快速提升新型冠狀病毒檢測實驗室生物安全防護水平的方法探討

張宗興，衣 穎，吳金輝，郝麗梅，張恩雷，張金明，祁建城

（軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，國家生物防護裝備工程技術(shù)研究中心，天津300161）

0 引言

新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）的傳播途徑主要以經(jīng)呼吸道飛沫和接觸傳播為主，氣溶膠和消化道等傳播途徑尚待明確[1]。根據(jù)目前掌握的SARS-CoV-2的生物學(xué)特點、流行病學(xué)特征、臨床資料等信息，國家衛(wèi)生健康委發(fā)布的《新型冠狀病毒感染的肺炎防控方案（第三版）》要求該病原體暫按照病原微生物危害程度分類中第二類病原微生物進行管理，未經(jīng)培養(yǎng)的SARS-CoV-2 感染性材料在采用可靠的方法滅活前進行的相關(guān)檢測操作等應(yīng)在生物安全二級（bio-safety level 2，BSL-2）實驗室中進行[2]。醫(yī)療機構(gòu)病毒檢測實驗室生物安全防護水平普遍偏低，已成為醫(yī)院開展疫情防控的短板。

鑒于SARS-CoV-2 比嚴(yán)重急性呼吸綜合征（sever acute respiratory syndrome，SARS）冠狀病毒和中東呼吸綜合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）冠狀病毒更具傳染性[3]，有必要采取相應(yīng)措施有效提升檢驗實驗室的生物安全防護水平，以降低人員感染風(fēng)險和病原微生物泄漏風(fēng)險。本文主要分析現(xiàn)有樣本檢測實驗室開展SARS-CoV-2 樣本檢測存在的安全風(fēng)險，提出可快速提升檢測實驗室生物安全防護水平的方案建議。

1 檢測實驗室存在的安全風(fēng)險

目前，SARS-CoV-2 感染的常規(guī)檢測方法主要是實時熒光逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)（reverse transcription-polymerase chain reaction，RT-PCR），醫(yī)療機構(gòu)檢驗科室通常是根據(jù)《臨床基因擴增檢驗實驗室基本設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)》[4]要求建設(shè)PCR 檢驗實驗室。全自動定量PCR 檢驗實驗室通常設(shè)置3 個工作區(qū)：試劑貯存和準(zhǔn)備區(qū)、標(biāo)本制備區(qū)與核酸擴增檢測區(qū)。因為檢測過程中感染性材料在滅活前進行的所有相關(guān)檢測操作都在標(biāo)本制備區(qū)完成，所以標(biāo)本制備區(qū)是唯一存在病原微生物暴露風(fēng)險的區(qū)域。而標(biāo)本制備區(qū)通常為普通BSL-2 實驗室。以普通BSL-2 實驗室作為標(biāo)本制備區(qū)的PCR 檢驗實驗室在開展SARS-CoV-2樣本檢驗過程中存在的問題主要有以下3 個方面：

（1）為了避免交叉污染，PCR 檢驗實驗室空氣定向流動嚴(yán)格遵循單一方向原則，即試劑貯存和準(zhǔn)備區(qū)→標(biāo)本制備區(qū)→核酸擴增檢測區(qū)，也就是說核酸擴增檢測區(qū)的負(fù)壓要低于標(biāo)本制備區(qū)。鑒于SARSCoV-2 具有氣溶膠傳播的可能性，一旦氣溶膠從生物安全柜內(nèi)泄漏到BSL-2 實驗室空間內(nèi)，則在相鄰房間壓差作用下，氣溶膠將有可能通過實驗室圍護結(jié)構(gòu)縫隙泄漏至核酸擴增檢測區(qū)。

（2）普通BSL-2 實驗室并不要求采用全新風(fēng)直流空調(diào)系統(tǒng)，因此部分實驗室則在房間頂部設(shè)置自循環(huán)空調(diào)機或者壁掛式分體空調(diào)機。這種方式存在以下問題：①不符合定向氣流的設(shè)置原則；②部分實驗室的空調(diào)機出風(fēng)口正對生物安全柜操作面，會干擾到生物安全柜工作窗口的氣流流向，增加了病原微生物從生物安全柜內(nèi)泄漏的風(fēng)險。

