動物源細菌耐藥性監測實驗室菌株管理系統建設研究

程 敏,李 霆,崔明全,趙 琪,張 璐,陳 玉,王鶴佳,張純萍*

(1．中國獸醫藥品監察所,北京 100081;2．農業農村部動物源細菌耐藥性監測重點實驗室,北京 100081)

細菌耐藥性是21世紀全球面臨的重大公共衛生威脅之一,國際社會高度重視,并采取了一系列聯合行動,來遏制細菌耐藥性的發展[1],但目前其蔓延之勢仍未得到有效控制,僅2019年就有超過120萬人直接死于耐藥細菌感染[2]。《中華人民共和國生物安全法》規定應對微生物耐藥是生物安全的八大領域之一,遏制耐藥性已經上升到國家安全的戰略高度。多部委聯合制定了《遏制微生物耐藥國家行動計劃(2022-2025年)》,以積極應對微生物耐藥帶來的挑戰[3]。

動物源耐藥細菌可通過直接接觸或食物鏈等多種方式向人類社會和生態環境傳播[4],不僅影響動物健康和畜牧業健康發展,還會影響食品安全、公共衛生安全與生態安全,因此動物源細菌耐藥性的防控是國家遏制細菌耐藥行動的重點內容之一。

耐藥性監測是耐藥性防控工作的基石。農業農村部動物源細菌耐藥性監測體系(以下簡稱“監測體系”)實施年度監測計劃,對我國畜禽養殖和寵物來源的細菌開展耐藥性主動監測[5],監測數據實時上報至農業農村部動物源細菌耐藥性監測數據庫進行管理和分析(以下簡稱“監測數據庫”)[6]。

耐藥菌株蘊含重要的基因資源和數據資源,在細菌耐藥性防控領域中的重要性不言而喻。動物源細菌耐藥性監測實驗室通過多年監測工作,積累了豐富的菌株資源,這些菌株的管理同時具有資源安全意義和生物安全意義。目前監測菌株的管理多依賴于電子表格、粘貼標簽、人工定位和手工動態管理等方式進行,存在菌株混淆、錯亂、失活等諸多風險,且由于監測任務承擔單位的變遷和從業人員變動,歷史菌株資源的丟失風險增加,如何確保監測菌株的安全高效管理,是耐藥性監測工作目前急需解決的問題。

本項目依據生物安全管理規定,面向耐藥性監測實驗室的細菌保藏管理需求,運用數字化信息化管理手段,建設了一套有針對性的菌株管理系統,以期提高監測實驗室菌株管理工作的規范性、安全性和高效性,同時為耐藥性監測工作的溯源、回顧及科技創新提供可靠的資源儲備。

1 菌株管理系統的構成

耐藥性監測實驗室菌株管理系統由低溫存儲設備、附碼凍存管、掃描器和信息管理軟件組成,主要功能如下。(1)低溫存儲設備:一般采用-40 ℃～-80 ℃超低溫冰箱,內置抽屜式結構層架,適用于菌株的長期保藏;(2)附碼凍存管:使用三碼合一的專用附碼凍存管,將條形碼、二維碼和數字碼分別激光蝕刻于凍存管側壁和底部,長期低溫冷凍條件下保持清晰無磨損,避免了傳統粘貼標簽標記菌株的方式導致標簽損毀、脫落,進而丟失菌株信息的情況出現;(3)掃描器:與專用附碼凍存管配合使用,用于凍存菌株的快捷掃碼操作;(4)信息管理軟件:采用MySQL數據庫和C++語言開發工具,基于C/S架構,集合了菌株的位置信息管理、屬性信息管理、檢索統計功能、使用過程管理等功能。

2 菌株管理系統的使用

2.1 菌株保藏庫的構建 根據實驗室菌株的種類、數量和低溫存儲設備結構等條件,規劃存放位置,制定存儲設備中各層級的編碼規則,高效使用保存空間。

信息管理軟件為菌株位置信息提供可視化管理(圖1)。軟件操作界面分為虛擬建庫、菌株管理、屬性管理三個功能區。虛擬建庫區(圖1A)根據所用低溫存儲設備內部層架結構自定義樹狀結構導覽,可設置最多5級結構(例如:庫-區-列-層-盒),與實體庫的結構位置完全映射。菌株管理區(圖1B)模擬凍存盒結構展示菌株存放情況,不同的樣本類型可通過自定義圖標加以區分。

