生物安全实验室建设与发展报告

1中外生物安全实验室发展历程 生物安全实验室是指通过防护屏障和管理措施，达到生物安全要求的微生物实验室和动物实验室，包括主实验室及其辅助用房（中华人民共和国住房和城乡建设部，2011）。生物安全实验室是开展传染病防治、生物防范和应用生物安全研究**的实验场所，可为实验人员免受病原微生物感染并防止病原微生物泄漏到外环境提供重要的安全平台。从人类开始在实验室从事病原微生物研究以来，就一直受到病原微生物实验室感染和泄漏的威胁，由此也发展出实验室生物安全这一学科，并逐渐形成由设施设备防护屏障、标准微生物操作规程和实验室生物安全管理体系三大要素构成的现代生物安全实验室概念。本章以时间为主线，以重大事件为节点，梳理了国内外生物安全实验室的发展历程，并介绍了典型生物安全实验室案例，以对生物安全实验室的历史和现状有一个全面认识。 1.1 国外生物安全实验室发展历程及案例 追溯生物安全实验室发展历程，离不开一系列与实验室生物安全相关的重大事件。表1-1列举了近一个多世纪以来重大实验室生物安全相关事件。 表1-1 重大实验室生物安全相关事件 从表1-1可以发现，伴随着病原微生物研究工作出现实验室感染事件，从而提出实验室生物安全的需求。世界各国科学家采用一系列装备、技术来防范病原微生物研究工作所带来的生物危害，并逐渐形成统一的规范、标准，历经了4个阶段：**阶段即1950年前，对生物危害的认识促进了生物安全起步，属于生物安全实验室初期阶段；第二阶段即1950～1982年，生物安全防护屏障的探索与实施，属于生物安全实验室早期阶段；第三阶段即1983～1998年，生物安全指南与标准促进生物安全实验室发展，属于生物安全实验室发展期；第四阶段即1999年后，传染病和生物恐怖防控的需要促进了生物安全实验室建设快速发展，同时国际上生物安全实验室出现融合趋势，着重建立生物安全实验室的合作体系，构建高等级生物安全实验室群，以更好地应对全球一体化所面临的传染病防控和生物威胁新形势，属于生物安全实验室的全球合作发展期。具体见图1-1。 图1-1 中外生物安全实验室发展历程 1.1.1 对生物危害的认识发展了生物安全（1950年前） 这一阶段，科学家通过实验室感染事件意识到从事感染性微生物操作的危害，并且在各自领域采用现在称为“一级屏障”的个体防护装备来自觉进行防护，且通过负压排风过滤来防止污染扩散，但尚未形成“定向流”的概念，也缺少广泛的交流。这一阶段通过对生物危害的认识引出并发展了生物安全。 19世纪末，德国医学家罗伯特 科赫（ Robert Koch）首次运用科学方法证明某种特定的微生物是某种特定疾病的病原，自此开启了有关病原微生物感染致病相关研究的大门（ Dubovsky，1982）。而后，在长达半个多世纪的初步探索阶段，结核分枝杆菌、霍乱弧菌、鼠疫耶尔森菌、痢疾杆菌、伤寒沙门菌等长期困扰人类生命健康的病原微生物相继被发现（Ferrari Sacco and Oliaro，1982；Blevins and Bronze，2010）。20世纪初期，在不断探究病原微生物致病机制的同时，以法国、日本、英国、美国和苏联为主的大国相继开启了研制生物武器的秘密计划。日本军队不仅在二战中将细菌武器用于实战，其臭名昭著的侵华日军第七三一部队，更是在我国哈尔滨试验基地“培养了足以毁灭人类文明的各种令人恐怖的细菌；进行了骇人听闻的以活人为实验对象的种种研究”（郭长建和王鹏，2005）。图1-2即为当时的第七三一部队第四部（细菌生产部）示意图，具备基本的密闭防护条件。二战结束后，1946年3月5日，英国首相温斯顿 丘吉尔发表“铁幕演说”，正式拉开了冷战序幕（罗会钧，2003）。在此后长达半个世纪的时间，以美国、北大西洋公约组织为主的资本主义阵营，与以苏联、华沙条约组织为主的社会主义阵营展开了包含政治、经济、军事斗争等在内的全方位较量。