動(dòng)物高級(jí)別生物安全實(shí)驗(yàn)室大型影像設(shè)備應(yīng)用探討

王 瑤，韓建保，林靜雯，鐘 瑜

（四川大學(xué)華西醫(yī)院生物安全實(shí)驗(yàn)室，成都 610041）

0 引言

近年來，嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒、中東呼吸綜合征冠狀病毒、寨卡病毒以及新型冠狀病毒等高致病性病原微生物引起的國際化疫情對(duì)公共衛(wèi)生和經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅，促使各國將生物安全作為社會(huì)穩(wěn)定和國家安全的重要前提[1]。為了防范和應(yīng)對(duì)生物安全風(fēng)險(xiǎn)、保障人民生命健康，我國頒布了《中華人民共和國生物安全法》，將高致病性病原微生物和新發(fā)、突發(fā)傳染病的研究及應(yīng)對(duì)提到戰(zhàn)略高度，將生物安全作為國家整體安全的重要組成部分。為落實(shí)《中華人民共和國生物安全法》的有關(guān)規(guī)定，加強(qiáng)與人體健康有關(guān)的病原微生物實(shí)驗(yàn)室生物安全管理，規(guī)范病原微生物實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，我國將病原微生物分為4 類，第一、二類統(tǒng)稱為高致病性病原微生物，涉及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的高致病性病原微生物的研究需要在動(dòng)物高級(jí)別生物安全（animal biosafety level 3/4，ABSL-3/4）實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行[2-3]。影像設(shè)備廣泛用于生物醫(yī)藥、臨床檢測(cè)等領(lǐng)域的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，但由于價(jià)格昂貴、工作條件苛刻、氣溶膠控制方案缺失、消毒滅菌方法不健全等因素，大型影像設(shè)備在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用阻礙較大，國內(nèi)外關(guān)于ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用大型影像設(shè)備研究高致病性病原微生物的報(bào)道相對(duì)較少[4-5]。

本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、調(diào)研及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CT、PET/CT、MRI 及動(dòng)物活體成像儀應(yīng)用于ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室的阻礙、方案、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制、消毒滅菌方案等進(jìn)行探析，以期為ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室配置大型影像設(shè)備提供參考，推動(dòng)高致病性病原微生物研究及生物安全領(lǐng)域的發(fā)展。

1 影像設(shè)備在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用的阻礙

CT、PET/CT、MRI 及動(dòng)物活體成像儀等大型影像設(shè)備已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域，加速病原微生物的研究進(jìn)程，助推生物醫(yī)藥與大健康產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[6]。然而，以上設(shè)備在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用仍存在較大阻礙，主要表現(xiàn)為：（1）需同時(shí)滿足ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、建筑規(guī)范及設(shè)備工作環(huán)境的要求。（2）大型影像設(shè)備對(duì)空間需求較大，ABSL-3/4實(shí)驗(yàn)室核心區(qū)相對(duì)狹小，無法滿足設(shè)備空間布局、人員安全操作等需求。（3）設(shè)備運(yùn)維專業(yè)性強(qiáng)，廠家維保人員缺乏在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室開展維保工作的經(jīng)驗(yàn)及生物安全意識(shí)。（4）實(shí)驗(yàn)操作難度大，正壓防護(hù)服、正壓頭套、防護(hù)面屏及多層手套等個(gè)人防護(hù)裝備嚴(yán)重影響操作人員操作的靈活性和精準(zhǔn)度，增加操作人員被實(shí)驗(yàn)動(dòng)物抓、咬傷及被利器刺傷、割傷的風(fēng)險(xiǎn)。（5）缺少有效控制氣溶膠污染設(shè)備的措施或硬件設(shè)施。（6）缺少安全有效的消毒滅菌方法，消毒劑易腐蝕、損壞設(shè)備的精密器件，降低設(shè)備精密度及減少其使用壽命。（7）ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及影像設(shè)備操作人員數(shù)量相對(duì)較少，缺乏復(fù)合型人才。

