高等级生物安全实验室风险及其对策

靳晓军，李京京，程洪亮，黄培堂，陆兵

军事医学科学院 生物工程研究所，北京 100071

21 世纪以来，世界各地突发公共卫生事件频繁发生，如2001 年美国的“炭疽邮件事件”，2003 年肆虐亚洲的SARS、H5N1 和H1N1，欧洲口蹄疫疫情，2012 年中东的新冠状病毒，2014 年西非的埃博拉疫情等，严重威胁人类的生命与健康。为加强相关病原体的预防治疗能力，探索病原体各项机理，各国纷纷加大对高致病性病原微生物研究的投入，兴建了一系列高等级（三级或四级）生物安全实验室。据统计，英国到2007 年有BSL-3 实验室347 个，巴西到2009 年有BSL-3 实验室20 个，美国注册的BSL-3 实验室数量由2004 年的415 个增长到了2010 年的1495 个[1]。而我国在高等级生物安全实验室的建设方面起步比较晚，到2014年6月，通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可的BSL-3 实验室仅41个。随着各国高等级生物安全实验室的不断兴建和运行，相关实验室的安全性引起极大争论，美国政府问责办公室（GAO）曾连续撰写报告质疑美国新建高等级生物安全实验室的必要性与安全性[2-3]，美国疾病预防控制中心（CDC）去年6 月和12 月相继发生的实验室炭疽事件[4]和埃博拉事件[5]更增加了人们对实验室生物安全的担心。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控制措施，对确保实验室安全运行，保障工作人员、周边公共安全甚至社会安全具有重要意义。我们综合国内外高等级生物安全实验室事故案例与实验室管理经验教训，分析了高等级生物安全实验室运行中的主要风险，并提出相应的风险控制策略，以供生物安全实验室建设和管理参考。

1 高等级生物安全实验室主要生物安全风险

高等级生物安全实验室主要从事高致病性病原微生物的实验活动，人为偶然或失误、管理不严、设施设备故障、程序问题、人为恶意使用等情况均可造成病原体的暴露或泄漏，引起安全事故。高等级生物安全实验室生物安全风险按生物因子暴露方式可分为以下三类，即实验室内人员暴露和感染、实验室外环境泄漏、生物因子的恶意使用与意外丢失。

1.1 实验室内人员暴露和感染

一直以来，实验室内人员暴露和感染事故时有发生。据Pike[6]文献调研和问卷调查统计，1930～1978年，有4079例实验室获得性感染（LAI）发生，造成168 人死亡，而且很多实验室并不公开他们的感染病例，真实数据还会更大。据Harding 等[7]统计，1978～1999 年，世界范围内报道了1267 例LAI 案例，其中22 人死亡。美国CDC 于2010 年报道，美国从事管制生物剂（Select Agent）操作的实验室在2003～2009 年间共发生395 次生物剂逃逸事件，并统计了这些事件发生的原因（表1）[8]，可见实验室内暴露感染事件发生相对频繁。

2003 年末，西雅图某实验室开始并在接下来的几个月内多次使用麦迪逊气溶胶室开展豚鼠结核杆菌暴露实验，到2004 年3 月，3 名工作人员结核检测由阴性转变为阳性，后经事故调查发现暴露原因为麦迪逊气溶胶室一个气流计有泄漏，而在实验时这些工作人员并未配戴呼吸防护装备[9]。事故的发生暴露了实验室在运行管理中对麦迪逊气溶胶室安全性能的检测与监测并不严格，几个月的工作中都未能及时发现泄漏位置；同时，实验室工作人员防护意识不够，在实验中未按要求配戴呼吸防护装备，实验室管理人员也未纠正这种错误，增加了暴露的风险。2005 年3 月，美国北卡大学一个BSL-3 实验室排风扇发生故障，由于实验室缺陷导致风机持续工作并将安全柜内含结核杆菌的空气吹向房间，致使实验室内实验人员暴露于结核杆菌气溶胶下[10]。实验室运行中设施设备故障难以避免，但该实验室关闭安全报警系统，使得安全柜风向变化未被及时发现，酿成事件的发生。2010 年，印度希萨尔一位研究者在实验室冷冻干燥水牛痘病毒（BPXV）隔离株时意外被安瓿碎片刺穿丁腈手套伤及右手手掌。事故调查发现破裂的玻璃安瓿因为-80℃预冷冻出现毛细裂纹，放入冻干机时破裂，刺伤研究人员[11]。该实验室购买的玻璃安瓿较薄，易碎性较高，-80℃预冷冻更增加了破裂的风险，事故后实验室才重新订购新安瓿管，并将预冷冻温度降为-60℃，以减少安瓿破裂风险。

