动物高级别生物安全实验室大型影像设备应用探讨

王 瑶，韩建保，林静雯，钟 瑜

（四川大学华西医院生物安全实验室，成都 610041）

0 引言

近年来，严重急性呼吸综合征冠状病毒、中东呼吸综合征冠状病毒、寨卡病毒以及新型冠状病毒等高致病性病原微生物引起的国际化疫情对公共卫生和经济发展构成严重威胁，促使各国将生物安全作为社会稳定和国家安全的重要前提[1]。为了防范和应对生物安全风险、保障人民生命健康，我国颁布了《中华人民共和国生物安全法》，将高致病性病原微生物和新发、突发传染病的研究及应对提到战略高度，将生物安全作为国家整体安全的重要组成部分。为落实《中华人民共和国生物安全法》的有关规定，加强与人体健康有关的病原微生物实验室生物安全管理，规范病原微生物实验活动，我国将病原微生物分为4 类，第一、二类统称为高致病性病原微生物，涉及动物实验的高致病性病原微生物的研究需要在动物高级别生物安全（animal biosafety level 3/4，ABSL-3/4）实验室进行[2-3]。影像设备广泛用于生物医药、临床检测等领域的动物实验中，但由于价格昂贵、工作条件苛刻、气溶胶控制方案缺失、消毒灭菌方法不健全等因素，大型影像设备在ABSL-3/4 实验室中的应用阻碍较大，国内外关于ABSL-3/4 实验室应用大型影像设备研究高致病性病原微生物的报道相对较少[4-5]。

本文结合国内外相关文献、调研及应用经验，对CT、PET/CT、MRI 及动物活体成像仪应用于ABSL-3/4 实验室的阻碍、方案、风险评估及控制、消毒灭菌方案等进行探析，以期为ABSL-3/4 实验室配置大型影像设备提供参考，推动高致病性病原微生物研究及生物安全领域的发展。

1 影像设备在ABSL-3/4 实验室中应用的阻碍

CT、PET/CT、MRI 及动物活体成像仪等大型影像设备已广泛应用于生物医药研究领域，加速病原微生物的研究进程，助推生物医药与大健康产业的高质量发展[6]。然而，以上设备在ABSL-3/4 实验室中的应用仍存在较大阻碍，主要表现为：（1）需同时满足ABSL-3/4 实验室设计、建筑规范及设备工作环境的要求。（2）大型影像设备对空间需求较大，ABSL-3/4实验室核心区相对狭小，无法满足设备空间布局、人员安全操作等需求。（3）设备运维专业性强，厂家维保人员缺乏在ABSL-3/4 实验室开展维保工作的经验及生物安全意识。（4）实验操作难度大，正压防护服、正压头套、防护面屏及多层手套等个人防护装备严重影响操作人员操作的灵活性和精准度，增加操作人员被实验动物抓、咬伤及被利器刺伤、割伤的风险。（5）缺少有效控制气溶胶污染设备的措施或硬件设施。（6）缺少安全有效的消毒灭菌方法，消毒剂易腐蚀、损坏设备的精密器件，降低设备精密度及减少其使用寿命。（7）ABSL-3/4 实验室动物实验及影像设备操作人员数量相对较少，缺乏复合型人才。

2 不同影像设备应用探讨

2.1 CT 及PET/CT

CT 广泛应用于临床前研究及临床检测，可对不同组织器官及全身进行横断面测量与三维重建，提供高分辨力的骨骼和肺部结构图像，加入造影剂还可进行软组织成像。PET 是一种核医学影像技术，PET与CT 或MRI 结合时，利用放射性示踪剂可更精确地定位到器官内特定区域[5]。PET/CT 广泛用于神经学、肿瘤学及心脏病学等研究领域[7-8]。CT 与PET/CT广泛用于生物医药研究中的实验动物成像，如小鼠、兔、狨猴、猕猴及雪貂等[9-13]。