2 不同影像設(shè)備應(yīng)用探討

2.1 CT 及PET/CT

CT 廣泛應(yīng)用于臨床前研究及臨床檢測(cè)，可對(duì)不同組織器官及全身進(jìn)行橫斷面測(cè)量與三維重建，提供高分辨力的骨骼和肺部結(jié)構(gòu)圖像，加入造影劑還可進(jìn)行軟組織成像。PET 是一種核醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，PET與CT 或MRI 結(jié)合時(shí)，利用放射性示蹤劑可更精確地定位到器官內(nèi)特定區(qū)域[5]。PET/CT 廣泛用于神經(jīng)學(xué)、腫瘤學(xué)及心臟病學(xué)等研究領(lǐng)域[7-8]。CT 與PET/CT廣泛用于生物醫(yī)藥研究中的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物成像，如小鼠、兔、狨猴、獼猴及雪貂等[9-13]。

Scanga 等[4]表明H2O2可對(duì)PET/CT 的部分精密元器件造成損傷，ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室配置CT 或PET/CT 需考慮消毒滅菌時(shí)對(duì)精密元器件的損傷和運(yùn)維的便捷。Byrum 等[14]在ABSL-4 實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)成像專用房間，通過密封通道將設(shè)備分為2 個(gè)部分，分別安裝于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同的2 個(gè)房間：一個(gè)房間設(shè)置為污染間，放置機(jī)床部分，用于動(dòng)物準(zhǔn)備及檢測(cè)；另一個(gè)房間設(shè)置為潔凈間，放置核心部件，工作人員在潔凈間操作儀器（如圖1 所示）。房間之間用密封材料隔離，將特制密封導(dǎo)管放入成像通道中，連接2 個(gè)部分并隔離成像部件，以保證成像質(zhì)量及生物安全，避免核心部件被污染，降低消毒頻次，減少儀器損傷。Rausch 等[15]及Kahlaoui 等[16]參考該方案將PET/CT 應(yīng)用于ABSL-3 實(shí)驗(yàn)室，采用8 mm 透明聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methyl methacrylate，PMMA）制作密封導(dǎo)管，實(shí)驗(yàn)表明8 mm PMMA 不會(huì)顯著改變PET/CT 成像質(zhì)量。另外，Davis 等[17]開發(fā)了一種不易碎的密封透明離心瓶作為ABSL-3 實(shí)驗(yàn)室的成像隔離裝置（適用于研究結(jié)核分枝桿菌），該瓶帶有墊圈螺旋蓋和氣體通道口，在進(jìn)/出氣口使用2 個(gè)0.22 mm 的過濾器（如圖2 所示），動(dòng)物被麻醉后密封在該裝置內(nèi)，經(jīng)表面消毒后進(jìn)行CT 或PET/CT 成像。

圖1 CT、PET/CT 及MRI 在ABSL-3/4實(shí)驗(yàn)室中的放置方案

圖2 密封透明離心瓶的設(shè)計(jì)方案

Byrum 等[14]將設(shè)備分隔于污染程度不同的房間，并通過密封管道避免設(shè)備主體與感染性動(dòng)物或氣溶膠接觸，避免設(shè)備被污染，減少消毒滅菌。參考該方案時(shí)需注意房間之間及管道的密封性，建設(shè)時(shí)預(yù)留足夠空間及穿墻孔徑，局部密封建議采用防水膨脹填充劑，管線穿墻采用穿墻密閉器，密封后驗(yàn)證密封效果。除密封性外，管道材質(zhì)應(yīng)不顯著影響成像質(zhì)量，不易碎、不易劃花且耐消毒滅菌。Scanga 等[4]指出PET/CT極重且產(chǎn)生有害輻射，ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室安裝PET/CT 時(shí)需根據(jù)其承重要求對(duì)樓板加固，并將實(shí)驗(yàn)室設(shè)置為防輻射鉛房，另外實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還需配備防輻射生物安全柜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前處理。此外，實(shí)驗(yàn)涉及放射性同位素，具有放射性與感染性的廢物應(yīng)暫存于密閉性防輻射垃圾桶中，依據(jù)放射性同位素半衰期，監(jiān)測(cè)達(dá)到豁免級(jí)別后進(jìn)行高溫滅菌處理。在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置CT或PET/CT 時(shí)，可參考以上注意事項(xiàng)及建議，綜合評(píng)估應(yīng)用方案、氣溶膠控制措施及消毒滅菌方案。

