Sicherheitsvorkehrungen und Betriebsverfahren in einem (A) BSL-4-Labor: 3. Aerobiologie
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
Übertragung von Viren erfolgt in der Regel durch direkten oder physischen Kontakt, aber viele wichtige virale Erkrankungen (zB Masern, Windpocken, Grippe) werden durch Erreger verursacht wird, die durch ein Aerosol oder Atemtröpfchen übertragen werden. Solche Erreger das Potenzial haben , eine Pandemie mit Folgen , die aus weit verbreiteten milde Krankheit mit dem Verlust der Arbeit verbundenen bis hin zu verursachen (zB Erkältungen) schwere Erkrankung mit hoher Letalität (zB Pocken) zu seltener. Hoch Folge Krankheitserreger , die auf natürliche Weise durch Aerosol oder durch absichtliche Freisetzung Aerosol verbreiten (biologische Waffen) sind von besonderem Interesse für Aerobiologie 1. Die Menschen werden könnte mit einigen dieser Erreger durch große Atemtröpfchen oder kleinen Teilchen Kerne und leicht verbreiten diese Erreger auf andere Personen durch Speichelsekret, Husten und Niesen 2 schnell infiziert. In der US Biodefense Gemeinschaft, Hoch Folge Krankheitserreger (zB Filoviren oder andere NIAID Categorie AC Priorität Pathogene und CDC Bioterrorismus – Agenten) stehen im Mittelpunkt der Aerosolforschungsprogramme aufgrund der hohen Letalität von Infektionen im Zusammenhang mit 3,4. Bedeutende wissenschaftliche Fortschritte im Bereich Aerobiologie haben in den letzten zehn Jahren aufgrund der technologischen Fortschritte in der Aerosol – Ausrüstung und hohe Rückhalteeinrichtungen 5,6 erzielt. Forschung an der National Institutes of Health, National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIH / NIAID), Integrated Research Facility in Fort Detrick liegt in Frederick, MD, USA (IRF-Frederick) konzentriert sich auf High-Folge neu auftretender Krankheitserreger, die Tier Biosicherheit erfordern Stufe 4 (ABSL-4) Eindämmung. Die gesamte Mission des IRF-Friedrich ist zu bewerten und die Entwicklung von Impfstoffkandidaten und Therapeutika (medizinische Gegenmaßnahmen) erleichtern.
Forschung mit hoher Konsequenz Erreger an der IRF-Friedrich wird von strengen Biosicherheit und Tierpflege und Nutzungsanforderungen geregelt. Diese requirements sind in der Biosicherheit in mikrobiologischen und biomedizinischen Laboratorien (BMBL) Handbuch 7 und den Bundestierschutzbestimmungen beschrieben. Diese notwendigen Anforderungen können die Art der Forschung beschränken, die durchgeführt werden können und die allgemeine Studiendesign auswirken. Wie wir bereits in dieser Zeitschrift beschrieben, die alle in einem ABSL-4 – Umgebung durchgeführt Forschung erfordert besondere Vorsicht, hoch spezialisierte Ausbildung und eine robuste und redundante Einrichtung Infrastruktur 8,9.
Der Eintritt in die IRF-Frederick ABSL-4 Anzug Labor erfordert Anziehen eine positive Druck Einkapseln Anzug 8. Positiv-Druckanzüge Einkapseln werden zur Eingabe des ABSL-4 Schrank Labor nicht erforderlich. Ein Peeling Anzug, Gummi oder Nitril Handschuhe Donning und nahen Schuhe , die vorne ist angemessen , wenn Risikogruppe 4 infektiösem Material in einem zertifizierten Klasse III Biosicherheit Cabinet (BSC) in einem ABSL-4 Schrank Labor 7 zu manipulieren.
An der IRF-Frederick, Aerosol Ausrüstung wurde entwickelt, montiert und in zwei hermetisch abgedichtet, Edelstahl, luftdicht, Unterdruck Klasse III BSCs, Abbildung 1. Der IRF-Frederick Aerobiologie Kern wendet ein automatisiertes Aerosol – Management – Plattform beibehalten ( AAMP) zu steuern und über eine durch~~POS=TRUNC 5 Aerosol Experimentieren innerhalb dieser BSCs, Fig . 2 eine frühere Veröffentlichung , die spezifischen Funktionen der Klasse III BSCs an der IRF-Frederick skizziert und die Verbindung zum Anzug Labor überwachen. Das Verfahren der Klasse III BSC vor dem Experiment vorbereitet ist auf die IRF-spezifisch. Andere Klasse III BSCs an anderen Institutionen verwendet funktionieren ähnlich wie die Klasse III BSC im Einsatz an der IRF, sondern kann verschiedene Mechanismen für den Transport, Zugang oder Docking haben.
Um zu verstehen, wie hoch Folge Erreger bleiben ansteckend und verbreiten durch Aerosolübertragung, sichere aein dieser Klasse III BSCs durchgeführt werden nach einem bestimmten Arbeitsablauf Verfahren robiological Experimente müssen. Die Forscher wurden sorgfältig und gründlich geschult diesen Workflow gewährleistet ist, in einer sicheren und konsistenten Art und Weise verfolgt wird. Vor dem nicht-menschlichen Primaten (NHP) Aerosol Herausforderung, mehrere Aerosolcharakterisierung oder Schein-Aerosolläufe werden ausgeführt, um die Stabilität und die Lebensfähigkeit eines Mittels zu testen, wenn sie in Aerosolform. Die Aerosol-Charakterisierung Prozess ahmt die tatsächliche Aerosol Herausforderung, und der Forscher wertet die Variablen mit Aerosolstudien verbunden.
