale og arbejdsområdet effektivitet. Den detaljerede protokollen til hurtig laboratorium set-up og sikker respiratorisk virusisolation og diagnosticering blev udviklet og præsenteret.
For optimal udstyr fungerer, skal følgende betingelser opretholdes i laboratoriet enheder: omgivelsestemperatur på 21 ± 2 ° C, tilladt temperatur af 5-40 ° C, luftfugtighed af 14 ± 5% RH, tilladte maksimale relativ luftfugtighed på 80% RH (ingen kondensering), og en højde mellem 0 og 2.000 m over havets overflade.
Energiforbruget er en af de vigtigste parametre for forvaltning af en off-grid laboratorium. For kerne laboratorieudstyr, kan kraft nyttevirkning afvige 15-40%; imidlertid skønnes gennemsnitlige energiforbrug her til at levere en passende service. Den højeste magt sats (1.500-2.000 W) vedrører klimaanlægget, handskerum system, PCR-maskine og autoklave sterilizer. Betragtning 8 timers intensivt arbejde udfører protokol og 16 timer miljø laboratoriekontrol, er det daglige energiforbrug laboratorium enheder ca 36 kWh/dag for BSL-2, ca 43 kWh/dag for BSL-3 og 73 kWh/dag for de tilsluttede BSL-2/BSL-3 + faciliteter. For en enkelt enhed, anbefaler vi, giver en kilde til Elkraft med kapacitet på løb/vedvarende effekt ≥8 kW, surge/starter power ≥10 kW; for tilsluttet anlægget, kører/vedvarende effekt ≥12 kW, og bølge/starter power ≥14 kW. Bemærk, i BSL-3 laboratoriet facilitet, en backup energikilde er stærkt anbefales at undgå utilsigtet strømsvigt og garantere støt arbejdet i handskerummet og undertryk system under en diagnostisk test.
En benzin drevet elektrisk generator er en omkostningseffektiv løsning til nødsituationer energiforsyning. Antage, at brændstoføkonomi af en benzin generator er ca 1,5 gallon per time ved 100% belastning. Derefter, hvis den gennemsnitlige daglige energiforbrug er 8 timer 40% belastning og 16 timer af 10% belastning, laboratorium enhed BSL-2 eller BSL-3 kræver 7-9 gallon brændstof pr. dag, tilsvarende, og tilsluttet anlægget brug ~ 15 gal/dag.
Remote laboratorium enheder er designet til at passe kapaciteter af off-grid solar panelsystemer. Solceller kræver ikke ekstra brændstof og kan betjenes med høj produktivitet i de tropiske og subtropiske områder i Afrika, Asien og Latinamerika på grund af høj sol bestråling. I øjeblikket, én enhed af et kommercielt tilgængelige solar panel system giver mulighed for en daglig strømforbrug på op til 44 kWh/dag.
Uanset den valgte type af alternative elektrisk energikilde, er beskidt elektricitet filtre stærkt anbefales og preinstalled i laboratoriefaciliteter til at forbedre kvaliteten og beskytte laboratorieudstyr. Holde PCR-system fra kilder af stærke og uafskærmede elektromagnetisk stråling, fordi stærke elektromagnetiske stråling kan interferere med den korrekte drift af enheden. Det er også vigtigt gør ikke brug PCR-systemet i nærheden af kraftige vibrationer kilder, såsom en centrifuge eller pumpe fordi overdreven vibrationer påvirker instrument ydeevne. Laboratorieudstyr kan kun installeres i et miljø, der er ledende forurenende stoffer, såsom støvpartikler eller træflis. Sikre, at rummet fra enhver ventilationskanaler, der kunne udvise partikler materiale ud på apparatets dele.
Vandforbruget laboratorium afhænger af antallet af diagnostiske test kører dagligt og antallet af laboranter, der arbejder i anlægget. Nukleasen gratis vand er nødvendige for forberedelsen af blandere under diagnostiske procedure herunder udvinding og PCR-testen og skal afleveres på forhånd som andre forsyninger og kemikalier. Mindst 50 mL nukleasen gratis vand er nødvendige for at køre en diagnostisk test; den krævede mængde nukleasen gratis vand afhænger arbejdsbyrde (dvs. på antallet af prøver). Destilleret vand er nødvendige for at køre autoklave sterilizer. Autoklave vandforbrug i en cyklus er 160-180 mL; autoklave anbefales til daglig brug. De fleste af plast (rør, pipette tips, etc.) er disponible, men nogle er genbrugelige og skal vaskes (store containere, stativer, osv.). Regelmæssig rindende vand bruges til at vaske hænder mellem procedurer og minimal volumen skønnes for at være 15-20 L dagligt. Vandet skal være pumpet for pres; sediment pre filter system anbefales at beskytte vand-apparater fra den skadelige virkning af sediment og forbedre kvaliteten af rindende vand.
For kølerum, mindst én 5.1 kubikfod køleskab (+ 4 ° C) og én 4,9 kubikfod (-20 ° C til 30 ° C) fryser er nødvendige i hver enkelt laboratorium enhed til at gemme prøver / RNA.