2.2 MRI

MRI 不依賴有害電離輻射，可無創(chuàng)掃描，對(duì)動(dòng)物進(jìn)行活體狀況下的解剖及成像，獲得高對(duì)比度、高分辨力、多參數(shù)的影像信息[5，18-19]。MRI 廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物成像，可深入探索實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)精細(xì)復(fù)雜的生理及代謝變化，加快突破病原微生物研究和疫苗藥物研發(fā)中的障礙，使生物醫(yī)藥研究達(dá)到全新深度和廣度。

Byrum 等[14]仍采用將MRI 分2 個(gè)部分后物理隔離的方法將其應(yīng)用于ABSL-4 實(shí)驗(yàn)室。Keith 等[20]研究表明，安裝于MRI 主孔道的射頻接收線圈及其他專用體外線圈不耐受強(qiáng)腐蝕性消毒劑，宜開發(fā)耐消毒、更換成本低的線圈或內(nèi)部線圈。據(jù)本實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)調(diào)研，MRI 的使用須同時(shí)滿足ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室及其應(yīng)用環(huán)境、電氣、干擾等指標(biāo)要求。MRI 所需空間大，需配置主控室、掃描間及設(shè)備間，建議房間層高4.2 m，遠(yuǎn)離震動(dòng)源，與電梯距離大于10 m。MRI 重達(dá)8～10 t，安裝時(shí)需對(duì)房間樓板進(jìn)行承重加固處理。MRI 掃描間為強(qiáng)磁區(qū)域，需設(shè)置屏蔽裝置，房間內(nèi)不可放置鐵磁性用品、實(shí)驗(yàn)器械、儀器設(shè)備及超出安全界限的磁性數(shù)據(jù)載體。此外，MRI 運(yùn)行需液氦，氦氣無味無毒、蒸發(fā)時(shí)形成冷霧，小于空氣密度，根據(jù)ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室要求，氣體須經(jīng)高效過濾單元過濾后排出，MRI 運(yùn)行產(chǎn)生的少量氦氣可通過房間排風(fēng)系統(tǒng)（換氣次數(shù)大于15 次/h）排出，不會(huì)造成危害。但當(dāng)磁體緊急失超、自行失超或失超管破裂時(shí)，大量氦氣泄漏到房間內(nèi)，可能出現(xiàn)排風(fēng)系統(tǒng)無法處理的情況，造成氧氣體積分?jǐn)?shù)降低從而存在人員窒息的風(fēng)險(xiǎn)，救援及后續(xù)處理困難。建議安裝前設(shè)置足夠的排風(fēng)系統(tǒng)冗余，配置氧氣體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置（數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到中央控制室并設(shè)聲光報(bào)警）及便攜緊急呼吸裝置，并進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，制訂預(yù)防及應(yīng)急措施，嚴(yán)格按照ABSL-3/4實(shí)驗(yàn)室及失超管安裝要求設(shè)置管徑、長度、最大壓降、排放口傾斜度、保護(hù)措施及周圍阻隔物等。

為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，MRI 應(yīng)便于持續(xù)麻醉操作，配有麻醉系統(tǒng)預(yù)留孔及相應(yīng)配件，具備高效、高質(zhì)量的掃描程序，縮短成像時(shí)間。廠家及使用方應(yīng)開發(fā)大小鼠、實(shí)驗(yàn)兔、雪貂、非人靈長類及豬羊等常用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的專用線圈。目前，在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用MRI 困難仍然較多，開發(fā)滿足動(dòng)物需求、保證成像質(zhì)量同時(shí)加快掃描速度、耐消毒且實(shí)現(xiàn)自屏蔽、無液氦的新型MRI 將降低其在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用困難。