Scanga 等[4]表明H2O2可对PET/CT 的部分精密元器件造成损伤，ABSL-3/4 实验室配置CT 或PET/CT 需考虑消毒灭菌时对精密元器件的损伤和运维的便捷。Byrum 等[14]在ABSL-4 实验室设计成像专用房间，通过密封通道将设备分为2 个部分，分别安装于风险等级不同的2 个房间：一个房间设置为污染间，放置机床部分，用于动物准备及检测；另一个房间设置为洁净间，放置核心部件，工作人员在洁净间操作仪器（如图1 所示）。房间之间用密封材料隔离，将特制密封导管放入成像通道中，连接2 个部分并隔离成像部件，以保证成像质量及生物安全，避免核心部件被污染，降低消毒频次，减少仪器损伤。Rausch 等[15]及Kahlaoui 等[16]参考该方案将PET/CT 应用于ABSL-3 实验室，采用8 mm 透明聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methyl methacrylate，PMMA）制作密封导管，实验表明8 mm PMMA 不会显著改变PET/CT 成像质量。另外，Davis 等[17]开发了一种不易碎的密封透明离心瓶作为ABSL-3 实验室的成像隔离装置（适用于研究结核分枝杆菌），该瓶带有垫圈螺旋盖和气体通道口，在进/出气口使用2 个0.22 mm 的过滤器（如图2 所示），动物被麻醉后密封在该装置内，经表面消毒后进行CT 或PET/CT 成像。

图1 CT、PET/CT 及MRI 在ABSL-3/4实验室中的放置方案

图2 密封透明离心瓶的设计方案

Byrum 等[14]将设备分隔于污染程度不同的房间，并通过密封管道避免设备主体与感染性动物或气溶胶接触，避免设备被污染，减少消毒灭菌。参考该方案时需注意房间之间及管道的密封性，建设时预留足够空间及穿墙孔径，局部密封建议采用防水膨胀填充剂，管线穿墙采用穿墙密闭器，密封后验证密封效果。除密封性外，管道材质应不显著影响成像质量，不易碎、不易划花且耐消毒灭菌。Scanga 等[4]指出PET/CT极重且产生有害辐射，ABSL-3/4 实验室安装PET/CT 时需根据其承重要求对楼板加固，并将实验室设置为防辐射铅房，另外实验室内还需配备防辐射生物安全柜进行实验前处理。此外，实验涉及放射性同位素，具有放射性与感染性的废物应暂存于密闭性防辐射垃圾桶中，依据放射性同位素半衰期，监测达到豁免级别后进行高温灭菌处理。在ABSL-3/4 实验室内配置CT或PET/CT 时，可参考以上注意事项及建议，综合评估应用方案、气溶胶控制措施及消毒灭菌方案。

2.2 MRI

MRI 不依赖有害电离辐射，可无创扫描，对动物进行活体状况下的解剖及成像，获得高对比度、高分辨力、多参数的影像信息[5，18-19]。MRI 广泛应用于实验动物成像，可深入探索实验动物体内精细复杂的生理及代谢变化，加快突破病原微生物研究和疫苗药物研发中的障碍，使生物医药研究达到全新深度和广度。