结合表1 与上述事故，实验室内人员暴露感染的原因可以分为以下几类：①实验室设施设备故障与程序问题。实验室防护设施设备与个人防护装备是人员安全最重要的保障，相关设备（如安全柜、隔离器、离心机、口罩、手套等）的故障会导致病原体扩散，增加人员暴露的可能。实验室运行程序能保证实验室负压梯度与风向，程序意外可能造成实验室污染区空气污染半污染区与清洁区，引起相关人员暴露风险。②实验前风险评估不充分。风险评估是实验准备的重要组成部分，完善的评估能明确实验过程中的风险与处置方法，风险评估不充分会造成不能规避风险意外或事故后不能及时安全处理。③实验人员操作水平不熟练或操作意外。高等级生物安全实验室实验操作与普通实验室有区别，实验人员操作培训不够或经验不足，长时间疲劳工作，注意力不集中，都会增加实验意外的可能。④人员安全意识缺乏。实验人员个人安全意识淡薄，心理素质不好会增加实验意外发生的可能，在事故发生后不能及时安全处理，规避风险。

表1 美国2003～2009年发生的实验室管制生物剂可能逃逸事件[8]

1.2 实验室外环境泄漏

实验室外环境泄漏事故经常会危及实验室工作人员和周边公众安全，造成严重的影响。1979 年3月，前苏联斯维尔德洛夫斯克生物武器生产基地的炭疽生产车间因工作人员交接失误，使得车间在排风管道没有安装过滤器的情况下运行，导致含炭疽芽孢的粉尘直接排出车间，感染了周边人员和环境，据报道，该事故共造成96人感染，66人死亡[12-13]。后来发现事故原因是人员交接时换下过滤器未及时安装新过滤器，导致炭疽气溶胶扩散出实验室。2007年，英国发生口蹄疫疫情，最终调查证实病毒来自位于疫情暴发点附近的实验室，实验室含口蹄疫病毒的污水从裂口漏出污染周围土壤，其后经过的车辆又将受污染的土壤带到外面的农场，最终导致疫情暴发[14]。2014 年6 月，美国反生物恐怖主义快速反应和先进技术处（BRRAT）实验室将炭疽标本从BSL-3 实验室转移到只能处理灭活标本的BSL-2 实验室后发现标本可能仍有活性，导致81 名工作人员存在炭疽暴露的可能[4]。同年12 月，亚特兰大CDC VSPB 实验室一位实验员无意中将可能含活埃博拉病毒的样品带出BSL-4实验室到BSL-2实验室并进行核酸检测，过程中存在人员埃博拉暴露风险[5]。

实验室与外环境在人、物、气、液上都有交通，在这过程中就可能将病原体携出，造成外环境污染。按携出途径不同，实验室外环境泄漏可分为以下几类：①物品携出。样品携出时样品表面与包装沾染、样品活性性质变化都会造成危险病原体的泄漏；同样，实验中仪器设备携出维修也可能带出病原体；废品高压失败却在实验室外打开高压锅也会导致病原体的泄漏。②人员携出。人员在实验室内沾染或感染病原体，离开实验室时可能带出致病病原体，感染他人。③气体携出。排风高效过滤器泄漏或实验室密闭性不严是实验室病原体气溶胶外环境泄漏的主要原因。④废水携出。实验室产生的大量污水需要污水处理系统处理后才能排放，污水管道泄漏或污水处理失败后的意外排放都会造成污水中病原体泄漏到外环境。

1.3 生物因子的恶意使用与意外丢失

随着高等级生物安全实验室的不断增多和持续运行，危险生物因子数量、位置和能接触到的人员范围越来越大，使得实验室保存、使用的危险菌毒种和样品的安全管理工作愈加困难。1991 年美国马里兰州德特里克堡一个军事实验室发现丢失了27 个样本，样本主要为感染炭疽、埃博拉的动物组织，到现在仍不清楚这些样本的去向[15]。2001 年，美国发生了令世人震惊的“炭疽邮件事件”，造成22 人感染，其中5 人死亡，是生物因子恶意使用的典型案例。根据分析调查和多方证据，最终确定该恶性生物恐怖事件的始作蛹者是在美国陆军传染病医学研究所（USAMRIID）工作27 年之久的高级微生物学家Bruce Edwards Ivins 博士[16]。2005年9月，美国纽瓦克UMDNJ BSL-3 实验室内3 只携带鼠疫的实验小鼠从隔离的鼠笼失踪；2008 年12 月，该实验室内2只冰冻的感染鼠疫的实验小鼠尸体丢失[17]。