在冷战的前半程，双方均投入大量人力和财力以期能够大规模生产生物战剂，也因此提出了在研究和生产生物战剂过程中的安全防护需求。 图1-2 日本七三一部队第四部（细菌生产部）示意图（郭长建和王鹏，2005） 随着全世界对于病原微生物的认识不断深入，从事相关研究工作的科研机构和从业人员开始逐渐增多，工作所造成的感染也逐渐被人们认识。1893年法国首次报道了世界上**例实验室感染事件，实验人员在培养细菌过程中意外感染破伤风（ Nicolas，1893）。1903年美国一位临床医生在给一位死于全身性芽生菌病的患者进行尸检时刺伤自己导致意外感染，这也是美国境内报道的**例实验室感染事件（Evans，1903）。但直到20世纪初期，有关病原微生物实验室生物安全问题还没有引起人们足够的重视，在科学研究、临床诊断、制剂生产等过程中往往出现研究人员意外感染事件。此后，随着实验室感染的报道范围逐渐扩大，开始系统性研究实验室感染事件，并逐渐形成微生物安全、生物安全的理念。德国科学家曾在1915年、1929年、1930年和1950年四次发表该国实验室感染调查报告，涉及伤寒等疾病研究。1941年，Meyer等报道了74例美国境内和73例境外的布鲁氏菌实验室感染调查结果。1950年，美国公共卫生协会和国立卫生研究院组织进行的全国性实验室感染调查，范围遍及美国近5000家实验室，根据Sulkin和Pike（1951a，1951b）报道，各种实验室感染涉及细菌、病毒、真菌、立克次体和原生动物等70多种病原体，共计1342例，其中39例死亡，但只有三分之一的实验室感染被记录下来。 随着病原微生物研究范围逐渐扩大、种类日益增多、深度不断增强，同时伴随着上述实验室感染的报道也越来越广泛深入，有关病原研究过程中的生物安全防护需求日益凸显。早在19世纪末，以罗伯特 科赫为首的早期微生物学家就已经开始尝试设计简单的生物安全柜用以进行微生物学实验。20世纪初期开始，科研人员开始通过设计各类防护装置来避免实验室感染事件的发生。1943年，由美国人Hubert Kaempf Jr设计的Ⅲ级生物安全柜基本成型，并于1944年被用于美国马里兰州迪特里克的美国陆军生物武器实验室（即美国陆军传染病医学研究所的前身），见图1-3（United States Army Biological Warfare Laboratories，2019）。1947年，美国NIH第7号建筑物成为二战后**座非军方的微生物安全研究实验室。1950年，在美国公共卫生协会组织的学术会议期间展出了生物安全防护一级屏障设备，随后Wedum（1953）发表文献系统介绍了Ⅰ级生物安全柜、Ⅲ级生物安全柜、密封离心套筒、摇床、动物饲养设备等，并列表分析了常见微生物操作的危害。与此同时，在操作病原微生物以及处置传染病患者和传染病疫情过程中的个体防护也逐渐被人们认识，并形成基本统一的规范，包括穿着防护服、佩戴手套，特别是在涉及呼吸道传播病原微生物时佩戴口罩。1910年11月，一场肺鼠疫从俄国贝加尔湖地区沿中东铁路传入中国，并以哈尔滨为中心迅速蔓延，4个月内死亡达6万多人。当时伍连德受政府委派负责调查、应对疫情，在认清病原的基础上，采取了隔离肺鼠疫感染者和健康人群防护的方法，很快扭转疫情。当时起关键作用之一的“伍氏口罩”（图1-4），就是采用普通外科纱布，中间放置一块长130mm、宽200mm、厚15mm左右的棉花，并通过缚带加强口罩与面部的密合度，这也是现代生物防护口罩的雏形。 