2.3 動(dòng)物活體成像儀

作為非侵入性的活體成像方式，生物發(fā)光成像在中小實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型中應(yīng)用廣泛[21-22]。生物熒光或熒光探針可直接與病原微生物結(jié)合，追蹤宿主體內(nèi)病原微生物感染過程，跟蹤免疫細(xì)胞遷移，評(píng)估宿主對(duì)感染的反應(yīng)[23-27]。作為一體式影像設(shè)備，動(dòng)物活體成像儀能減少研究所需實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量，有效跟蹤實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)感染免疫進(jìn)展、細(xì)胞運(yùn)輸和基因表達(dá)過程，并廣泛用于新型冠狀病毒、流感病毒及埃博拉病毒等研究中[28-32]。動(dòng)物活體成像儀本身不具備對(duì)感染性樣本或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物物理密封的能力，由于特殊的結(jié)構(gòu)及配置，其腔室內(nèi)表面及部分部件難以徹底地消毒滅菌，該設(shè)備在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行感染性實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的成像時(shí)，需要對(duì)傳輸光路、氣體麻醉系統(tǒng)等進(jìn)行改造或設(shè)計(jì)專用隔離裝置，防止設(shè)備、人員和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境受到污染[33]。

為在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用動(dòng)物活體成像儀，降低成像過程中感染性樣本或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物對(duì)設(shè)備的污染，Alderman 等[33]設(shè)計(jì)了一種可控制感染性樣本及動(dòng)物的隔離成像盒。該成像盒由特制材料制成，對(duì)成像質(zhì)量影響微弱，盒蓋與底座之間設(shè)置橡膠圈，保證關(guān)閉時(shí)的氣密性，另外供、排氣管道連接高效空氣過濾器（high-efficiency particulate arrestance，HEPA），在保持實(shí)驗(yàn)動(dòng)物呼吸及麻醉的情況下防止氣溶膠擴(kuò)散。該研究對(duì)成像盒進(jìn)行HEPA 過濾效率、氣密性及壓力衰減檢測(cè)，結(jié)果均達(dá)到在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室中使用的生物安全要求。在實(shí)際使用時(shí)，該成像盒仍有較大限制，如只能單次單只動(dòng)物成像、底板不透光、不能使用成像儀的透射模式，局限了動(dòng)物活體成像儀的功能。根據(jù)動(dòng)物活體成像儀在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際使用需求，該成像盒的底板應(yīng)采用透明透光材質(zhì)，保證透射模式的應(yīng)用及成像質(zhì)量。成像盒內(nèi)可設(shè)置物理隔斷，保證多只動(dòng)物同時(shí)成像，增加控溫加熱模式或生理檢測(cè)模式，保證長時(shí)間成像時(shí)被麻醉動(dòng)物不失溫死亡。該成像盒的供、排氣除增加HEPA 外，末端應(yīng)具備廢氣收集或處理系統(tǒng)。Scanga 等[4]設(shè)計(jì)了一種感染性氣體處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在成像的同時(shí)保持動(dòng)物麻醉狀態(tài)，動(dòng)物呼出的感染性氣體通過HEPA 及活性炭處理，從而有效控制氣溶膠擴(kuò)散，使用后的氣體處理系統(tǒng)可通過H2O2消毒。據(jù)本研究團(tuán)隊(duì)調(diào)研，部分活體成像儀及成像隔離盒已應(yīng)用于ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室，可一定程度上耐受H2O2或其他消毒劑腐蝕。

3 討論

研究高致病性病原微生物致病機(jī)理、驗(yàn)證治療方法及藥物有效性和安全性時(shí)，應(yīng)用動(dòng)物模型再現(xiàn)類似人類感染的臨床癥狀及免疫反應(yīng)必不可少[34-35]。研究表明，實(shí)驗(yàn)人員是實(shí)驗(yàn)室獲得性感染（laboratoryacquired infections，LAIs）最常見的感染者，多由吸入感染性氣溶膠、與污染物表面直接接觸、被動(dòng)物咬傷、銳器刺傷等原因?qū)е?，而?dòng)物實(shí)驗(yàn)人員往往面臨更大的LAIs 風(fēng)險(xiǎn)[36-37]。基于此，ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)對(duì)人員防護(hù)、儀器及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物操作制訂完善的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、生物安全防護(hù)措施、標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程及應(yīng)急預(yù)案等，避免LAIs 的發(fā)生。此外，ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室需加強(qiáng)人員理論及實(shí)操培訓(xùn)，培養(yǎng)專業(yè)運(yùn)維人才及實(shí)驗(yàn)人員，關(guān)心人員心理及身體狀態(tài)，避免外界或身體因素導(dǎo)致的LAIs。