（3）BSL-2 實驗室要求若生物安全柜的排風(fēng)在室內(nèi)循環(huán)，則室內(nèi)應(yīng)具備通風(fēng)換氣的條件，可采用自然通風(fēng)，也可采用機械通風(fēng)。多數(shù)實驗室采用自然通風(fēng)，無法形成負(fù)壓，且難以保證實驗室定向氣流；此外，部分實驗室雖然采用了機械通風(fēng)，且實驗室處于負(fù)壓狀態(tài)，但是排風(fēng)系統(tǒng)并未設(shè)置高效過濾器，當(dāng)實驗室內(nèi)發(fā)生病原微生物泄漏后，病原微生物將直接排至室外，污染外環(huán)境。

2 提升檢測實驗室防護水平的主要措施

生物安全實驗室主要通過各級防護屏障的設(shè)置保護內(nèi)部操作人員和實驗室外部環(huán)境，提升檢測實驗室生物安全防護水平的方法主要有2 個方面：（1）提升初級防護屏障防護水平，如個人防護裝備、隔離操作設(shè)備等；（2）提升二級防護屏障防護水平，主要是改造實驗室設(shè)施。

2.1 提升初級防護屏障防護水平

個人防護裝備主要包括口罩、護目鏡、防護面屏、手套、防護服、靴套、正壓頭罩、正壓防護服等，其中正壓防護服主要用于生物安全四級（bio-safety level 4，BSL-4）實驗室。為保護檢測人員安全，《新型冠狀病毒感染的肺炎防控方案（第三版）》中要求在BSL-2 實驗室開展樣本檢測操作時需采用BSL-3 實驗室的個人防護措施，即佩戴N95 口罩或者動力送風(fēng)過濾式呼吸器、護目鏡或防護面屏、手套、醫(yī)用一次性防護服，從而提升個人防護水平。為提高人員防護水平和舒適性，優(yōu)先使用正壓頭罩等動力送風(fēng)過濾式呼吸器。正壓頭罩可為人員頭部、面部、呼吸道等提供全方位的防護，且經(jīng)可靠消毒后可重復(fù)使用，是一種高等級的個體防護裝備[5]。

BSL-2 實驗室主要以Ⅱ級生物安全柜作為主要的隔離操作設(shè)備，依靠工作窗口向內(nèi)的定向氣流和排風(fēng)高效過濾器，Ⅱ級生物安全柜可以有效地保護工作人員和周圍環(huán)境。由于Ⅱ級生物安全柜的氣流防護屏障易受到破壞從而導(dǎo)致防護失效，需嚴(yán)格遵守其使用要求。另外，Ⅱ級生物安全柜的正常使用離不開合適的工作環(huán)境（主要是無外界氣流干擾），同時操作人員需要經(jīng)過培訓(xùn)，熟悉其性能要求和防護原理，并嚴(yán)格按規(guī)范進行操作。但是Ⅱ級生物安全柜有開放的操作窗口，僅可提供有限保護，而Ⅲ級生物安全柜或手套箱式生物隔離器則是一種完全封閉的通風(fēng)隔離設(shè)備，通過與之相連的橡膠手套來進行內(nèi)部的操作，可以提供更高水平的安全防護。

2.2 提升二級防護屏障防護水平

實驗室二級防護屏障是防止病毒泄漏到外環(huán)境的第二道防線。鑒于SARS-CoV-2 傳播途徑還未被完全掌握，為降低安全風(fēng)險，未滅活病原的檢測實驗宜在加強型BSL-2 實驗室中進行。相比普通BSL-2實驗室，加強型BSL-2 實驗室在功能區(qū)布局上需增設(shè)緩沖間，通風(fēng)方式需要采用機械通風(fēng)，核心工作間內(nèi)送風(fēng)口和排風(fēng)口的布置符合定向氣流的原則，可形成負(fù)壓及壓力梯度，排風(fēng)經(jīng)過高效過濾處理[6]，其核心工作間的安全防護水平幾乎相當(dāng)于BSL-3 實驗室，可有效保護周圍環(huán)境。

檢測實驗室的主要工作是開展感染性樣本的檢測，而主要高風(fēng)險工作集中于在生物安全柜內(nèi)開展的樣本滅活前的相關(guān)操作，因此造成實驗室內(nèi)發(fā)生人員感染或病原微生物泄漏的潛在風(fēng)險主要是病原微生物氣溶膠從生物安全柜內(nèi)泄漏。佩戴高等級個人防護裝備可以有效保護操作人員，但并不能防止病原微生物擴散至外環(huán)境。在疫情防控壓力居高不下的情況下，也不具備對實驗室硬件設(shè)施進行快速改造以提升防護水平的條件。

