高等級生物安全實驗室風險及其對策

靳曉軍，李京京，程洪亮，黃培堂，陸兵

軍事醫學科學院 生物工程研究所，北京 100071

21 世紀以來，世界各地突發公共衛生事件頻繁發生，如2001 年美國的“炭疽郵件事件”，2003 年肆虐亞洲的SARS、H5N1 和H1N1，歐洲口蹄疫疫情，2012 年中東的新冠狀病毒，2014 年西非的埃博拉疫情等，嚴重威脅人類的生命與健康。為加強相關病原體的預防治療能力，探索病原體各項機理，各國紛紛加大對高致病性病原微生物研究的投入，興建了一系列高等級（三級或四級）生物安全實驗室。據統計，英國到2007 年有BSL-3 實驗室347 個，巴西到2009 年有BSL-3 實驗室20 個，美國注冊的BSL-3 實驗室數量由2004 年的415 個增長到了2010 年的1495 個[1]。而我國在高等級生物安全實驗室的建設方面起步比較晚，到2014年6月，通過中國合格評定國家認可委員會（CNAS）認可的BSL-3 實驗室僅41個。隨著各國高等級生物安全實驗室的不斷興建和運行，相關實驗室的安全性引起極大爭論，美國政府問責辦公室（GAO）曾連續撰寫報告質疑美國新建高等級生物安全實驗室的必要性與安全性[2-3]，美國疾病預防控制中心（CDC）去年6 月和12 月相繼發生的實驗室炭疽事件[4]和埃博拉事件[5]更增加了人們對實驗室生物安全的擔心。實驗室，特別是高等級生物安全實驗室的生物安全風險評估及控制措施，對確保實驗室安全運行，保障工作人員、周邊公共安全甚至社會安全具有重要意義。我們綜合國內外高等級生物安全實驗室事故案例與實驗室管理經驗教訓，分析了高等級生物安全實驗室運行中的主要風險，并提出相應的風險控制策略，以供生物安全實驗室建設和管理參考。

1 高等級生物安全實驗室主要生物安全風險

高等級生物安全實驗室主要從事高致病性病原微生物的實驗活動，人為偶然或失誤、管理不嚴、設施設備故障、程序問題、人為惡意使用等情況均可造成病原體的暴露或泄漏，引起安全事故。高等級生物安全實驗室生物安全風險按生物因子暴露方式可分為以下三類，即實驗室內人員暴露和感染、實驗室外環境泄漏、生物因子的惡意使用與意外丟失。

1.1 實驗室內人員暴露和感染

一直以來，實驗室內人員暴露和感染事故時有發生。據Pike[6]文獻調研和問卷調查統計，1930～1978年，有4079例實驗室獲得性感染（LAI）發生，造成168 人死亡，而且很多實驗室并不公開他們的感染病例，真實數據還會更大。據Harding 等[7]統計，1978～1999 年，世界范圍內報道了1267 例LAI 案例，其中22 人死亡。美國CDC 于2010 年報道，美國從事管制生物劑（Select Agent）操作的實驗室在2003～2009 年間共發生395 次生物劑逃逸事件，并統計了這些事件發生的原因（表1）[8]，可見實驗室內暴露感染事件發生相對頻繁。

2003 年末，西雅圖某實驗室開始并在接下來的幾個月內多次使用麥迪遜氣溶膠室開展豚鼠結核桿菌暴露實驗，到2004 年3 月，3 名工作人員結核檢測由陰性轉變為陽性，后經事故調查發現暴露原因為麥迪遜氣溶膠室一個氣流計有泄漏，而在實驗時這些工作人員并未配戴呼吸防護裝備[9]。事故的發生暴露了實驗室在運行管理中對麥迪遜氣溶膠室安全性能的檢測與監測并不嚴格，幾個月的工作中都未能及時發現泄漏位置；同時，實驗室工作人員防護意識不夠，在實驗中未按要求配戴呼吸防護裝備，實驗室管理人員也未糾正這種錯誤，增加了暴露的風險。2005 年3 月，美國北卡大學一個BSL-3 實驗室排風扇發生故障，由于實驗室缺陷導致風機持續工作并將安全柜內含結核桿菌的空氣吹向房間，致使實驗室內實驗人員暴露于結核桿菌氣溶膠下[10]。實驗室運行中設施設備故障難以避免，但該實驗室關閉安全報警系統，使得安全柜風向變化未被及時發現，釀成事件的發生。2010 年，印度希薩爾一位研究者在實驗室冷凍干燥水牛痘病毒（BPXV）隔離株時意外被安瓿碎片刺穿丁腈手套傷及右手手掌。事故調查發現破裂的玻璃安瓿因為-80℃預冷凍出現毛細裂紋，放入凍干機時破裂，刺傷研究人員[11]。該實驗室購買的玻璃安瓿較薄，易碎性較高，-80℃預冷凍更增加了破裂的風險，事故后實驗室才重新訂購新安瓿管，并將預冷凍溫度降為-60℃，以減少安瓿破裂風險。

