动物源细菌耐药性监测实验室菌株管理系统建设研究

程 敏,李 霆,崔明全,赵 琪,张 璐,陈 玉,王鹤佳,张纯萍*

(1．中国兽医药品监察所,北京 100081;2．农业农村部动物源细菌耐药性监测重点实验室,北京 100081)

细菌耐药性是21世纪全球面临的重大公共卫生威胁之一,国际社会高度重视,并采取了一系列联合行动,来遏制细菌耐药性的发展[1],但目前其蔓延之势仍未得到有效控制,仅2019年就有超过120万人直接死于耐药细菌感染[2]。《中华人民共和国生物安全法》规定应对微生物耐药是生物安全的八大领域之一,遏制耐药性已经上升到国家安全的战略高度。多部委联合制定了《遏制微生物耐药国家行动计划(2022-2025年)》,以积极应对微生物耐药带来的挑战[3]。

动物源耐药细菌可通过直接接触或食物链等多种方式向人类社会和生态环境传播[4],不仅影响动物健康和畜牧业健康发展,还会影响食品安全、公共卫生安全与生态安全,因此动物源细菌耐药性的防控是国家遏制细菌耐药行动的重点内容之一。

耐药性监测是耐药性防控工作的基石。农业农村部动物源细菌耐药性监测体系(以下简称“监测体系”)实施年度监测计划,对我国畜禽养殖和宠物来源的细菌开展耐药性主动监测[5],监测数据实时上报至农业农村部动物源细菌耐药性监测数据库进行管理和分析(以下简称“监测数据库”)[6]。

耐药菌株蕴含重要的基因资源和数据资源,在细菌耐药性防控领域中的重要性不言而喻。动物源细菌耐药性监测实验室通过多年监测工作,积累了丰富的菌株资源,这些菌株的管理同时具有资源安全意义和生物安全意义。目前监测菌株的管理多依赖于电子表格、粘贴标签、人工定位和手工动态管理等方式进行,存在菌株混淆、错乱、失活等诸多风险,且由于监测任务承担单位的变迁和从业人员变动,历史菌株资源的丢失风险增加,如何确保监测菌株的安全高效管理,是耐药性监测工作目前急需解决的问题。

本项目依据生物安全管理规定,面向耐药性监测实验室的细菌保藏管理需求,运用数字化信息化管理手段,建设了一套有针对性的菌株管理系统,以期提高监测实验室菌株管理工作的规范性、安全性和高效性,同时为耐药性监测工作的溯源、回顾及科技创新提供可靠的资源储备。

1 菌株管理系统的构成

耐药性监测实验室菌株管理系统由低温存储设备、附码冻存管、扫描器和信息管理软件组成,主要功能如下。(1)低温存储设备:一般采用-40 ℃～-80 ℃超低温冰箱,内置抽屉式结构层架,适用于菌株的长期保藏;(2)附码冻存管:使用三码合一的专用附码冻存管,将条形码、二维码和数字码分别激光蚀刻于冻存管侧壁和底部,长期低温冷冻条件下保持清晰无磨损,避免了传统粘贴标签标记菌株的方式导致标签损毁、脱落,进而丢失菌株信息的情况出现;(3)扫描器:与专用附码冻存管配合使用,用于冻存菌株的快捷扫码操作;(4)信息管理软件:采用MySQL数据库和C++语言开发工具,基于C/S架构,集合了菌株的位置信息管理、属性信息管理、检索统计功能、使用过程管理等功能。

2 菌株管理系统的使用

2.1 菌株保藏库的构建 根据实验室菌株的种类、数量和低温存储设备结构等条件,规划存放位置,制定存储设备中各层级的编码规则,高效使用保存空间。

信息管理软件为菌株位置信息提供可视化管理(图1)。软件操作界面分为虚拟建库、菌株管理、属性管理三个功能区。虚拟建库区(图1A)根据所用低温存储设备内部层架结构自定义树状结构导览,可设置最多5级结构(例如:库-区-列-层-盒),与实体库的结构位置完全映射。菌株管理区(图1B)模拟冻存盒结构展示菌株存放情况,不同的样本类型可通过自定义图标加以区分。