Ein weiterer Teil des Workflows ist die physikalische Manipulationen, Verwaltung oder Anästhetika oder andere Mittel oder Routineverfahren in Diagrammen für jeden NHP aufzuzeichnen. Diese Themenkarten werden gründlich analysiert Verfahrens Konsistenz und Standardisierung zu gewährleisten. Themen werden vor narkotisiert Exposition gegenüber Aerosol. Beispiel Anästhetika umfassen Tiletamin / Zolazepam, Ketamin / Acepromazin und ketamine. Anästhetika basieren auf der Minimierung der Atemunterdrückung und die Förderung der kontrollierten Steady-State-Atmung gewählt. Zusätzliche Anästhesie Lieferungen werden in den Tierversuchsräume beibehalten und auf dem Transferwagen mit dem NHP an den aerobiology ABSL-4 Schrank Labor transportiert.
Innerhalb des ABSL-4 Anzug Labor, durchlaufen NHPs Plethysmografie über eine der beiden Methoden (dh Kopf-out – Plethysmographie, respiratorische induktive Plethysmographie [RIP]) Inspirationsatemvolumen zu bestimmen und bewerten 10-12 ändert sich die Atmung. Diese abgeleiteten Parameter werden für eine genaue Berechnung der geschätzten inhalierten Dosis des Pathogens unmittelbar vor oder während einer Aerosolexposition verwendet. Head-out – Plethysmographie verwendet eine lange, zylindrische Kammer, die die NHP 13 untergebracht ist . Der Druckabfall erzeugt wird, wenn ein Tier in dem Zylinder wird durch einen Pneumotachograph eingefangen, an den Verstärker weitergeleitet, durch den Wechselstrom / Gleich curren verarbeitett-Wandler und integriert in die Software, die oben Lungenparameter abzuleiten. RIP verwendet Sensoren von induktiven Coiled Kupferdrähten, die sich um das Thema der Brust in elastischen Bändern eingebettet sind und Bauch 11,12. Ein induktiver-Kondensator erzeugt ein Magnetfeld in dem Sensor. Atmung ändert das Magnetfeld, und die resultierenden Spannungsänderungen werden von einem Sender neben dem Gummiband zu einem Empfänger in dem Computer über kurzwelligen Ultrahochfrequenz-Funkwellen übertragen. Spezielle Software ermittelt aus insgesamt thorakalen Verschiebungsrate und Atemvolumen zu atmen.
Die Minutenvolumen (MV), erhalten durch Plethysmographie wird bei der Berechnung der geschätzten inhalierten Dosis (D) verwendet. Beim Erzeugen und Abtasten eines Aerosols kann die Aerosolkonzentration (AC) wird durch Multiplikation der biosampler Konzentration (BC) durch das Volumen der Medien (V) und dividiert durch Ergebnis der Multiplikation der Flussrate des biosampler (FL) durch die berechnetenBelichtungszeit (T). Die vereinfachte Formel wird als AC = BC x V dargestellt ÷ FL x T. Im Gegenzug für die eigentliche Aerosol Herausforderung in nichtmenschlichen Primaten, wird D berechnet von AC durch MV und die Expositionsdauer (Zeit = T) multipliziert wird. Die vereinfachte Formel wird dargestellt als D = AC x MV x T.
Der Zweck dieses Artikels ist es, visuell die gesamte Aerosol-Verfahren zeigen, mit nichtmenschlichen Primaten unter zwei Gesichtspunkten, die ABSL-4 Anzug Laborseite und der ABSL-4 Schrank Labor Seite. Obwohl diese Verfahren für verschiedene Praktiken allgemeiner Natur sein kann, erwähnt, sind sie auf die IRF-Frederick Aerobiologie Kern spezifisch und stellen die tatsächlichen Praktiken bei dieser Einrichtung verwendet. Dieser Artikel konzentriert sich auf die biologische Sicherheit Verfahren benötigt, um sicher ein Aerosol Herausforderung durchführen, nicht die eigentliche Aerosol Herausforderung selbst. Bei diesen Verfahren werden wir die Verwendung eines Dummy-Thema Biosicherheit Praktiken zu zeigen, da das Risiko im Zusammenhang mit einem NHP anesthetizing. Jedoch ist der Prozess der perfoeine Aerosol Herausforderung rming wird in allgemeiner Weise geschrieben, weil das Verfahren das gleiche, unabhängig von hoch Folge Pathogen verwendet wird. Wir wollen über die Unbilden Wissen und Verständnis der Wissenschaftler der Durchführung von Aerosolstudien mit hoher Konsequenz Erreger unter maximaler Einschließungsbedingungen zu verbessern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir skizzieren die aerobiology Verfahren auf der IRF-Friedrich verwendet für mit hochgefährlichen (Risikogruppe 4) Erregern arbeiten. Ein Zweck der Bioaerosol Verfahren der Visualisierung ist es, die Sicherheit der Mitarbeiter zu betonen, wenn eine Klasse III BSC während des Experimentierens mit solchen Erregern mit Labor erworbene Infektionen zu vermeiden. Klasse III BSCs halten einen nach innen gerichteten Richtungsluftstrom, der in Doppel HEPA – Filter erschöpft , um sicherzustellen , dass Krankheitserreger im La…
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
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