結合表1 與上述事故，實驗室內人員暴露感染的原因可以分為以下幾類：①實驗室設施設備故障與程序問題。實驗室防護設施設備與個人防護裝備是人員安全最重要的保障，相關設備（如安全柜、隔離器、離心機、口罩、手套等）的故障會導致病原體擴散，增加人員暴露的可能。實驗室運行程序能保證實驗室負壓梯度與風向，程序意外可能造成實驗室污染區空氣污染半污染區與清潔區，引起相關人員暴露風險。②實驗前風險評估不充分。風險評估是實驗準備的重要組成部分，完善的評估能明確實驗過程中的風險與處置方法，風險評估不充分會造成不能規避風險意外或事故后不能及時安全處理。③實驗人員操作水平不熟練或操作意外。高等級生物安全實驗室實驗操作與普通實驗室有區別，實驗人員操作培訓不夠或經驗不足，長時間疲勞工作，注意力不集中，都會增加實驗意外的可能。④人員安全意識缺乏。實驗人員個人安全意識淡薄，心理素質不好會增加實驗意外發生的可能，在事故發生后不能及時安全處理，規避風險。

表1 美國2003～2009年發生的實驗室管制生物劑可能逃逸事件[8]

1.2 實驗室外環境泄漏

實驗室外環境泄漏事故經常會危及實驗室工作人員和周邊公眾安全，造成嚴重的影響。1979 年3月，前蘇聯斯維爾德洛夫斯克生物武器生產基地的炭疽生產車間因工作人員交接失誤，使得車間在排風管道沒有安裝過濾器的情況下運行，導致含炭疽芽孢的粉塵直接排出車間，感染了周邊人員和環境，據報道，該事故共造成96人感染，66人死亡[12-13]。后來發現事故原因是人員交接時換下過濾器未及時安裝新過濾器，導致炭疽氣溶膠擴散出實驗室。2007年，英國發生口蹄疫疫情，最終調查證實病毒來自位于疫情暴發點附近的實驗室，實驗室含口蹄疫病毒的污水從裂口漏出污染周圍土壤，其后經過的車輛又將受污染的土壤帶到外面的農場，最終導致疫情暴發[14]。2014 年6 月，美國反生物恐怖主義快速反應和先進技術處（BRRAT）實驗室將炭疽標本從BSL-3 實驗室轉移到只能處理滅活標本的BSL-2 實驗室后發現標本可能仍有活性，導致81 名工作人員存在炭疽暴露的可能[4]。同年12 月，亞特蘭大CDC VSPB 實驗室一位實驗員無意中將可能含活埃博拉病毒的樣品帶出BSL-4實驗室到BSL-2實驗室并進行核酸檢測，過程中存在人員埃博拉暴露風險[5]。

實驗室與外環境在人、物、氣、液上都有交通，在這過程中就可能將病原體攜出，造成外環境污染。按攜出途徑不同，實驗室外環境泄漏可分為以下幾類：①物品攜出。樣品攜出時樣品表面與包裝沾染、樣品活性性質變化都會造成危險病原體的泄漏；同樣，實驗中儀器設備攜出維修也可能帶出病原體；廢品高壓失敗卻在實驗室外打開高壓鍋也會導致病原體的泄漏。②人員攜出。人員在實驗室內沾染或感染病原體，離開實驗室時可能帶出致病病原體，感染他人。③氣體攜出。排風高效過濾器泄漏或實驗室密閉性不嚴是實驗室病原體氣溶膠外環境泄漏的主要原因。④廢水攜出。實驗室產生的大量污水需要污水處理系統處理后才能排放，污水管道泄漏或污水處理失敗后的意外排放都會造成污水中病原體泄漏到外環境。

1.3 生物因子的惡意使用與意外丟失

隨著高等級生物安全實驗室的不斷增多和持續運行，危險生物因子數量、位置和能接觸到的人員范圍越來越大，使得實驗室保存、使用的危險菌毒種和樣品的安全管理工作愈加困難。1991 年美國馬里蘭州德特里克堡一個軍事實驗室發現丟失了27 個樣本，樣本主要為感染炭疽、埃博拉的動物組織，到現在仍不清楚這些樣本的去向[15]。2001 年，美國發生了令世人震驚的“炭疽郵件事件”，造成22 人感染，其中5 人死亡，是生物因子惡意使用的典型案例。根據分析調查和多方證據，最終確定該惡性生物恐怖事件的始作蛹者是在美國陸軍傳染病醫學研究所（USAMRIID）工作27 年之久的高級微生物學家Bruce Edwards Ivins 博士[16]。2005年9月，美國紐瓦克UMDNJ BSL-3 實驗室內3 只攜帶鼠疫的實驗小鼠從隔離的鼠籠失蹤；2008 年12 月，該實驗室內2只冰凍的感染鼠疫的實驗小鼠尸體丟失[17]。