CT、PET/CT、MRI 及動(dòng)物活體成像儀適用于動(dòng)物無創(chuàng)、半無創(chuàng)或解剖成像，可在高致病性病原微生物的感染免疫研究、疫苗及藥物的研發(fā)過程中提供連續(xù)、動(dòng)態(tài)的影像評(píng)估，并具備減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量的優(yōu)勢(shì)[38]。針對(duì)影像設(shè)備與ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境要求的特殊性，建議ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室潔凈度設(shè)置7 級(jí)或8 級(jí)，高于設(shè)備潔凈度要求，設(shè)置相對(duì)濕度為50%～70%，溫度為20～22 ℃。大型影像設(shè)備承重要求多大于500 kg/m2，設(shè)計(jì)初期需完善配置需求及要求，研討設(shè)備布局，設(shè)計(jì)樓板承重，建議將其布置于一層或進(jìn)行樓板加固，并考慮防輻射設(shè)計(jì)，排除周圍震動(dòng)或電離干擾等影響因素。除安裝及防護(hù)外，影像設(shè)備在ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室的消毒滅菌也是一大難題。通過熏蒸對(duì)ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室消毒滅菌時(shí)，需考慮消毒滅菌效果及消毒劑是否對(duì)房間/設(shè)備表面造成損傷、操作簡(jiǎn)便性及成本等問題。H2O2作為ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及空間的熏蒸消毒劑，能有效殺滅多種病原微生物且不對(duì)房間表面及傳遞窗、生物安全柜等設(shè)備表面造成損害，配合芽孢生物指示劑夠夠評(píng)估消毒滅菌效果[39-42]。而甲醛熏蒸消毒會(huì)殘留沉淀物及刺激性氣味，短時(shí)間較難去除，對(duì)房間表面及設(shè)備造成一定腐蝕，對(duì)人體黏膜組織及肺部造成嚴(yán)重?fù)p害且致癌。目前，各研究報(bào)道的影像設(shè)備污染控制和消毒滅菌方法在滿足生物安全前提下仍存在一些無法避免的限制，如需要改造成像設(shè)備的硬件以兼容密封屏障，改造過程較為復(fù)雜，改造后設(shè)備的靈活性降低或缺失部分功能，腐蝕性消毒劑縮短設(shè)備壽命，一次性元件增加設(shè)備成本等[5]，仍需根據(jù)ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室研究的高致病性病原微生物開發(fā)消毒滅菌效果好并且對(duì)設(shè)備損傷小的消毒方案或消毒劑。

4 展望

盡管ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室配置大型影像設(shè)備仍存在諸多挑戰(zhàn)及限制，但其可幫助ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室更好地研究和揭示高致病性病原微生物的致病機(jī)制、病理特征及臨床表現(xiàn)，在科學(xué)研究和醫(yī)藥研發(fā)等方面發(fā)揮著重要作用。CT、PET/CT、MRI 及動(dòng)物活體成像儀等大型影像設(shè)備應(yīng)用于ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室是高致病性病原微生物研究發(fā)展的必然趨勢(shì)，設(shè)備廠家及使用者需共同研究將其應(yīng)用于ABSL-3/4 實(shí)驗(yàn)室的方案，研發(fā)對(duì)高致病性病原微生物消毒滅菌效果好且對(duì)設(shè)備損傷較小甚至無損傷的消毒劑和消毒方案，加強(qiáng)培養(yǎng)多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的復(fù)合型人才，突破人才缺乏的阻礙。相信在各方不斷研究及探索下，高致病性病原微生物的研究將更加深入，生物安全領(lǐng)域建設(shè)及發(fā)展將更加深入、完善、全面。