A. 虚拟建库区(zone for virtual library creation);B. 菌株管理区(zone for strains management);C. 属性管理区(zone for properties management)图1 信息管理软件主界面Fig 1 Main interface of information management software

2.2 菌株实体的录入 在菌株管理区选中要存放菌株的孔位(单选或多选),利用扫描器扫描冻存管的条形码或二维码即可实现冻存菌株的录入,支持少至单个、多至整个冻存盒的菌株的录入操作,简单快捷。

2.3 菌株信息的录入 软件操作界面的右侧是属性管理区(图1C),在菌株管理区选中某个菌株图标后,属性管理区则显示相应菌株的属性档案。

信息管理软件中菌株档案的创建是菌株管理的基础工作。菌株属性档案的条目可根据实际工作需求进行设置,而且不同菌株类型可设定不同的属性条目。本实验室根据耐药性监测工作的实际,为所存菌株设置了来源、特定药物的敏感性数据、存入时间和取用次数等属性数据,另外通过“数据库编号”这一属性与监测数据库[6]进行映射,能够进一步获取菌株更全面的信息。

利用编辑功能可以对单一菌株数据进行创建编辑,也可以在做好数据准备工作的基础上,一键批量导入,实现菌株信息的快速新建。数据准备工作包括模板创建、菌株信息电子表格创建、属性条目对应和冻存盒位置对应。菌株相关的培养、质谱检测以及核酸分析的实验数据均能以相应格式文件与本菌株关联存储在属性管理区,确保菌株数据可溯源,提升实验室数据资源的共享性、流动性和安全性。

2.4 菌株检索与统计 信息管理软件设计了快速搜索功能,支持单一菌株查找并快速定位;高级搜索功能则提供多种组合条件的查询,查询条件可在存储位置和属性档案条目里自定义选择,实现快捷高效的信息检索。

对于如致病菌、罕见耐药菌等需要使用者重点关注的特殊菌株类型,可设置警告标识,在菌株管理区以醒目的标记向使用者进行风险提示,确保生物安全。

系统具备的基础统计功能可实时展示菌株的数量、种类、位置等保存情况,并以图表形式直观呈现。

2.5 菌株使用过程的管理 使用过程管理是菌株管理的难点工作,一般需要专人专管并实时更新菌株的使用和流动情况,以确保菌株安全和生物安全。本系统针对本实验室细菌使用过程管理的需求,通过设计相关提醒和记录功能,完成使用过程的管理。

2.5.1 用户角色管理 系统根据实验室生物安全级别和菌株类别设置了包括超级管理员、管理员、工作人员、研究生、其他共5等不同的用户角色,将软件使用的具体操作分门别类,并按照角色等级赋予不同范围的操作权限。用户注册系统时根据确定的角色类别获取相应的使用权限。

2.5.2 菌株的使用管理 实验室管理上严格落实菌株实体库的双人双锁制度,并将信息管理系统的使用与实体库的开启紧密绑定,确保使用人员及其操作可追溯。

菌株取出和取出后再次存入通过扫码实现;也可以在菌株管理区选中菌株图标,右键单击弹出操作菜单,进行取出、录入、删除等多项操作。菌株取出后,如果再次启动管理系统时仍未放回,其存放位置则以红色边框突出显示,同时弹窗提醒未放回菌株的具体信息。

保存时间较长和反复冻融的菌株失活风险增加,需要定期进行复活传代。信息管理软件可根据使用人员预设的最长保存期限和最大取出次数,在到期前定时开始出现“菌株即将过期提醒”弹窗。

菌株位置需要改变时,软件的样本移动功能支持单个/多个菌株保存位置的快速变更,变更位置可至本系统的所有位置(图2)。如果遇到冻存盒散落、冻存管乱放等突发情况时,通过扫码可实现快捷纠错,可按照历史位置归位错乱菌株,也可接受新位置,并带着原菌株档案更新信息。