A. 虛擬建庫區(zone for virtual library creation);B. 菌株管理區(zone for strains management);C. 屬性管理區(zone for properties management)圖1 信息管理軟件主界面Fig 1 Main interface of information management software

2.2 菌株實體的錄入 在菌株管理區選中要存放菌株的孔位(單選或多選),利用掃描器掃描凍存管的條形碼或二維碼即可實現凍存菌株的錄入,支持少至單個、多至整個凍存盒的菌株的錄入操作,簡單快捷。

2.3 菌株信息的錄入 軟件操作界面的右側是屬性管理區(圖1C),在菌株管理區選中某個菌株圖標后,屬性管理區則顯示相應菌株的屬性檔案。

信息管理軟件中菌株檔案的創建是菌株管理的基礎工作。菌株屬性檔案的條目可根據實際工作需求進行設置,而且不同菌株類型可設定不同的屬性條目。本實驗室根據耐藥性監測工作的實際,為所存菌株設置了來源、特定藥物的敏感性數據、存入時間和取用次數等屬性數據,另外通過“數據庫編號”這一屬性與監測數據庫[6]進行映射,能夠進一步獲取菌株更全面的信息。

利用編輯功能可以對單一菌株數據進行創建編輯,也可以在做好數據準備工作的基礎上,一鍵批量導入,實現菌株信息的快速新建。數據準備工作包括模板創建、菌株信息電子表格創建、屬性條目對應和凍存盒位置對應。菌株相關的培養、質譜檢測以及核酸分析的實驗數據均能以相應格式文件與本菌株關聯存儲在屬性管理區,確保菌株數據可溯源,提升實驗室數據資源的共享性、流動性和安全性。

2.4 菌株檢索與統計 信息管理軟件設計了快速搜索功能,支持單一菌株查找并快速定位;高級搜索功能則提供多種組合條件的查詢,查詢條件可在存儲位置和屬性檔案條目里自定義選擇,實現快捷高效的信息檢索。

對于如致病菌、罕見耐藥菌等需要使用者重點關注的特殊菌株類型,可設置警告標識,在菌株管理區以醒目的標記向使用者進行風險提示,確保生物安全。

系統具備的基礎統計功能可實時展示菌株的數量、種類、位置等保存情況,并以圖表形式直觀呈現。

2.5 菌株使用過程的管理 使用過程管理是菌株管理的難點工作,一般需要專人專管并實時更新菌株的使用和流動情況,以確保菌株安全和生物安全。本系統針對本實驗室細菌使用過程管理的需求,通過設計相關提醒和記錄功能,完成使用過程的管理。

2.5.1 用戶角色管理 系統根據實驗室生物安全級別和菌株類別設置了包括超級管理員、管理員、工作人員、研究生、其他共5等不同的用戶角色,將軟件使用的具體操作分門別類,并按照角色等級賦予不同范圍的操作權限。用戶注冊系統時根據確定的角色類別獲取相應的使用權限。

2.5.2 菌株的使用管理 實驗室管理上嚴格落實菌株實體庫的雙人雙鎖制度,并將信息管理系統的使用與實體庫的開啟緊密綁定,確保使用人員及其操作可追溯。

菌株取出和取出后再次存入通過掃碼實現;也可以在菌株管理區選中菌株圖標,右鍵單擊彈出操作菜單,進行取出、錄入、刪除等多項操作。菌株取出后,如果再次啟動管理系統時仍未放回,其存放位置則以紅色邊框突出顯示,同時彈窗提醒未放回菌株的具體信息。

保存時間較長和反復凍融的菌株失活風險增加,需要定期進行復活傳代。信息管理軟件可根據使用人員預設的最長保存期限和最大取出次數,在到期前定時開始出現“菌株即將過期提醒”彈窗。

菌株位置需要改變時,軟件的樣本移動功能支持單個/多個菌株保存位置的快速變更,變更位置可至本系統的所有位置(圖2)。如果遇到凍存盒散落、凍存管亂放等突發情況時,通過掃碼可實現快捷糾錯,可按照歷史位置歸位錯亂菌株,也可接受新位置,并帶著原菌株檔案更新信息。