實驗室病原體管理工作是實驗室安全保障的重要組成部分，病原體存儲位置和數量、使用與銷毀情況的監督控制對確保實驗室內病原體不被惡意使用或意外丟極為重要。混亂的菌毒種保藏管理工作會導致病原體實際情況與記錄不一致，菌毒種混淆，人員易接觸。同時，能接觸菌毒種的相關人員的心理情況也很重要，管理人員應該關注相關人員心理健康，避免菌毒種被惡意使用。

2 高等級生物安全實驗室風險控制策略和建議

高等級生物安全實驗室的風險控制需要各個部門的共同努力協作，其中實驗室管理和工作人員需要做好實驗室設計建設、人員培訓考核、實驗風險評估、實驗室運行監控與檢查、高危病原體管理、安全事故匯報處置等各方面工作，降低實驗室安全事故發生概率，控制事故危害程度，并從以下幾方面減少實驗室風險。

2.1 實驗室建設與管理

2.1.1 實驗室設計與建設 實驗室設計與建設需要進行多方論證，避免安全漏洞，各種關鍵安全設施設備（如高效過濾器、安全柜、高壓滅菌器、污水處理系統等）嚴格按照國家各項標準法規進行檢測驗證，并在運行過程中定期監測，及時維護，保障實驗室隔離防護安全。

2.1.2 實驗室程序運行與安全監督 實驗室程序運行能保障實驗室負壓與風向，避免病原體氣溶膠的擴散污染，在實驗中要嚴格監控負壓梯度要求，避免風從相對污染區吹向相對清潔區，確保報警系統的正常使用，同時必須設有不間斷電源，保障停電等意外情況下的安全撤離。實驗室風險區域需要進行持續的攝像監控與數據監控，保障實驗過程一直處在可視范圍內。

2.1.3 實驗設施設備安全性 實驗室設施設備（如安全柜、離心機、搖床等）需要定期進行檢測維修，確保使用過程中的安全性；實驗室內應避免設備棱角的存在，減少銳器和玻璃制品的使用，配備降低銳器損傷風險的裝置和建立操作規程，減少人員外傷的風險；實驗室還需要采取有效的防昆蟲和嚙齒類動物的措施，如防蟲紗網、擋鼠板等。

2.1.4 實驗風險評估 開展實驗前需要進行嚴格的風險評估，明確實驗病原體的危險性與實驗風險，做好預防措施（如注射疫苗、口服抗生素、準備抗血清等）；加強實驗人員操作培訓與安全培訓，嚴格準入考核，進行個人防護裝備適配型驗證；針對可能的意外情況做好風險預案（如外傷、人員暈倒等事故的處置方案），建立緊急撤離與外圍隔離救治方案等。

2.1.5 “三廢”管理與終末消毒 實驗過程中要嚴格“三廢”排放標準，高壓滅菌器、污水處理系統和排風高效過濾器等處理關鍵設備的安全性能、滅菌性能是實驗室外環境安全的保障，實驗中必須做好高壓滅菌效果監測、污水處理排放監測、排風口微生物采樣監測，使用經過驗證的消毒方法并確保消毒用品的質量，保證“三廢”排放的安全性。終末消毒需要全面有效，覆蓋實驗室所有風險區域并進行消毒效果評價，使用過的高效過濾器也需原位消毒處理。

2.2 實驗人員安全性

2.2.1 實驗操作 實驗人員需要加強實驗操作培訓，提高實驗技術能力，減少實驗操作意外的發生；進入實驗室前須檢測個人防護裝備情況，確保防護安全；實驗設計應盡量避免在實驗中使用銳器、玻璃制品，盡量以塑料制品代替，如必須使用，要嚴格遵守操作要求，確保人員安全；實驗前須明確實驗意外事故處置預案方法，遇到意外情況及時匯報，按規定處理或退出。

2.2.2 實驗人員安全意識與心理素質 實驗人員在實驗室內要牢固安全意識，遵守實驗室操作規定，減少失誤或危險操作；強化心理素質，不懼怕事故，遇事沉著應對處理。實驗前嚴格監測體溫等數據，不在身體不適的情況下進入實驗室，如有疑似感染癥狀，應及時匯報，接受醫療評估、監護和治療。

2.3 實驗室病原體管理

2.3.1 菌毒種庫管理 有菌毒種庫的實驗室需要嚴格管理，菌毒種或樣本保存、使用、銷毀與運輸必須嚴格按照《人間傳染的病原微生物菌（毒）種保藏機構設置技術規范》［WS 315-2010］、《可感染人類的高致病性病原微生物菌（毒）種或樣本運輸管理規定》等一系列法律法規要求執行，加強監控系統，明確菌毒種數量位置，嚴格記錄菌毒種的使用銷毀情況，確保雙人雙鎖，杜絕單人單獨接觸菌毒種，并定期或隨機核查以保障菌毒種處于可控狀態。

2.3.2 實驗使用病原體管理 實驗室需要對實驗項目進行嚴格審核，嚴格實驗過程管控，加強實驗室使用過程中微生物樣本的管控，嚴格樣本進出登記、培養制備記錄、廢棄物處理記錄、雙人工作制度等，嚴格攜出樣品表面消毒，確保運輸安全，杜絕開展未經授權的病原體研究。

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