揭秘P4实验室:10道门,能否锁住致命病毒

2020-02-07

导读:神秘的“P4 实验室”在多数国家几乎都是个位数存在,被认为是病毒研究领域的“航空母舰”,其研究的对象是目前没有预防和治疗方法的病毒,这也让它们被称为是“魔鬼实验室”。


作者:静静


文章来源:网易科技(tech_163)


▲武汉病毒所


“新型冠状病毒是不是人造的?”“新型冠状病毒是不是实验室流出去的?”最近几天,社交媒体上各种讨论,把质疑指向武汉病毒所,中科院进行了辟谣。根据财新报道,国内外专家学者认为,新冠病毒不可能是人造的、基因工程的产物。


这些争论把“武汉病毒所”推向了舆论的中心。武汉病毒所拥有中国大陆第一家 P4 实验室。


神秘的“P4 实验室”在多数国家几乎都是个位数存在,被认为是病毒研究领域的“航空母舰”,其研究的对象是目前没有预防和治疗方法的病毒,这也让它们被称为是“魔鬼实验室”。美国大片中所呈现的地球的生化危机,多源于生化研究所。


实际上,“P4 实验室”不是一个名称,而是一个生物安全实验室的等级,P4 实验室指的是生物安全等级四级实验室。

 

目前,P4 实验室是人类所拥有生物安全等级最高的实验室,也是专用于烈性传染病研究的大型装置,比如埃博拉病毒、天花和此次爆发的新型冠状病毒,一般都是在这种级别的实验室里进行研究。

 

P4 不仅安全等级最高,造价和费用消耗也极大,这限制了很多国家的研究和建造。据不完全统计,全球拥有超过 50 家 P4 实验室,除中国之外,分布在法国、加拿大、日本、德国、澳大利亚、美国、英国、加蓬(法国巴斯德所)、瑞典和南非等国家和地区。


01

如何才能成为P4实验室?


武汉病毒研究所旗下的“中国科学院武汉国家生物安全实验室”,是中国第一家 P4 实验室,简称“武汉 P4 实验室”。


那么什么是“P4 实验室”呢?为何是“4”不是其他数字呢?

 

其实,生物安全实验室是有等级划分的,按照研究对象的危险程度分为四类:BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-4。BSL是指 Biosafety Level,即生物安全等级,等级越高,意味着防护级别越强,就能研究具有更大传染性和危害性的病原。不同级别的实验室需要不同级别的保护,根据各级实验室的安全设备和个体防护注意事项又分为 P1、P2、P3、P4(P 代表英文 protection,防卫和防护的意思)。



资料显示,一级实验室(P1实验室),一般适用于对健康成年人无致病作用的微生物,这一级别的实验室适合于比较熟悉的病源,这些病原体不会经常引发健康成人疾病,对于实验人员和环境潜在危险很小。这一级别的生物实验室,基本不需要特别的安全设施,一般按照高中学习的标准微生物操作进行试验就没问题。


二级实验室(P2实验室),则适用于对人和环境有中等潜在危害的微生物,实验室人员均需要接受过病源处理方面的特殊培训,并由有资格的科学工作者指导。


三级实验室(P3实验室),适用于主要通过呼吸途径使人传染上严重的甚至是致死疾病的致病微生物或其毒素。在此安全标准下实验的病毒若因为暴露而吸入,会引发严重的、可能致死的疾病,但是面对此类型的病原,人类仍有治愈方法。

 

四级实验室,即我们经常听到的“P4实验室”,则是研究对人体具有高度的危险性,通过气溶胶途径传播或传播途径不明、目前尚无有效疫苗或治疗方法的致病微生物或其毒素。

 

“P4实验室”是目前人类所拥有生物安全等级最高的实验室,也是专用于烈性传染病研究的大型装置,比如埃博拉病毒、天花和此次爆发的新型冠状病毒,一般都是在这种级别的实验室里进行研究的。从外星带回来的物品,也需要在P4实验室研究。

 

所以,“P4实验室”被称为病毒学研究领域的“航空母舰”。而由于“P4实验室”研究的传染性微生物都是无预防和治疗方法的病毒,也有人将“P4实验室”称为“魔鬼实验室”。


02

“魔鬼实验室”需要哪些防护?


