Меры предосторожности и эксплуатационные процедуры в (A) BSL-4 лаборатории: 3. аэробиологию
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
Передача вирусов обычно происходит путем прямого или физического контакта, но многих важных вирусных заболеваний (например, корь, ветряная оспа, грипп) вызываются патогенными организмами , которые передаются с помощью аэрозоля или капельным. Такие патогены имеют потенциал , чтобы вызвать пандемию с последствиями , начиная от широко распространенной легкой формой заболевания , связанного с потерей работы (например, простуда) к более редким серьезное заболевание с высокой летальностью (например, оспа). Высокая следствие патогены , которые распространяются естественным образом с помощью аэрозоля или путем преднамеренного высвобождения аэрозоля (биологического оружия) представляют особый интерес для аэробиологию 1. Люди могут быстро стать заражены некоторые из этих патогенов крупными капельным или ядер мелких частиц и легко распространить эти патогены другим через слюнных выделениях, кашель и чихание 2. В Biodefense сообществе США, высокие следствие патогенных микроорганизмов (например, Филовирусы или другие NIAID CaAC Приоритетные категории на патогены и CDC биотерроризма) находятся в центре внимания исследовательских программ аэрозольных в связи с высокой летальностью ассоциированных инфекций 3,4. Значительные научные успехи в рамках области аэробиологии были сделаны в последнее десятилетие из – за технологических достижений в области аэрозольного оборудования и высоких удерживающих сооружений 5,6. Исследования в Национальных институтах здоровья, Национального института аллергии и инфекционных заболеваний (NIH / NIAID), интегрированный научно-исследовательский центр в Форт-Детрике располагается в городе Фредерик, штат Мэриленд, США (IRF-Frederick) фокусируется на высокой следствие новых патогенных микроорганизмов, которые требуют животных биологической безопасности уровень 4 (ABSL-4) сдерживания. Общая миссия IRF-Фредерик является оценка и содействие разработке вакцин-кандидатов и терапевтических средств (медицинских контрмер против).
Исследования с высоким следствие патогенных микроорганизмов на IRF-Фредерике регулируется строгими биологической безопасности и ухода за животными и требованиями использования. Эти RequirЗЛЫ изложены в биологической безопасности в микробиологических и биомедицинских лабораториях (BMBL) Руководство 7 и федеральных правил защиты животных. Эти необходимые требования могут ограничить тип исследований , которые могут быть выполнены и повлиять на общий дизайн исследования. Как мы ранее описанных в этом журнале, все исследования , проведенные в среде ABSL-4 требует особой осторожности, высоко специализированную подготовку, а также надежную и избыточную объектов инфраструктуры 8,9.
Вступление в ABSL-4 костюма лаборатории IRF-Фредерика требует надевания положительного давления герметичный костюм 8. Положительно давление герметизирующего костюмы не требуются для входа в кабинет лабораторию ABSL-4. Надев костюм скраб, резиновые или нитриловые перчатки, а также близко носком обуви уместен при манипулировании Группа риска 4 инфекционного материала в рамках сертифицированного III класса биологической безопасности кабинета (BSC) в качестве ABSL-4 кабинета лаборатории 7.
В IRF-Фредерик, аэрозольное оборудование проектируется, собран и поддерживается в двух герметичных БББ класса, из нержавеющей стали, герметичны, отрицательное давление III, рисунок 1. МАФ-Фредерик Аэробиология Ядро использует платформу автоматизированного управления аэрозольный ( AAMP) для управления и мониторинга аэрозоля экспериментирование в пределах этих БББ, на рисунке 2. в предыдущей публикации изложены конкретные функции БББ класса III на IRF-Фредерик и подключение к костюму лаборатории через сквозной порт 5. Порядок подготовки класса III BSC до эксперимента является специфическим для МАФ. Другие БББ III класса, используемые в других учреждениях функционируют аналогично классу III BSC используется в МАФ, но могут иметь различные механизмы для транспорта, доступа и стыковки.
Для более глубокого понимания, как следствие высокого патогены остаются заразными и распространяются через аэрозольной передачи, безопасным аеrobiological эксперименты должны проводиться в этих БББ класса III в соответствии с определенной процедурой документооборота. Исследователи были тщательно и тщательно обучен, чтобы обеспечить этот рабочий процесс следует в безопасном и последовательной манере. До нечеловеческого примата (NHP) аэрозольного заражения, несколько аэрозольных характеристик или фиктивных пробегов аэрозолей выполняются с целью проверки стабильности и жизнеспособности агента, когда в аэрозольной форме. Процесс аэрозольный характеристика имитирует реальную аэрозольный вызов, и исследователь оценивает переменные, связанные с аэрозольными исследованиями.
