国家工程实验室疫苗工程技术平台建设与管理

孙 博, 谷铁军, 张喜珍

(1. 吉林大学 生命科学学院, 吉林 长春 130012；2. 吉林大学 艾滋病疫苗国家工程实验室, 吉林 长春 130012)

生物疫苗领域的快速发展以及国家加大对科研实验室投入力度,使得产学研相结合成为生命科学发展的必然趋势[1]。国家发改委批准建设艾滋病疫苗国家工程实验室,该实验室是吉林大学负责筹建的第一个疫苗领域的国家工程实验室。国家工程实验室以产业和社会发展对工程技术研发的重大需求为出发点,在推进关键技术和设备研发及工程化应用方面发挥承上启下的创新链接作用,在整合产学研优势资源进行协同创新方面发挥着平台集聚作用[2]。艾滋病疫苗国家工程实验室的主要任务之一是解决艾滋病疫苗研制中的重大关键技术难题,并将所获得的新技术、成果推广应用到其他现代疫苗的研制中。在艾滋病疫苗和其他现代疫苗的研制中都存在着如何解决疫苗产品的生产技术难题、提高免疫应答、建立新产品的质量检测方法等一些制约现代疫苗生产的产业共性与关键性技术[1]。对于上述问题的解决,必将加快整个现代疫苗研制的进程,加速其产业化的发展。因而建设一个设计科学、布局合理、功能完善的工程技术平台,能够充分地为实验室基础科研的课题成果向将来的应用转化搭建一个恰当的桥梁,是实现上述任务的重要保障。下面就针对艾滋病疫苗国家工程实验室在建设与管理疫苗工程技术平台过程中的一些实践经验做简单探讨。

1 基础设施建设

1.1 工程技术平台设计原则

针对艾滋病疫苗国家工程实验室自身特点,设计了不同种类的工程技术实验室。根据其使用的功能又有各自的需求,还需要考虑相关设备对周围环境的影响。例如根据昆虫细胞、哺乳细胞生物反应器室自身特点,参考GMP厂房相关的车间布局,设计了换鞋区、外更衣室、内更衣室、缓冲区、洁净区等功能分区,整个框架为彩钢板结构,铺设环氧自流平地面,无卫生死角、便于清洁。例如原核发酵实验室配置有高速管式离心机。该设备安装需要放置于加固的水泥台面,同时该设备运行时会产生较大噪音和振动,因此在设计中将原核发酵实验室放在一楼减少对周围环境的影响[3]。

1.2 工程技术平台配套设施的考虑

完善的配套设施是工程技术平台正常运转的有效保障,其涉及给排水、通排风、供电、净化空调、废液处理等方面。既要考虑实验室的整体需求,又要兼顾各个功能实验室的特点。

(1) 给排水方面。原核发酵室需要配备独立的纯化水循环管道来满足罐培养、清洗发酵罐及高压蒸汽发生器用水的需求。

(2) 供电方面。工程技术平台所运行的设备通常有大功率、不间断供电的需要。例如哺乳细胞生物反应器需要连续运行,最长可达30天。因此为了应对突发停电等情况,设计安装了大功率UPS不间断电源和满足连续运转设备的柴油发电机组。发酵罐灭菌用的电加热高压蒸汽发生器功率可达72 kW,需要独立配备380 V动力电源。

(3) 净化空调方面。在生物反应器室配置了高效过滤系统及臭氧发生器,设计了万级区洁净房间内含局部百级区域,来满足生物反应器培养细胞对环境的要求。

(4) 废液处理方面。本实验室疫苗研究项目均为基因工程疫苗和DNA疫苗,经过灭活后无活病毒存在,实验中使产生的废液经过高压灭菌处理后再进行污水处理,故不存在病毒污染环境的风险。

2 技术平台与功能实验室的配置

根据自身实验室的研究特点和未来发展方向,配置了上游表达平台、下游纯化平台、质量检测平台、制剂平台等工程技术平台。针对这些技术平台,在建设工程中设计了一系列与平台相对应的功能实验室。

(1) 上游表达平台。配备中试规模全自动发酵罐、高速管式离心机来满足大规模大肠杆菌、酵母细胞培养的原核发酵室,酵母发酵室。配备WAVE生物反应器、NBS生物反应器、安普生物反应器等不同类型的生物反应器,可对细胞培养或发酵液中的营养成分、代谢产物进行快速分析检测分析的多参数生化分析仪及全自动细胞计数仪来满足昆虫、哺乳动物细胞大规模培养不同需求的生物反应器室。