世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）實驗室生物安全手冊指出，在常規(guī)的生物安全柜不能或不適合安裝或維護的現(xiàn)場，可以采用柔性隔離裝置來進行高危病原微生物的操作[7]。手套箱式生物隔離器防護原理依靠的是嚴(yán)格物理密封結(jié)構(gòu)而非定向氣流，其防護性能不易受外環(huán)境影響，可為操作人員和周圍環(huán)境提供高水平的防護，因此，可適當(dāng)降低操作人員個人防護等級，以改善操作人員工作的舒適度，減輕人員心理負(fù)擔(dān)，減少誤操作，提高安全水平；另外，感染物質(zhì)完全受控，使污染區(qū)域最小化，適用于二級防護屏障水平較低的實驗室。與Ⅲ級生物安全柜相比，柔性隔離裝置具有成本低、工藝簡單、生產(chǎn)周期短、安裝方便的特點，適用于規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，使用柔性手套箱式生物隔離器替代Ⅱ級生物安全柜來提升初級防護屏障的防護水平將是最直接、最有效、最快捷的改造措施。

3 柔性手套箱式生物隔離器分類

根據(jù)防護原理分類，柔性手套箱式生物隔離器可分為常壓型隔離器和負(fù)壓型隔離器。常壓柔性手套箱式生物隔離器不具備通風(fēng)過濾及負(fù)壓控制功能，采用物理阻隔原理，依靠完全密封的隔離器艙體、物品的氣密傳遞等實現(xiàn)病原微生物與操作者和外環(huán)境隔離，但僅適用于操作經(jīng)接觸傳播的病原微生物，而不能操作經(jīng)空氣傳播的病原微生物。2014 年西非埃博拉疫情暴發(fā)期間，美國在塞拉利昂采用了常壓柔性手套箱式隔離器（如圖1 所示）開展埃博拉病毒樣本檢測工作，而且隔離器放置在采用自然通風(fēng)的普通帳篷內(nèi)使用，說明其應(yīng)用可有效降低對實驗設(shè)施高防護水平的依賴。

負(fù)壓柔性手套箱式隔離器則是在常壓柔性手套箱式隔離器的基礎(chǔ)上，增加通風(fēng)過濾系統(tǒng)和壓差控制系統(tǒng)，即綜合采用物理阻隔和空氣動力學(xué)2 種隔離技術(shù)，將操作者與作業(yè)對象完全隔離，有效防止隔離器內(nèi)病原微生物擴散至外環(huán)境，以保證工作人員的人身安全，并有效避免對實驗場所自身以及周邊的環(huán)境造成污染。英國研制了負(fù)壓柔性手套箱式隔離器（如圖2 所示）[8]，該隔離器配置有簡單的通風(fēng)過濾裝置，可實現(xiàn)艙內(nèi)負(fù)壓，但其通風(fēng)量不足，內(nèi)部換氣效率低，難以有效控制隔離器內(nèi)負(fù)壓，且不利于隔離器內(nèi)空氣中氣溶膠濃度的稀釋。

筆者單位研制了一款便攜式負(fù)壓柔性手套箱式生物隔離器[9]，由透明柔性隔離艙、輕質(zhì)快接鋁合金框架、送排風(fēng)過濾系統(tǒng)、操作手套及氣密傳遞窗組成（如圖3 所示），可提供密封可靠的負(fù)壓操作環(huán)境。如圖4 所示，隔離器安裝有1 道送風(fēng)高效過濾器，而排風(fēng)則采用2 道高效過濾器過濾，送、排風(fēng)高效過濾器均可進行原位檢漏確保過濾器的安全可靠，因此不必再將隔離器內(nèi)空氣排到建筑物外面，可直接安全排放到室內(nèi)；同時，排風(fēng)系統(tǒng)實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)隔離器內(nèi)壓差，維持穩(wěn)定的負(fù)壓，并在隔離器艙體發(fā)生薄膜破損、手套破損或脫落的意外情況下迅速增大排風(fēng)，

以保證破損口向內(nèi)的定向流，防止病原微生物外泄；手套口采用雙凹槽設(shè)計，可實現(xiàn)破損手套操作中更換，而不破壞隔離器的密封結(jié)構(gòu)；氣密傳遞窗內(nèi)安裝有紫外燈，在物品傳遞時可對傳遞窗內(nèi)空氣和物品表面進行消毒；隔離器排風(fēng)過濾裝置配置有充電電