图1-3 美国陆军生物武器实验室使用的Ⅲ级生物安全柜系列（United States Army Biological Warfare Laboratories，2019） 图1-4 伍氏口罩 1.1.2 生物安全防护屏障的探索与实施（1950～1982年） 1.1.2.1 发展概述 在认识到生物危害的同时，生物安全学科也在探索实验室生物防护措施的过程中逐步建立起来。以美国陆军生物武器实验室的现代生物安全之父阿诺德 魏杜姆（Arnold G. Wedum）为首的科学家科学评估了处理危险微生物制剂的风险，特别是各种微生物操作中产生气溶胶的风险，制定了相应的操作规程和管理办法，使用合理有效的微生物学实验技术，设计研发相关设备和设施（ Wedum，1961，1964）。图1-5（Wedum，1964）为当时设计的小型实验室单元，可供进行大动物（如猴）的气溶胶暴露实验。同时，20世纪60年代早期（ Whitfield，1962；Kruse et al.，1991）提出的单向气流概念开始应用于实验室和生物安全柜，结合同期研究发现的交叉污染和交叉感染等情况，提出将从事感染性疾病研究的实验室进行整体设施改造和区域化管理，逐渐形成实验室防护的思想，以实现对研究人员和周围环境的保护（Wedum，1953；Phillips and Runkle，1967）。随着对实验室生物安全防护屏障的逐步探究，科研人员开始注重实验室选址，开展内部区块化建设，在地板、墙壁、门、窗等部分注意建材选择，给实验室安装供风和排风系统以保持适当的空气流动与压力，同时在水源供应、设备安装等方面充分考虑生物安全问题（Hanel et al.，1956）。实验室生物危害的防护逐渐形成包括风险评估、一级屏障、二级屏障、标准微生物操作规程和实验室管理等在内的综合防护系统。 图1-5 气溶胶暴露实验室平面示意图（Wedum，1964）UV.紫外线 随着生物安全学科的逐步兴起，该领域内专家学者的实践经验得到积累，一些学术会议和学科委员会开始涌现。1955年4月18日，14名代表在美国马里兰州迪特里克营会面，分享美国陆军三个主要生物武器研究实验室在生物、化学、放射和工业安全方面的知识及经验（ Barbeito and Kruse，1997；Kruse and Barbeito，1997，1998）。由于生物武器研究实验室工作的特殊性，这样的会议被要求进行安全审查。1957年开始，除机密会议以外，一些非机密会议开始兴办，以便更广泛地分享生物安全领域的知识和信息。1964年起，美国政府开始组织与生物武器研究不相关的生物安全会议，并在接下来的十年里逐渐扩大到包括来自所有资助或进行病原微生物研究的联邦政府代表。1966年起，生物安全会议开始邀请来自大学、私人实验室、医院和工业领域的代表。整个70年代，参加这些会议的人数持续增加，到1983年开始探讨设立一个正式的组织。1984年，美国生物安全协会（ American Biological Safety Association，ABSA）正式成立。随后各国及国际的生物安全学会或协会等组织相继成立，并于2001年成立国际生物安全工作组（International Biosafety Working Group，IBWG），现更名为国际生物安全协会联盟（ International Federation of Biosafety Associations，IFBA），各协会组织在生物安全学科交流及有关标准的统一中发挥了重要作用（International Federation of Biosafety Associations，2019）。 在此期间，生物安全知识和理论逐渐形成体系，表现为生物安全专著、指南、标准的逐步出现，并昀终形成世界范围内基本统一的生物安全标准。1969年，由Wedum和Kruse主编的《微生物实验室内人员感染的风险评估》出版；1974年，美国CDC编制发布了《基于危害对病原体的分类》（Classification of