(2) 下游纯化平台。配备有超速离心机、连续流离心机及台式离心设备的离心机室,配备有高压均质机、超声破碎仪、中空纤维中试装置、中试规模膜包超滤器的细胞破碎室,以及配备有多种类型层析柱、层析系统可满足中试规模的层析纯化室。

(3) 质量检测平台。配备有核酸电泳、蛋白电泳、双向蛋白电泳、流式细胞仪、高效液相色谱系统、多功能微孔板检测系统、纳米粒度ZETA电位仪等仪器功能室,上述仪器可完成多种疫苗特异性检测方法的建立。

(4) 制剂平台。高压微射流均质机、挤出仪、冻干机、马尔文凝胶色谱仪、马尔文纳米粒径仪、马尔文微米粒径仪、高效液相分析系统、博勒飞流变仪等制剂所必需的仪器设备。其中高效液相分析系统配备有紫外阵列检测器、荧光检测器和蒸发光检测器。以上硬件设备可协助完成多种疫苗制剂的工艺条件优化,以及制定和建立相关质量控制方法和鉴定方法。

3 关键技术创新与成果转化

艾滋病疫苗国家工程实验室的主要研究方向以艾滋病疫苗的研制为主线,解决艾滋病疫苗研制过程中存在的重大科学和工程技术难题。同时将在艾滋病疫苗研制中所取得的技术成果应用到其他新型疫苗的研制中。近些年来,围绕以上方向建立了DNA疫苗生产工艺平台、腺病毒疫苗生产工艺平台、病毒样颗粒疫苗生产工艺平台等多个新型疫苗生产平台[4-6]。同时解决了一些与新型疫苗研发相关的关键共性技术，如昆虫细胞无血清大规模悬浮培养技术、昆虫细胞特异残余物质检测方法、填充床生物反应器灌流培养技术、病毒样颗粒表征技术、大肠杆菌双顺反子可溶表达技术[7-8]。上述生产工艺平台和关键共性技术的实现是以研发项目为导向,通过实验室与企业共同组建研究团队、共同承担任务和风险、共享技术研究成果,实现技术输出与成果商业化的双重目标。不仅为本实验室的艾滋病疫苗、肿瘤疫苗研究提供有力的技术支撑,也在本领域为企业提供了相关新型疫苗的技术解决方案。

4 工程技术平台的管理

行之有效的管理是以制度为基础的,工程技术平台的管理同样是通过相关的规章制度的制定与实施来实现的,但它又有其自身的特点。

4.1 制定管理制度

为规范技术平台的管理,制定了一系列严格的规章制度,包括人员准入制度、培训考核制度、卫生清洁制度和安全管理制度等,督促实验人员严格遵守各项规章制度；为规范实验操作,制定了标准实验技术操作手册、仪器设备使用手册等,通过监督检查,督促实验人员养成良好的实验习惯。从人员管理入手,所有需要进入技术平台相关功能实验室做实验的人员,均需在相应的管理教师处预约登记,经过管理人员批准后,方可进入平台所属功能实验室。实验开始前需进行相应的技术操作与安全教育培训,经考核合格者方准许到相应的功能实验室进行实验,并承担维护本实验区域的卫生安全职责。

4.2 加强日常管理

由于工程技术平台的特殊性,需指定专门的管理人员负责各技术平台的日常管理。例如生物反应器实验室对于实验环境要求较高,是按照万级净化实验室进行设计安装的,需定期检测实验室空气洁净度、温湿度、压力差等相关指标,保证实验顺利进行。其他平台也要专门的教师负责日常的人员培训、卫生安全、实验操作及仪器设备的使用管理等。

4.3 完善信息化管理

在部分重点功能实验室安装了视频监控系统和门禁系统,并建立各平台的微信群、QQ群等。在网络上交流实验技术及平台使用过程中经常出现的问题,力争做到发现问题及时解决。也可以做到集思广益,及时解决技术难题,通过信息交流,拓展和提高技术人员的理论水平及实验技术水平。

5 结语

综上所述, 艾滋病疫苗国家工程实验室的疫苗工程技术平台在建设过程中借鉴部分高校实验室建设的成果和经验,将基础设施、技术平台与管理运行机制建设相结合,以系统性和可操作性为设计方向,考虑了实现方便的升级扩充与功能转换,能够满足实验室后续发展的需要[9-16]。目前疫苗工程技术平台已建立完整的疫苗上下游研发平台,拥有多个新型疫苗生产工艺平台和关键共性技术，已与多家生物制药企业开展合作,为企业提供技术服务和相关人员培训。通过疫苗工程技术平台的建设与发展,可以实现生物疫苗领域的产学研结合,为企业提供技术支持,提高企业的技术水平,力争为生物疫苗产业的高速发展注入强大动力[1]。