高等级兽医生物安全实验室生物危害及其风险评估要素

吴思捷,李增顺,张 媛,李 宁,王团结,赵俊杰,张一帜,万建青,王利永,2

(1.中国兽医药品监察所,北京 海淀100081;2.新疆农业科学院,新疆 乌鲁木齐830091)

兽医生物安全实验室的主要工作内容是动物源性病原微生物样品的保存、处理、分离培养和鉴定等工作,因此实验室是病原体、未知病原因子、带病动物、易感人群和传播途径相对集中的特殊场所。部分动物尤其人兽共患病潜伏期动物潜在危害大,涉及个人健康、环境污染等。因此应在开展实验活动之前,对实验活动所操作的病原微生物以及实验活动本身进行评估,确保生物安全。兽医生物安全实验室,特别是高等级生物安全实验室的生物安全风险评估及风险控制,对确保实验室生物安全,保障实验操作人员和周边公共环境卫生安全,以及样本及产品安全具有重要意义。本文结合高等级生物安全实验室主要的生物危害提出相关风险评估要素,以供生物安全3 级实验室实验活动的管理参考。

1 兽医生物安全实验室的生物危害

高等级兽医生物安全实验室所操作的生物因子通常为1 类或2 类病原微生物及相关组织样本,此二类病原微生物能够引起人类或者动物产生非常严重/严重疾病[1]。因此当实验室防护设施设备出现故障、实验室工作人员在操作过程中出现无意识泄露生物因子和误用生物技术、或人为恶意使用生物因子及生物技术时会造成严重的生物危害,包括对实验人员健康、周边生态环境和经济活动产生严重后果或潜在风险。

1.1 风险来源

1.1.1 实验室的生物危害性因子 包括病毒、细菌、真菌、毒素和寄生虫等,另外在实验室对相关病原微生物培养物进行操作过程中,组织细胞培养和某些类型的核酸转染操作可以在体外将病原体的遗传物质在细胞之间进行转移,具有潜在风险,因此也可以视作生物性危害因子。

生物危害性因子通常来源于实验室环境内保存病原微生物样本、菌(毒)种及相关培养物、实验废弃物等,以及被感染的动物宿主的血液、体液、粪便、毛发和各种组织。

1.1.2 实验室生物危害途径 目前实验室内人员发生感染主要有4 种途径:(1)皮肤创伤及黏膜接触感染。在实验过程中由于操作不慎、个人防护意识淡薄或个人防护装备没有配备等原因,被针头、手术刀或碎玻璃刺伤从而引发感染;(2)气溶胶吸入感染。实验室内的病原体样本以及感染动物能够产生大量携带病原体的气溶胶,如果实验室运行管理过程中对生物安全柜、实验室送排风系统、防护装备等相关设施设备性能的检测与监测不严格,极易造成实验人员吸入感染性气溶胶;(3)实验动物攻击造成感染。在动物实验过程中,实验人员被动物咬伤、抓伤、吸入实验动物产生的气溶胶、接触实验动物的排泄物、分泌液或体液,都有可能造成生物危害。

1.1.3 实验室感染的原因 目前生物安全实验室发生的感染案例有80%为不明原因感染,只有20%感染案例可以确认是由事故造成感染[2]。在可确认感染原因的这部分案例中,有80%是由工作人员操作失误引起,包括病原微生物菌(毒)种及相关培养物和样本的溢出和泼洒、针头和碎玻璃等利器产生的损伤以及动物或动物体外寄生虫的咬伤、抓伤,另外有20%感染案例是由相关设备(如空调送风系统、生物安全柜、隔离器、离心机、口罩和手套等一级防护装备等)故障造成的[2]。

1.2 世界各地实验室生物安全事故实例

1956 年,前苏联伊凡诺夫斯基病毒研究所的工作人员在实验室通道内不慎打碎9 支装有委内瑞拉马脑炎病毒的冷冻干燥管,事发后仅对地面进行了消毒,但没有对周围墙壁进行消毒处理,也没有对污染区域采取隔离措施,仍允许人员出入此地,造成事发后24 h 至48 h 内有22 人感染发病,4 d 后又有2 人发病[3]。

2007 年8 月,英国政府证实萨里郡吉尔福德镇的一个农场暴发口蹄疫,该农场方圆3 公里划为隔离区,方圆10 公里被设定为保护区。全国范围全面禁止牛、羊和猪只的移动,并禁止出口牲畜、屠宰产品、猪牛羊肉和牛奶。按照英国法律,当地的所有牲畜将被宰杀。英国卫生和安全管理局调查显示,由于疫点附近两个实验室排污系统受损可能导致了研究用的口蹄疫病毒泄露污染周边土壤,当地出现的暴雨可能又增加了这种泄露的可能性,其后经过实验室附近的车辆又将污染土壤运输至疫点,最终导致疫情暴发[4]。

2010 年12 月间,由于东北农业大学动物医学学院有关教师,未按国家及黑龙江省实验动物管理规定,从当地某养殖场购入4 只山羊,并在以上述4只山羊为实验动物的5 次实验(共涉及4 名教师、2名实验员、110 名学生)前,未按规定对实验山羊进行现场检疫,同时在指导学生实验过程中未能切实按照标准的实验规范,严格要求学生遵守操作规程,进行有效防护。由于上述违规行为,导致2011年3 月至5 月,学校27 名学生及1 名教师陆续确诊感染布鲁菌病。