圖2 信息管理軟件的樣品移動功能Fig 2 The sample migration function of information management software

2.5.3 日志管理 系統設置了日志功能,對系統登錄和菌株使用情況進行多時序保存。日志檢索功能可按照人員、時間、操作、菌株進行分類展示和篩選,方便追蹤耐藥菌株的流動情況,為實驗室生物安全提供有力保障。菌株取用時,強制登記使用目的和使用后的處理方法,后期可對取用日志進行獨立檢索查詢,確保用菌安全。系統具備定期備份功能,確保數據信息的安全。

3 討 論

日益嚴峻的抗微生物藥物耐藥性問題嚴重危害人類和動物的健康,2017年,WHO發布了威脅最大的耐藥細菌清單,為耐藥性防控的研究重點提供了依據和指導[7]。為應對耐藥性問題,我國在衛生臨床和動物養殖等行業開展了多年的系統監測工作[5-8]。而監測菌株的保藏,特別是WHO發布的需重點關注的耐藥細菌的安全保存,具有重要的科技戰略支撐作用和生物安全意義。安全高效的信息系統是現代菌株保藏管理的新手段。衛生臨床細菌耐藥性監測網基于大量病患的檢驗需求和相關科室的管理需求,建立并開發了與醫療行業信息系統對接的樣本保存管理系統,涵蓋了耐藥菌株的數字化保藏[9-10]。這些系統的應用具有明確的指向性,適應于醫院樣本種類多樣和來源復雜的特點,功能設計服務于醫療檢驗資源的保存和研究使用。而動物源細菌耐藥性監測菌株由于主動監測的特點,附帶有詳細的來源信息、動物養殖信息以及歷年連續監測數據。本系統根據監測工作的要求和菌株特點而建設,以滿足監測實驗室的菌株管理需求。本系統的建設期望向監測體系傳遞數字化、信息化、系統化的菌株管理模式和理念,引導體系內成員單位提高安全管理意識,確保菌株安全、信息安全和生物安全等,防止數據資源、生物資源等流失。

本系統的應用成效依賴于菌株實體庫和數據信息庫協調使用的落實情況。動物源細菌耐藥性監測作為一項基礎性監測工作,監測的細菌種類多為指示菌和食源性致病菌。系統實際使用中,應根據菌株類型及其表型和/或基因型確定生物安全級別和保藏價值,制定明確的需入庫的菌株范圍,在確保生物安全、數據安全和資源安全的基礎上,不會過多增加額外的管理成本和使用成本,服務于監測工作和研究工作的高效開展,切實提高實驗室管理運行效率和菌株資源流動性。

菌種資源由于其豐富的遺傳多樣性和多元的功能特異性,在生態平衡和人類社會生產生活中發揮著非常重要的作用,其開發利用產生了巨大的社會和經濟價值[11-12]。作為自然科技資源的重要組成部分,菌種資源的妥善保存是發揮其作用的基礎。我國一直比較重視菌種保藏與共享交流,相繼出臺了多項法規和標準,以引導細菌資源的有效集成和規范管理[13-14],但針對耐藥菌株保藏管理的法規標準還較為缺乏。動物源細菌耐藥性監測體系需要在菌株管理制度建設方面持續發力,積極推動耐藥性監測實驗室菌株保藏管理相關規定和標準的出臺,著力建立監測實驗室菌株保藏能力的定期評估機制,以促進監測體系整體的資源管理能力和生物安全水平的提升。

本系統仍存在一些不足與局限:一是系統目前實行本地存儲,且僅限單機使用,菌株管理不夠高效快捷;二是系統管理軟件缺乏審核功能,菌株使用的申請與審核依賴于線下溝通,管理上存在漏洞。下一步將針對以上不足進一步改進系統功能:一方面在做好風險管控的基礎上,將系統部署至云端服務器,基于移動互聯網開發遠程登陸、信息查看和菌株操作等功能,著力研究與“監測數據庫”的便捷關聯跳轉,從而實現系統的網絡化管理;另一方面優化系統的流程控制功能,在菌株入庫、領出、歸還與銷毀等環節增設申請和審核等功能,實現菌株使用過程管理的流程化,確保菌株使用安全可追溯。