池，充滿電情況下，可保證隔離器在無外接供電情況下持續(xù)運行時間不低于4 h。經(jīng)第三方專業(yè)機構(gòu)測試，

隔離器艙體在500 Pa 下，其空氣小時泄漏率＜0.25%，高效過濾器過濾效率均≥99.99%@0.3 μm，負(fù)壓值＞30 Pa，摘掉一只手套后，手套口風(fēng)速＞1 m/s，換氣次數(shù)＞30 次/h，滿足RB/T 199—2015《實驗室設(shè)備生物安全性能評價技術(shù)規(guī)范》[10]的要求，主要技術(shù)指標(biāo)達到硬質(zhì)三級隔離器的技術(shù)要求。

圖2 英國研制的負(fù)壓手套箱式隔離器[8]

圖3 負(fù)壓柔性手套箱式隔離器[9]

4 負(fù)壓柔性手套箱式隔離器在新型冠狀病毒樣本檢測中的應(yīng)用方案

手套箱式隔離器是一種防護性能遠高于Ⅱ級生物安全柜的隔離操作設(shè)備，但其應(yīng)用也存在一個問題：由于大多數(shù)檢測人員并未使用過手套箱式隔離器，初次使用手套進行隔離操作不夠精準(zhǔn)快捷，其工作效率明顯低于Ⅱ級生物安全柜。為了不降低工作效率，同時提高操作的安全性，可以將手套箱式隔離器與Ⅱ級生物安全柜搭配使用。

圖4 負(fù)壓柔性手套箱式隔離器結(jié)構(gòu)示意圖

感染性材料在滅活前進行的所有相關(guān)檢測操作是風(fēng)險最高的。為此，將樣本滅活前的操作全部在手套箱式隔離器內(nèi)完成，具體包括采樣管開蓋、樣本提取、加入裂解液。由于是在手套箱式隔離器內(nèi)操作，樣本可不通過56 ℃加熱30 min 進行滅活，直接加裂解液進行滅活即可。上述操作完成后，對隔離器內(nèi)空間噴灑消毒劑進行消毒，并將處理后的待檢樣本進行表面消毒裝入密封袋，密封袋表面噴灑消毒劑后放入隔離器傳遞窗，使用紫外燈進行照射消毒。隨后，將處理后的待檢樣本取出放入生物安全柜，開展樣本核酸提取的后續(xù)操作。

為保證操作安全，需定期使用氣體消毒設(shè)備對手套箱式隔離器進行氣體熏蒸消毒，以便對殘留的病原微生物進行徹底滅活。由于手套箱式隔離器為密封結(jié)構(gòu)，可采用氣體循環(huán)消毒方式對艙體、送風(fēng)高效過濾器、第一級排風(fēng)高效過濾器以及第二級排風(fēng)高效過濾裝置進行獨立消毒，二級排風(fēng)高效過濾裝置的排風(fēng)口與送風(fēng)高效過濾器的進氣口則作為氣體消毒接口。具體消毒流程：首先，通過消毒管路將二級排風(fēng)高效過濾裝置的出氣口與送風(fēng)高效過濾器的進氣口分別連接至消毒設(shè)備的進氣口與排氣口，使手套箱式隔離器與消毒設(shè)備構(gòu)成氣（汽）體消毒環(huán)路，如圖5 所示；其次，開啟氣體消毒設(shè)備以對隔離器進行氣體熏蒸消毒；最后，消毒結(jié)束后開啟隔離器通風(fēng)對殘余消毒氣體進行排放。

圖5 手套箱式隔離器氣體消毒原理圖

5 結(jié)語

醫(yī)療機構(gòu)開展SARS-CoV-2 檢測的實驗室普遍存在生物安全防護水平不高的問題，且由于樣本檢測工作量居高不下，特別是疫情重災(zāi)區(qū)，因工作負(fù)荷大、心理負(fù)擔(dān)重等原因，檢測人員始終處于較高的感染風(fēng)險中。負(fù)壓柔性手套箱式隔離器作為一種高防護等級的隔離操作設(shè)備，具有質(zhì)量輕，可快速安裝或折疊收納、儲運的特點，適用于疫情防控現(xiàn)場快速展開；同時，其應(yīng)用也無需改變現(xiàn)有實驗室硬件設(shè)施，且可與方艙、帳篷等臨時搭建場所結(jié)合快速構(gòu)建成病毒檢測實驗室，是一種可操作性強、實施難度低、可快速提升實驗室的整體生物安全防護水平的有效措施。