2 兽医实验室风险评估控制要素

我国首个包含实验室风险评估的国家标准《实验室生物安全通用要求》(GB19489—2004)中[6],对实验室生物危害评估的规定更多强调的是对病原体本身及其实验活动过程的评估,未涉及设施设备运行、运输和安保等方面。而随着国家的重视和相关科研工作的发展,对高防护级别实验室的安全要求也更加严格。在修订后的《实验室生物安全通用要求》(GB19489—2008)中[6],风险评估内容涉及管理和组织体系、风险评估、微生物名录和信息、一般安全、人员技能、良好操作技术、个体防护装备、人为因素、卫生保健、意外预案和紧急反应、事件和事故调查、设施结构、设备维修校准、消毒和灭菌、运输、保障等16 个方面,全面涵盖了生物安全管理工作[5]。

2.1 病原微生物的风险评估

2.1.1 病原微生物的生物学特性 包括形态特征、培养特性、免疫学特性(特异性抗原)、遗传特性(基因组及编码产物)、变异性(包括基因重组特性)、毒力及致病性和种(型)鉴别特征等生物学特性;在自然环境中的存活能力,与其他生物和环境的交互作用等环境稳定特征;对温度作用时间、紫外灯等物理因素和不同消毒剂的敏感性等特征。

2.1.2 病原微生物的流行病学特征 确定病原的自然宿主、易感人群;明确感染途径,包括呼吸道、消化道、血液或媒介等自然感染途径,宿主和易感人群间是否有动物之间、动物与人之间、人与动物之间或人与人之间传播,以及是否存在气溶胶、锐器伤害、皮肤感染和接触病等实验室临床感染途径。

2.1.3 危害程度 分析临床症状、体征、潜伏期、发病时间、病程进展为急性还是慢性、感染剂量、入侵部位和并发症等临床表现;对发病急促、病程短、病情严重、致死率高的情况应高度重视。

2.1.4 预防治疗现状 了解病原微生物对机体造成的全身性症状和呼吸系统、消化系统、神经系统、泌尿系统、皮肤黏膜系统和肌肉系统等局部症状的临床诊断方法,如有需要还应建立血常规、生化、病理等常规实验室诊断方法以及细菌/病毒分离培养、免疫病理、分子生物、免疫组化等有针对性的特定实验室诊断方法;确定针对病原微生物的预防措施、治疗方法和主要治疗药物的有效性,如相关疫苗、药物或抗血清等,以及当地所具备相应医疗条件、治疗能力的医疗机构。

2.2 病原微生物实验室从事实验活动的风险评估

2.2.1 实验活动性质 应明确操作可能涉及的微生物种类,是否人兽共患,并根据农业部《动物病原微生物分类名录》规定,明确实验操作相关病原微生物的风险级别和防护水平,同时注意该病原微生物对人的感染剂量、感染模式、途径以及在环境中的稳定性。

2.2.2 实验活动内容 不同实验活动类型所面临的风险程度有差异,病原微生物实验室风险较大的活动一般包括感染性材料的分离培养、蛋白纯化,对未灭活的活病原体或感染性材料进行临床检测、血清学检测、抗原检测、核酸检测和生化分析,对未灭活的组织病料开展病理或免疫组化实验等,以及感染活病毒感染的动物试验等。

2.2.3 实验室设施设备 除评估实验室设施与实际状态是否能够满足设计要求之外,对实验室在常规运行中对设施进行维修、清洁、维护或关停期间发生暴露的可能性也应进行风险评估;对实验室内相关防护设备应进行评估,如生物安全柜是否能够保证气流按要求方向流动、所配高效过滤器的过滤效率是否下降、安全柜是否定期年检和维护,高压灭菌器的压力和温度、消毒剂的使用剂量是否能够满足废弃物、空间和设备的消毒要求,污水处理系统高温灭菌效果是否达到要求、是否使用生物和化学方法进行了验证,动物饲养隔离器的气密性和高效过滤器性能是否满足隔离条件。

2.2.4 感染性材料的使用和处置 感染性材料存在被盗用、恶意使用、误用和不正当使用的风险,应对其使用和管理开展风险分析;根据实验操作感染性材料的风险评估,选择切实有效的消毒手段(消毒剂化学消毒、高温高压物理消毒)、对实验设备、实验场所和个人防护设备等实验废弃物制定适宜的实验室消毒和终末消毒程序,对感染性材料、实验动物尸体、动物粪便等废弃物制定无害化处理程序,并对相关程序进行消毒效果验证和评估。

2.2.5 人员防护 基于风险评估,根据所操作病原微生物特性以及操作内容选择并储备相应级别个人防护设备,包括口罩、帽子、手套、防护服和防护鞋等,如操作气溶胶传播的人兽共患病病原,则还应另外配备正压防护服或正压呼吸器;必须评估个人防护用品的佩戴,防护效果的测试方法,以及针对每个实验人员进行个人防护设备的穿戴正确性评估。

2.2.6 人员素质 熟练的技术能力和过硬的心理素质是影响实验室生物安全的重要因素,必须对这项内容进行风险评估,包括工作人员种类与数量、不同岗位人员对其从事工作风险的了解程度、工作经验、教育背景、身体情况、心理素质和应变能力等。另外在每次开展实验活动之前,还应对相关实验操作人员的健康状况、身体状态、精神状态等进行评估。

风险评估能够评估实验过程中各单位所面临的各类风险,评估风险发生概率并对风险可能带来的影响和损失的可能性进行量化评估,是高等级兽医实验室生物安全风险管理的核心工作。实验室生物安全管理体系的建立、设施设备运行、实验活动的开展、实验材料的运输以及实验室安保等方面均应以充分的风险评估为基础,从而从根本上确保实验室生物安全。