“P4 实验室”在安全等级方面有极高极高极高的特殊要求。工作人员在 P4 实验室,类似宇航员在太空舱里。

 

根据百度百科的介绍,各个国家“P4 实验室”设计不尽相同。典型的“P4 实验室”由更衣区、过滤区、缓冲区、消毒区、核心区组成。此外,在实验室的四周装有高效空气过滤器。

 

到达实验室的核心区,总共有 10 道门。没错!你没看错,是十道门!而且,最里面的7道门是互锁的,如果一道门没有关好,另一道门肯定打不开,这样避免空气的流通。

 

更衣区依次为外更衣室、淋浴室和内更衣室。消毒区为化学淋浴室,工作人员离开主实验室时首先经过化学淋浴消毒正压防护服表面。核心区任何相邻的门之间都有自动连锁装置,防止两个相邻的门被同时打开。对于不能从更衣室携带进出主实验室的材料、物品和器材,应在主实验室墙上设置具有双门结构的高压灭菌锅、浸泡消毒槽、熏蒸室或带有消毒装置的通风传递窗,以便进行传递或消毒。

 

在核心区里配有生物安全柜、超低温冰箱、离心机、电热细胞培养柜、显微镜和实验台、小型动物实验室等。生物安全柜顶上有一个直径 0.5 米左右的粗管子,直接通到房顶,它也是负压状态的,一些主要的操作都需要在生物安全柜中进行。

 

从 P4 实验室拿出的相关的物品必须通过高压灭菌锅消毒后,再用洁净袋充分包装,然后通过传递窗传到准备间。

 

离开 P4 时,核心区的工作人员要相互把全身从上到下消毒一遍才能走到缓冲间,在缓冲间除去外层防护服、口罩、外层手套,然后将这些放入灭菌容器或消毒袋内。

 

关闭实验室门之后,再取下防护眼镜,将其放入传递窗进行消毒。然后,工作人员经过另外一个缓冲间,退到准备间。

 

在这里,他们才可以取下身上所有的防护器具,立即在沐浴室洗澡,之后才可离开实验室。

 

P4 实验室有严格、复杂的管理程序,为了保证BSL-4实验室的绝对安全,只有得到批准和持有磁卡通行证的人才能进入,有的通过指纹门禁系统进入,而且所有出入的人员都由电脑记录在案。

 

“P4 实验室”必须要有严格安全流程,因为实验室里的病原体一旦泄露,将造成大范围的传染病甚至被恐怖分子用作生化武器,好莱坞拍摄的生化危机大片将会上演。

 

据了解,日本的第一个 BSL-4 实验室建于 1981 年,但建成后一直操作的是低风险病原体,直到 2015 年安全问题才得到解决。


03

全球有哪些“P4 实验室”?


目前除中国之外,全球公开拥有“P4 实验室”的有法国、加拿大、日本、德国、澳大利亚、美国、英国、加蓬(法国巴斯德所)、瑞典和南非等国家。据不完全统计,目前,全球有超过 50 家“P4 实验室”。(▷具体图见文末:全球主要P4实验室)


全球具有代表性的“P4”实验室主要有以下几个。

 

1、法国,里昂让·梅里厄实验室


这是欧洲第一个“P4 实验室”,也是世界上最先进的生物安全实验室。它于 1999 年 3 月竣工并投入运行。该实验室采用“盒子中的盒子”设计,(武汉病毒研究所即借鉴的该设计)。



该实验室外层由钢筋和玻璃构成,内层是负压的密封空间。BSL-4 核心区面积为 1000 平方米,分为三层:上层技术区、下层技术区、BSL-4工作区和安全通道区。BSL-4 工作区为两个面积为 60~70 平方米、相互独立的实验室和一个独立的动物实验室构成。

 

主要从事烈性病毒的检测、诊断、致病机理和疫苗研究,研究的主要有埃博拉病毒、拉萨热病毒、马耳堡病毒、登革热病毒和出血病毒等。

 

2、日本,国家传染病研究所


1981年在东京都的武藏村山市建立了BSL-4设施,但是一直作为BSL-3实验室运作。


鉴于埃博拉疫情的需要,该设施于2016年申请作为BSL-4实验室运行。


长崎大学计划在2020年左右建成一座规模较大的BSL-4实验室。

 

3、德国,位于汉堡的热带医学研究所有一个BSL-4实验室


此外,柏林的罗伯特·科赫研究所(RKI)也正在新建一个 BSL-4 实验室。其科学家对各种病原体的分子性质和传播模式进行研究,不仅包括细菌和病毒,还包括像 BSE(疯牛病)病原体的真菌,寄生虫和朊病毒。

 

4、南非,南非国立病毒研究所(NIV)


成立于 1976 年,后来在其基础上改建而成国立传染病研究所(NICD),并于 2002 年 4 月在约翰内斯堡建成一个BSL-4级的实验室。

 

这里主要研究HIV病毒的行为以及病毒与宿主的关系,同时还从事埃博拉病毒、出血热病毒、马耳堡病毒、裂谷热病毒、拉萨热病毒和其他呼吸道病毒研究。

 