实验室病原体管理工作是实验室安全保障的重要组成部分，病原体存储位置和数量、使用与销毁情况的监督控制对确保实验室内病原体不被恶意使用或意外丢极为重要。混乱的菌毒种保藏管理工作会导致病原体实际情况与记录不一致，菌毒种混淆，人员易接触。同时，能接触菌毒种的相关人员的心理情况也很重要，管理人员应该关注相关人员心理健康，避免菌毒种被恶意使用。

2 高等级生物安全实验室风险控制策略和建议

高等级生物安全实验室的风险控制需要各个部门的共同努力协作，其中实验室管理和工作人员需要做好实验室设计建设、人员培训考核、实验风险评估、实验室运行监控与检查、高危病原体管理、安全事故汇报处置等各方面工作，降低实验室安全事故发生概率，控制事故危害程度，并从以下几方面减少实验室风险。

2.1 实验室建设与管理

2.1.1 实验室设计与建设 实验室设计与建设需要进行多方论证，避免安全漏洞，各种关键安全设施设备（如高效过滤器、安全柜、高压灭菌器、污水处理系统等）严格按照国家各项标准法规进行检测验证，并在运行过程中定期监测，及时维护，保障实验室隔离防护安全。

2.1.2 实验室程序运行与安全监督 实验室程序运行能保障实验室负压与风向，避免病原体气溶胶的扩散污染，在实验中要严格监控负压梯度要求，避免风从相对污染区吹向相对清洁区，确保报警系统的正常使用，同时必须设有不间断电源，保障停电等意外情况下的安全撤离。实验室风险区域需要进行持续的摄像监控与数据监控，保障实验过程一直处在可视范围内。

2.1.3 实验设施设备安全性 实验室设施设备（如安全柜、离心机、摇床等）需要定期进行检测维修，确保使用过程中的安全性；实验室内应避免设备棱角的存在，减少锐器和玻璃制品的使用，配备降低锐器损伤风险的装置和建立操作规程，减少人员外伤的风险；实验室还需要采取有效的防昆虫和啮齿类动物的措施，如防虫纱网、挡鼠板等。

2.1.4 实验风险评估 开展实验前需要进行严格的风险评估，明确实验病原体的危险性与实验风险，做好预防措施（如注射疫苗、口服抗生素、准备抗血清等）；加强实验人员操作培训与安全培训，严格准入考核，进行个人防护装备适配型验证；针对可能的意外情况做好风险预案（如外伤、人员晕倒等事故的处置方案），建立紧急撤离与外围隔离救治方案等。

2.1.5 “三废”管理与终末消毒 实验过程中要严格“三废”排放标准，高压灭菌器、污水处理系统和排风高效过滤器等处理关键设备的安全性能、灭菌性能是实验室外环境安全的保障，实验中必须做好高压灭菌效果监测、污水处理排放监测、排风口微生物采样监测，使用经过验证的消毒方法并确保消毒用品的质量，保证“三废”排放的安全性。终末消毒需要全面有效，覆盖实验室所有风险区域并进行消毒效果评价，使用过的高效过滤器也需原位消毒处理。

2.2 实验人员安全性

2.2.1 实验操作 实验人员需要加强实验操作培训，提高实验技术能力，减少实验操作意外的发生；进入实验室前须检测个人防护装备情况，确保防护安全；实验设计应尽量避免在实验中使用锐器、玻璃制品，尽量以塑料制品代替，如必须使用，要严格遵守操作要求，确保人员安全；实验前须明确实验意外事故处置预案方法，遇到意外情况及时汇报，按规定处理或退出。

2.2.2 实验人员安全意识与心理素质 实验人员在实验室内要牢固安全意识，遵守实验室操作规定，减少失误或危险操作；强化心理素质，不惧怕事故，遇事沉着应对处理。实验前严格监测体温等数据，不在身体不适的情况下进入实验室，如有疑似感染症状，应及时汇报，接受医疗评估、监护和治疗。

2.3 实验室病原体管理

2.3.1 菌毒种库管理 有菌毒种库的实验室需要严格管理，菌毒种或样本保存、使用、销毁与运输必须严格按照《人间传染的病原微生物菌（毒）种保藏机构设置技术规范》［WS 315-2010］、《可感染人类的高致病性病原微生物菌（毒）种或样本运输管理规定》等一系列法律法规要求执行，加强监控系统，明确菌毒种数量位置，严格记录菌毒种的使用销毁情况，确保双人双锁，杜绝单人单独接触菌毒种，并定期或随机核查以保障菌毒种处于可控状态。

2.3.2 实验使用病原体管理 实验室需要对实验项目进行严格审核，严格实验过程管控，加强实验室使用过程中微生物样本的管控，严格样本进出登记、培养制备记录、废弃物处理记录、双人工作制度等，严格携出样品表面消毒，确保运输安全，杜绝开展未经授权的病原体研究。

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