Laboratoriet dekontaminering omfatter flere niveauer: rengøring > antisepsis > desinfektion > sterilisation. Enkel rengøring kan udføres ved hjælp af sæbe og vand mens skrubbe med en behandskede hånd eller pensel. Antisepsis omfatter vask med flydende antimikrobielle kemiske for at hæmme vækst og formering af bakterier. Alkohol løsninger (70%) kan bruges som en antiseptisk flydende. Desinfektion er anvendelsen af en flydende kemiske at eliminere næsten alle patogene mikroorganismer (undtagen bakteriesporer) på arbejde overflader og udstyr. Kemisk eksponeringstid, temperatur og koncentration af desinfektionsmiddel er vigtige. Natriumhypochlorit løsning (0,5%) eller blegemiddel, er et effektivt desinfektionsmiddel på en stor skala for overflade rensning og vand rensning. Ultraviolet bakteriedræbende bestråling er en anden metode til desinfektion. En bakteriedræbende lampe giver UV-C lys og fører til inaktivering af bakterier og vira. Sterilisation beskæftiger en fysiske eller kemiske procedure at ødelægge alle mikrobielle liv–herunder meget resistente bakteriesporer. Sterilisation kan udføres med en autoklave sterilizer.
Alle laboratorium affald skal holdes adskilt ved generation. Sted fast, ikke-sharp, smitsomme affald i tætte affaldsposer markeret som biohazard. Hvis genereret affald er skarp, skal det placeres i beholdere, punktere-resistente. Indsamle potentielt infektiøse flydende affald i korrekt mærket biohazard beholdere til væsker. Containere og tasker skal ikke fyldes mere end 2/3 volumen. Bortskaffelse af alle blegemiddel produkter skal være sorteret i deres egen udpegede affald bin. Laboratoriet affald skal håndteres forsigtigt for at undgå at generere aerosoler og brud på tasker/beholdere. Samling tasker/placeringer med smittefarligt affald skal være forseglet og ydre overflader dekontamineres efter brug med 0,5% natriumhypochlorit løsning. Sterilisere alle laboratorium affald i autoklavering ved 121 ° C i 30 minutter før forbrænding. Se i brugervejledningen til fungerende for korrekt anvendelse af en autoklave. Hvis det er muligt, tilføje en kemisk eller biologisk indikator til autoklave at sikre ordentlig sterilisation. Alle autoklaveres faste og flydende affald skal være tydeligt mærket som steriliseret med indstilling, dato, tid og operatør. Den hedder affald anbringes derefter i en sikker, separat område inden forbrænding.
Som forventet, afhænger arbejdsgang for diagnostiske test af sygdom og modellen. Hvis det anbefales for virus identifikation at indsamle blodprøver (fx Ebola19), kan prøven delprøver opbevares ved-20 ° C i stedet for-80 ° C (nødvendigt for respiratoriske virus). Det er altid bedre at tage mere end ét eksemplar ved udtagning fra en patient end at underopdele prøver senere. Hvis det er muligt, for hver type af modellen skal mindst to prøver tages i separate modellen rør. Enhederne skal være opdelt, hvis yderligere prøvetagning ikke er muligt.
Hvis alternative enheder ikke kan opbevares ved passende temperaturer (f.eks. ingen frysere er tilgængelige), svaberprøver skal opbevares i ren (100%) ethanol eller 99% denatureret sprit (methanol tilsætningsstoffer kun). I dette tilfælde skal vatpind tip sættes i et hætteglas med 1-2 mL ethanol. Bemærk, at disse enheder er egnet kun til PCR. Også, Bemærk at et veletableret assay er nødvendige for hver særlig virus diagnose8,23, og ukendt virus prøver skal sendes til tildelte laboratorier for yderligere undersøgelser19,20, 21.
Obligatorisk og anbefalede krav til listen af laboratorieudstyr til luftvejsinfektioner virus diagnostiske PCR-test skal anerkendes. Tabel 3 understreger grundlæggende og minimalt avancerede (anbefalede) udstyr og krav til RT-PCR diagnostiske test. For BSL-3 praksis er ekstra undertryk beskyttelse (fx handskerummet) af personale afgørende og nødvendige.
De tilsluttede laboratorium moduler er at foretrække at øge antallet af personale, der deltager i laboratorieundersøgelser og fremskynde den nødvendige tid til en enkelt test. Erstatter den tidskrævende manuelle RNA udvinding er mulig med automatiseret qPCR (f.eks. QiaCube). Mens dette instrument er besværlig (bredde 65 cm, længde: 62 cm, højde 86 cm), det kan passe arbejdsområdet mobilt laboratorium efter omlejring af møbler i BSL-2 eller BSL-3 enheder.
Fremtidige arbejde vil være fokuseret på udviklingen af augmented reality (AR) og virtual reality (VR) kurser. AR/VR briller vil blive brugt til at skabe en interaktiv platform for at undervise nødvendige færdigheder for at blive en veluddannet laboratorium arbejder. Nyttige tips til at udføre nogle af de vanskelige og omstændelig procedurer i diagnostiske laboratorieundersøgelser vil indgå i software guiden. Denne tilgang til personaleuddannelse bør forbedre kvalitet diagnosticeringstesten ydeevne og forvaltning i remote laboratoriefaciliteter, især remote og resource begrænset områder.
The authors have nothing to disclose.
Indholdet af denne artikel afspejler ikke nødvendigvis synspunkter eller politikker af den os Department of Health and Human Services eller institutioner tilknyttet forfatterne. Denne forskning blev støttet af Paul G. Allen Family Foundation “Enhanced nul-effekt, Emergency Smart Pod”. Vi værdsætter dybt alle de frugtbare drøftelser og samarbejde med kolleger fra Baylor College of Medicine, GSS sundhed, NASA’S Johnson Space Center. Vi er inderligt taknemmelig for Thermo Fisher neanderthalere og dens repræsentanter for et lån af RT-PCR-maskine, centrifuge og automatiske pipetter til at foretage en respiratoriske virus diagnostiske test i remote laboratorium facilitet. Forfatterne er taknemmelige at Marta Storl-Desmond og Sidney Stephen Sorrell for deres bistand i håndskriftet forberedelse og 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 |