Byrum 等[14]仍采用将MRI 分2 个部分后物理隔离的方法将其应用于ABSL-4 实验室。Keith 等[20]研究表明，安装于MRI 主孔道的射频接收线圈及其他专用体外线圈不耐受强腐蚀性消毒剂，宜开发耐消毒、更换成本低的线圈或内部线圈。据本实验室团队调研，MRI 的使用须同时满足ABSL-3/4 实验室及其应用环境、电气、干扰等指标要求。MRI 所需空间大，需配置主控室、扫描间及设备间，建议房间层高4.2 m，远离震动源，与电梯距离大于10 m。MRI 重达8～10 t，安装时需对房间楼板进行承重加固处理。MRI 扫描间为强磁区域，需设置屏蔽装置，房间内不可放置铁磁性用品、实验器械、仪器设备及超出安全界限的磁性数据载体。此外，MRI 运行需液氦，氦气无味无毒、蒸发时形成冷雾，小于空气密度，根据ABSL-3/4 实验室要求，气体须经高效过滤单元过滤后排出，MRI 运行产生的少量氦气可通过房间排风系统（换气次数大于15 次/h）排出，不会造成危害。但当磁体紧急失超、自行失超或失超管破裂时，大量氦气泄漏到房间内，可能出现排风系统无法处理的情况，造成氧气体积分数降低从而存在人员窒息的风险，救援及后续处理困难。建议安装前设置足够的排风系统冗余，配置氧气体积分数监测报警装置（数据实时发送到中央控制室并设声光报警）及便携紧急呼吸装置，并进行全面的风险评估，制订预防及应急措施，严格按照ABSL-3/4实验室及失超管安装要求设置管径、长度、最大压降、排放口倾斜度、保护措施及周围阻隔物等。

为满足实际应用需求，MRI 应便于持续麻醉操作，配有麻醉系统预留孔及相应配件，具备高效、高质量的扫描程序，缩短成像时间。厂家及使用方应开发大小鼠、实验兔、雪貂、非人灵长类及猪羊等常用实验动物的专用线圈。目前，在ABSL-3/4 实验室应用MRI 困难仍然较多，开发满足动物需求、保证成像质量同时加快扫描速度、耐消毒且实现自屏蔽、无液氦的新型MRI 将降低其在ABSL-3/4 实验室的应用困难。

2.3 动物活体成像仪

作为非侵入性的活体成像方式，生物发光成像在中小实验动物模型中应用广泛[21-22]。生物荧光或荧光探针可直接与病原微生物结合，追踪宿主体内病原微生物感染过程，跟踪免疫细胞迁移，评估宿主对感染的反应[23-27]。作为一体式影像设备，动物活体成像仪能减少研究所需实验动物数量，有效跟踪实验动物体内感染免疫进展、细胞运输和基因表达过程，并广泛用于新型冠状病毒、流感病毒及埃博拉病毒等研究中[28-32]。动物活体成像仪本身不具备对感染性样本或实验动物物理密封的能力，由于特殊的结构及配置，其腔室内表面及部分部件难以彻底地消毒灭菌，该设备在ABSL-3/4 实验室进行感染性实验动物的成像时，需要对传输光路、气体麻醉系统等进行改造或设计专用隔离装置，防止设备、人员和实验室环境受到污染[33]。

为在ABSL-3/4 实验室应用动物活体成像仪，降低成像过程中感染性样本或实验动物对设备的污染，Alderman 等[33]设计了一种可控制感染性样本及动物的隔离成像盒。该成像盒由特制材料制成，对成像质量影响微弱，盒盖与底座之间设置橡胶圈，保证关闭时的气密性，另外供、排气管道连接高效空气过滤器（high-efficiency particulate arrestance，HEPA），在保持实验动物呼吸及麻醉的情况下防止气溶胶扩散。该研究对成像盒进行HEPA 过滤效率、气密性及压力衰减检测，结果均达到在ABSL-3/4 实验室中使用的生物安全要求。在实际使用时，该成像盒仍有较大限制，如只能单次单只动物成像、底板不透光、不能使用成像仪的透射模式，局限了动物活体成像仪的功能。根据动物活体成像仪在ABSL-3/4 实验室的实际使用需求，该成像盒的底板应采用透明透光材质，保证透射模式的应用及成像质量。成像盒内可设置物理隔断，保证多只动物同时成像，增加控温加热模式或生理检测模式，保证长时间成像时被麻醉动物不失温死亡。该成像盒的供、排气除增加HEPA 外，末端应具备废气收集或处理系统。Scanga 等[4]设计了一种感染性气体处理系统，该系统可在成像的同时保持动物麻醉状态，动物呼出的感染性气体通过HEPA 及活性炭处理，从而有效控制气溶胶扩散，使用后的气体处理系统可通过H2O2消毒。据本研究团队调研，部分活体成像仪及成像隔离盒已应用于ABSL-3/4 实验室，可一定程度上耐受H2O2或其他消毒剂腐蚀。