5、美国,美国建成的BSL-4实验室


一共有四个,其中一个在马里兰州德特里克堡的美国陆军传染病医学研究所(USAMRIID)内,从事细菌病原学、病毒学及诊断与医学方面的研究。还有一个BSL-4实验室隶属于总部位于佐治亚州亚特兰大的美国疾病预防控制中心(CDC),是世界上最后的天花病毒两个保存地之一。

 

位于蒙大拿州的隶属于国家感染性疾病研究所的洛基山实验室也在新建一个700平方米的BSL-4实验室。

 

6、澳大利亚,澳大利亚动物健康实验室


位于维多利亚州的吉朗,能够从事感染性疾病的基础性研究和其他复杂的生物学研究。


维多利亚州北墨尔本的维多利亚传染病研究所下属的国家高安全性实验室主要开展病毒学、微生物学、流行病学和分子生物学研究,重点研究脊髓灰质炎病毒和结核分支杆菌。除一个标准的BSL-4实验室外,还有两个BSL-3实验室。

 

7、加拿大,加拿大国家微生物学实验室


位于曼尼托巴省温尼伯的加拿大人畜健康科学中心,包括一个BSL-4和多个BSL-3、BSL-2实验室。


其BSL-4实验室于1982年开始设计建设,2000年3月投入运行。研究方向有埃博拉病毒、马耳堡病毒和拉萨热病毒等。


04

中国大陆的 P4 实验室


中国大陆有两个 P4 级别的生物安全实验室:中国科学院武汉国家生物安全实验室和位于哈尔滨的国家动物疫病防控高级别生物安全实验室。

 

在 2003 年 SARS 爆发之后,中科院就决定启动 P4 实验室建设。武汉 P4 实验室 2005 年获国家发展和改革委员会批准立项,成为中法两国在人口健康、卫生和科技领域最重要的合作项目之一。

 

该实验室引进了法国里昂 P4 实验室技术和装备,建设内容包括细胞水平生物安全四级实验室在内的烈性病原试验设施、新生疾病研究设施以及烈性疾病病原保藏设施(即包括 BSL-4、BSL-3 以及 BSL-2、普通实验室和动物饲养室等辅助性设施及相关配套设施)。

 

2018 年 11 月 27 日,武汉 P4 实验室建设项目通过验收,成为我国首个 P4 等级生物安全实验室。


 ▲武汉国家生物安全实验室官方图片


根据湖北日报记者实地探访介绍,验室的设计采用类似法国里昂 P4 实验室“盒中盒”(boxinbox)的理念,负责实验室施工建设的工程部技术人员向记者介绍,整个 P4 实验室为悬挂式结构,共分 4 层。

 

从下至上,底层是污水处理和生命维持系统;二层是核心实验室;二层和三层间的夹层是管道系统;三层是过滤器系统;最上层是空调系统。所有空气将经过两级高效过滤器处理后进行排放,固体污染物要经过高压灭菌锅处理,液体污染物要经过污水处理设备处理,以保证彻底杀灭病原,确保实验室里的病原不会泄露。

 

“盒子”内部是 300 多平米的二楼核心实验室区域,整个二层大致分为 3 个细胞实验室、2 个动物实验室、1 个动物解剖室、消毒室等。

 

实验室实验装置安全运行稳定,在运行期间经受了武汉极端冷、热环境检验,供热与供冷系统均是一用一备,在零下 10℃ 到连续 40℃ 高温的环境中,均能实现稳定的供冷供热。

 

据媒体介绍,人员进入实验室需要耗费大概 15 到 20 分钟时间。


▲工作人员P4实验室的防护


武汉国家生物安全实验室官网介绍,该实验室研究员有袁志明、石正丽、宋冬林;副研究员:郑大胜、黄弋;高级工程师:吴佳、童骁;高级实验师张化俊。


 ▲武汉 P4 实验室组织架构图


另外一个,位于哈尔滨的国家动物疫病防控高级别生物安全实验室是全球已建成的 4 个大动物生物安全四级设施之一。该实验室 2004 年立项,2012 年完成施工设计并开工建设,2015 年 12 月建成并通过工程验收,2018 年 7 月获得中国合格评定国家认可委员会(CNAS)认可。

 

该实验室可开展包括马、牛、羊、猪、禽类及鼠、猴等常规实验动物在内的所有动物感染试验。


实验室依托单位为中国农业科学院哈尔滨兽医研究所。

 

根据媒体报道,该实验室是我国第一个完全自主设计、建设和管理运行的生物安全四级实验室。但该实验室向外披露的信息不多。


*附:全球主要P4实验室图录      制图:李颐



(本文作者静静,来源于网易科技,IT大佬已获得作者授权、经IT大佬编辑发布,文中观点为作者观点、不代表IT大佬观点。)

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