Другая часть рабочего процесса для записи физических манипуляций, управления или анестетиков или других агентов или рутинных процедур на графиках для каждого NHP. Эти тематические диаграммы тщательно проанализированы, чтобы обеспечить процедурную последовательность и стандартизации. Субъекты наркоз перед аэрозольной экспозиции. Пример анестетики включают tiletamine / zolazepam, кетамин / Ацепромазин и ketamiсеверо-восток Анестетики выбираются на основе минимизации респираторное подавление и продвижение управляемой, стационарному дыхания. Дополнительные расходные материалы для анестезии сохраняются в порядке, помещений для животных и транспортируется на переводной корзину с NHP в кабинет лаборатории аэробиология ABSL-4.
В костюме лаборатории ABSL-4, NHPs пройти плетизмографии через один из двух способов (то есть, плетизмографии лобовом вне, респираторный индуктивной плетизмографии [RIP]) , чтобы определить , на вдохе дыхательный объем и частота дыхания изменяется 10-12. Эти производные параметры используются для точного расчета оцененного вдыхаемого дозы патогена непосредственно перед или во время воздействия аэрозоля. Головной из плетизмографии использует длинную цилиндрическую камеру, где находится NHP 13. Падение давления создается, когда животное находится в цилиндре захвачен пневмотахографа, передается на усилитель, обрабатываются переменный ток / постоянный Currenт конвертер, и интегрированы в программное обеспечение для получения вышеуказанных легочные параметры. RIP использует датчики , изготовленные из индуктивных скрученных медных проволок, внедренных в резинками вокруг груди испытуемого и живота 11,12. Индуктивно конденсатор создает магнитное поле в датчике. Дыхательные изменяет магнитное поле, и в результате изменения напряжения передаются из передатчика рядом с резинкой на приемник в компьютере с помощью коротковолновых ультра- высокочастотных радиоволн. Специализированное программное обеспечение определяет частоту дыхания и дыхательный объем от общего грудного смещения.
Минутный объем (MV), полученные с помощью плетизмографии используется при расчете оценочной вдыхаемого дозы (D). При генерации и отбора проб аэрозоля, концентрация аэрозоля (AC) рассчитывается путем умножения концентрации biosampler (BC) по объему средств массовой информации (V) и делением результата умножения скорости потока biosampler (FL) с помощьювремя экспозиции (T). Упрощенная формула представлена в виде AC = BC х V ÷ FL х Т. В свою очередь, для фактического аэрозольного заражения в NHPs, D вычисляется путем умножения на AC MV и длительности экспозиции (время = T). Упрощенная формула представлена в виде D = AC х MV х T.
Цель данной статьи состоит в том, чтобы наглядно продемонстрировать всю процедуру аэрозольный вызов с использованием NHPs с двух точек зрения, на ABSL-4 костюма лаборатории стороне и ABSL-4 кабинета лаборатории стороне. Хотя эти процедуры могут носить общий характер для некоторых видов практики, упомянутых, они являются специфическими для IRF-Фредерика аэробиологию Ядро и представляют фактические методы, используемые в этом учебном заведении. В данной статье основное внимание уделяется процедурам биобезопасности, необходимых для безопасного выполнения аэрозольного вызов, а не фактический аэрозоль сама по себе вызов. В этих процедурах, мы используем фиктивную тему, чтобы показать практики биологической безопасности, из-за риска, связанного с обезболивающим в NHP. Тем не менее, процесс Performing аэрозольный вызов записывается в общем виде, потому что процедура одинакова независимо от высокого последствий возбудителя используется. Мы стремимся расширить знания и понимание ученых о суровости проведения аэрозольные исследования высоких патогенов следствие в условиях максимального сдерживания.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наметим процедуры аэробиологию, используемые в IRF-Фредерик для работы с особо опасных (группа риска 4) патогенных микроорганизмов. Одной из целей визуализации процедур биоаэрозоль, чтобы подчеркнуть безопасность персонала при использовании класса III BSC в ходе экспериментов с такими па?…
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).