图2 信息管理软件的样品移动功能Fig 2 The sample migration function of information management software

2.5.3 日志管理 系统设置了日志功能,对系统登录和菌株使用情况进行多时序保存。日志检索功能可按照人员、时间、操作、菌株进行分类展示和筛选,方便追踪耐药菌株的流动情况,为实验室生物安全提供有力保障。菌株取用时,强制登记使用目的和使用后的处理方法,后期可对取用日志进行独立检索查询,确保用菌安全。系统具备定期备份功能,确保数据信息的安全。

3 讨 论

日益严峻的抗微生物药物耐药性问题严重危害人类和动物的健康,2017年,WHO发布了威胁最大的耐药细菌清单,为耐药性防控的研究重点提供了依据和指导[7]。为应对耐药性问题,我国在卫生临床和动物养殖等行业开展了多年的系统监测工作[5-8]。而监测菌株的保藏,特别是WHO发布的需重点关注的耐药细菌的安全保存,具有重要的科技战略支撑作用和生物安全意义。安全高效的信息系统是现代菌株保藏管理的新手段。卫生临床细菌耐药性监测网基于大量病患的检验需求和相关科室的管理需求,建立并开发了与医疗行业信息系统对接的样本保存管理系统,涵盖了耐药菌株的数字化保藏[9-10]。这些系统的应用具有明确的指向性,适应于医院样本种类多样和来源复杂的特点,功能设计服务于医疗检验资源的保存和研究使用。而动物源细菌耐药性监测菌株由于主动监测的特点,附带有详细的来源信息、动物养殖信息以及历年连续监测数据。本系统根据监测工作的要求和菌株特点而建设,以满足监测实验室的菌株管理需求。本系统的建设期望向监测体系传递数字化、信息化、系统化的菌株管理模式和理念,引导体系内成员单位提高安全管理意识,确保菌株安全、信息安全和生物安全等,防止数据资源、生物资源等流失。

本系统的应用成效依赖于菌株实体库和数据信息库协调使用的落实情况。动物源细菌耐药性监测作为一项基础性监测工作,监测的细菌种类多为指示菌和食源性致病菌。系统实际使用中,应根据菌株类型及其表型和/或基因型确定生物安全级别和保藏价值,制定明确的需入库的菌株范围,在确保生物安全、数据安全和资源安全的基础上,不会过多增加额外的管理成本和使用成本,服务于监测工作和研究工作的高效开展,切实提高实验室管理运行效率和菌株资源流动性。

菌种资源由于其丰富的遗传多样性和多元的功能特异性,在生态平衡和人类社会生产生活中发挥着非常重要的作用,其开发利用产生了巨大的社会和经济价值[11-12]。作为自然科技资源的重要组成部分,菌种资源的妥善保存是发挥其作用的基础。我国一直比较重视菌种保藏与共享交流,相继出台了多项法规和标准,以引导细菌资源的有效集成和规范管理[13-14],但针对耐药菌株保藏管理的法规标准还较为缺乏。动物源细菌耐药性监测体系需要在菌株管理制度建设方面持续发力,积极推动耐药性监测实验室菌株保藏管理相关规定和标准的出台,着力建立监测实验室菌株保藏能力的定期评估机制,以促进监测体系整体的资源管理能力和生物安全水平的提升。

本系统仍存在一些不足与局限:一是系统目前实行本地存储,且仅限单机使用,菌株管理不够高效快捷;二是系统管理软件缺乏审核功能,菌株使用的申请与审核依赖于线下沟通,管理上存在漏洞。下一步将针对以上不足进一步改进系统功能:一方面在做好风险管控的基础上,将系统部署至云端服务器,基于移动互联网开发远程登陆、信息查看和菌株操作等功能,着力研究与“监测数据库”的便捷关联跳转,从而实现系统的网络化管理;另一方面优化系统的流程控制功能,在菌株入库、领出、归还与销毁等环节增设申请和审核等功能,实现菌株使用过程管理的流程化,确保菌株使用安全可追溯。