3 讨论

研究高致病性病原微生物致病机理、验证治疗方法及药物有效性和安全性时，应用动物模型再现类似人类感染的临床症状及免疫反应必不可少[34-35]。研究表明，实验人员是实验室获得性感染（laboratoryacquired infections，LAIs）最常见的感染者，多由吸入感染性气溶胶、与污染物表面直接接触、被动物咬伤、锐器刺伤等原因导致，而动物实验人员往往面临更大的LAIs 风险[36-37]。基于此，ABSL-3/4 实验室应对人员防护、仪器及实验动物操作制订完善的风险评估、生物安全防护措施、标准操作规程及应急预案等，避免LAIs 的发生。此外，ABSL-3/4 实验室需加强人员理论及实操培训，培养专业运维人才及实验人员，关心人员心理及身体状态，避免外界或身体因素导致的LAIs。

CT、PET/CT、MRI 及动物活体成像仪适用于动物无创、半无创或解剖成像，可在高致病性病原微生物的感染免疫研究、疫苗及药物的研发过程中提供连续、动态的影像评估，并具备减少实验动物数量的优势[38]。针对影像设备与ABSL-3/4 实验室对环境要求的特殊性，建议ABSL-3/4 实验室洁净度设置7 级或8 级，高于设备洁净度要求，设置相对湿度为50%～70%，温度为20～22 ℃。大型影像设备承重要求多大于500 kg/m2，设计初期需完善配置需求及要求，研讨设备布局，设计楼板承重，建议将其布置于一层或进行楼板加固，并考虑防辐射设计，排除周围震动或电离干扰等影响因素。除安装及防护外，影像设备在ABSL-3/4 实验室的消毒灭菌也是一大难题。通过熏蒸对ABSL-3/4 实验室消毒灭菌时，需考虑消毒灭菌效果及消毒剂是否对房间/设备表面造成损伤、操作简便性及成本等问题。H2O2作为ABSL-3/4 实验室设备及空间的熏蒸消毒剂，能有效杀灭多种病原微生物且不对房间表面及传递窗、生物安全柜等设备表面造成损害，配合芽孢生物指示剂够够评估消毒灭菌效果[39-42]。而甲醛熏蒸消毒会残留沉淀物及刺激性气味，短时间较难去除，对房间表面及设备造成一定腐蚀，对人体黏膜组织及肺部造成严重损害且致癌。目前，各研究报道的影像设备污染控制和消毒灭菌方法在满足生物安全前提下仍存在一些无法避免的限制，如需要改造成像设备的硬件以兼容密封屏障，改造过程较为复杂，改造后设备的灵活性降低或缺失部分功能，腐蚀性消毒剂缩短设备寿命，一次性元件增加设备成本等[5]，仍需根据ABSL-3/4 实验室研究的高致病性病原微生物开发消毒灭菌效果好并且对设备损伤小的消毒方案或消毒剂。

4 展望

尽管ABSL-3/4 实验室配置大型影像设备仍存在诸多挑战及限制，但其可帮助ABSL-3/4 实验室更好地研究和揭示高致病性病原微生物的致病机制、病理特征及临床表现，在科学研究和医药研发等方面发挥着重要作用。CT、PET/CT、MRI 及动物活体成像仪等大型影像设备应用于ABSL-3/4 实验室是高致病性病原微生物研究发展的必然趋势，设备厂家及使用者需共同研究将其应用于ABSL-3/4 实验室的方案，研发对高致病性病原微生物消毒灭菌效果好且对设备损伤较小甚至无损伤的消毒剂和消毒方案，加强培养多学科、多领域交叉的复合型人才，突破人才缺乏的阻碍。相信在各方不断研究及探索下，高致病性病原微生物的研究将更加深入，生物安全领域建设及发展将更加深入、完善、全面。