高等级生物安全实验室在生物安全领域的作用及其发展的思考

刘静，李超，柳金雄，何蕊，孙燕荣

高等级生物安全实验室在生物安全领域的作用及其发展的思考

刘静1，李超2，柳金雄2，何蕊1，孙燕荣1

（1中国生物技术发展中心，北京 100039；2中国农业科学院哈尔滨兽医研究所，哈尔滨 150069）

生物安全实验室是开展传染病防治、生物入侵等生物安全相关研究的重要场所，同时也为实验人员免受病原感染和防止病原泄露提供了重要安全保障。依据生物质的致病性、毒性大小、感染源范围、传染性、传输性、稳定性、诱导过敏性等危害程度的不同，生物安全实验室的防护等级共计分为4个等级（一级、二级、三级和四级）；其中，生物安全防护等级为三级和四级的生物安全实验室被称为高等级生物安全实验室。高等级生物安全实验室主要用于开展高致病性、传染性病原微生物相关研究，新发/突发烈性传染病诊断、监测及防治技术研发，潜在烈性传染病预防与控制技术的储备性先期研究，以及专门人才的培养培训等，其中的移动式高等级（三级）生物安全实验室还可用于应对突发生物安全威胁事件；此外，高等级生物安全实验室在美欧等国家应对突发公共卫生事件及军事研究等方面，包括“大健康”计划、生物两用技术的研究以及烈性传染病实验室应急救治专业技能培训等，发挥了战略作用。在当今传染病传入风险高发及复杂的国际背景下，高等级生物安全实验室作为传染病预防与控制以及科学研究支撑的基础设施和重要平台，在确保国家安全和社会安定等方面发挥了巨大作用，而我国在高等级生物安全实验室建设、生物安全管理、设施装备研发等方面都亟待加强。本文简略介绍了我国高等级生物安全实验室建设运行情况，就新发突发传染病疫情高发的大背景下国内外高等级生物安全实验室在生物安全领域发挥的作用进行了探讨，并对其目前运行中存在的问题及今后发展策略进行了思考。

高等级；生物安全实验室；生物安全；战略作用；发展策略

高等级生物安全实验室是生物安全防护等级为三级和四级实验室（以下简称三级、四级实验室）的统称，主要用于研究对人或动物具有一定危险性的高致病性病原微生物（第一和第二类病原微生物）[1-5]。高等级生物安全实验室作为大国利器，在防范人与动物重大新发突发高致病性传染病中起到重要技术支撑作用[4-5]。截至2018年9月，我国共有78家三级实验室通过中国合格评定国家认可委员会（China National Accreditation Service for Conformity Assessment，CNAS）认证认可（https:// www.cnas.org.cn/）。而我国四级实验室起步较晚，迄今仅已建成3所，规划中1所。其中，中法合作建设的中国科学院武汉病毒研究所四级实验室，于2017年通过认证认可并已投入运行[6]；首个由我国自主建设的中国农业科学院哈尔滨兽医研究所四级实验室，也已获得资质并开展了相关实验活动[7]；中国医学科学院医学生物研究所四级实验室，正在资质认证过程中；而中国疾病预防控制中心的四级实验室，已经列入规划。至此，我国高等级生物安全实验室网络基本形成。

1 我国高等级生物安全实验室在生物安全领域发挥的作用

1.1 作为新发突发烈性传染病诊断、监测与控制技术研发的支撑作用

目前，我国新发突发烈性传染病的预防与控制正面临巨大的外部压力和挑战。如，自2003年SARS（severe acute respiratory syndrome）暴发以来，我国及周边国家又经历了高致病性禽流感（avian-human influenza virus， AIV）、中东呼吸综合征（Middle East respiratory syndrome，MERS）、寨卡病毒病（Zika virus disease）等传染病疫情，而高等级生物安全实验室在这些重大传染病疫情的检测诊断和防控技术研发过程中发挥了重要作用，为疫情控制研究提供了基础设施保障[8]。又如，2018年8月我国首次发生非洲猪瘟（African swine fever，ASF）疫情。非洲猪瘟是由非洲猪瘟病毒（African swine fever virus，ASFV）感染家猪以及各种野猪（包括非洲野猪、欧洲野猪等）引起的一种急性、出血性、烈性传染病，是世界养猪业的头号杀手，发病率和致死率可高达100%，目前既无有效的预防性疫苗，亦无特效的治疗药物。我国作为全球猪肉消费和生猪养殖第一大国，如不能有效应对，将严重影响我国食品安全、农村脱贫攻坚，以及经济和社会稳定健康发展的大好局面[9]。疫情发生后，作为国内唯一同时具备病原及大动物三级和四级防护等级实验室，依托中国农业科学院哈尔滨兽医研究所，国家动物疫病防控高级别生物安全实验室紧急启动非洲猪瘟相关研究，并在非洲猪瘟病毒病原生物学和分子流行病学等方面取得系列进展，成功分离了我国第一株非洲猪瘟病毒，对其感染性、致病力和传播能力等生物学特性进行了较为系统的研究，并建立了动物感染模型；初步阐明了我国ASFV流行毒株的基因组特点和进化关系，为我国ASF疫情的快速诊断和有效监测及预防与控制提供了重要科学依据，为检测监测技术和防治疫苗研发奠定了重要基础。

1.2 作为战略储备的生物安全保障作用

由于国际环境复杂、经济全球化、我国边境线长等原因，新发突发传染病疫情在今后一段时期内仍将处于易发高发和活跃期。例如2014年以来，埃博拉出血热（Ebola hemorrhagic fever，EBHF）和马尔堡出血热（Marburg hemorrhagic fever，Marburg HF）等烈性传染病在非洲多个国家暴发流行，对人类致死率可达55%—60%[10]。近年来，我国与非洲国家交往频繁，增加了这些高致病性病原微生物对我国的潜在入侵风险，而借助高等级生物安全实验室，可针对性的开展靶向性先期研究工作，做好应急响应预案和战略技术储备，避免对人畜健康及经济产生严重影响，提升应对生物安全威胁的国家能力[11]。同时，也为重大国际活动保驾护航，为维护国家安全提供基础保障。

1.3 移动式三级实验室的国际应急救援职能

近些年，突发公共卫生事件在经济欠发达国家呈多发态势，但医疗救治、应急处置和实验室科研资源却主要集中在发达国家和地区。移动式高等级生物安全实验室具有可快速召集部署、工作环境安全等特性，其成功研制不仅在应对突发生物安全威胁事件中发挥了重要作用，还可为传染病高发的发展中国家提供人道主义救援[12]。如2014年9月，应联合国和世界卫生组织的请求，我国向塞拉利昂派出车载移动式生物安全三级实验室和一支技术精良的疫情诊断队伍，救援队专家通过运用实时荧光定量PCR技术，协助当地开展埃博拉疫情诊断和调查，保证了样本在采后4 h内即可快速准确地给出诊断结果，在我国援助塞拉利昂期间，快速、安全、有效地响应埃博拉病毒疫情中发挥了重大作用[13]。

1.4 为保障国家生物安全培养专门人才

随着我国高等级生物安全实验室建设步伐的进一步加快，生物安全人才的需求量不断增加。高等级生物安全实验室可以为生物安全后续人员提供开展持续培训的场所和必备条件，包括生物安全实验室相关的法律法规、病原微生物风险评估、相关实验操作及设施设备使用与维护等[14]。依托生物安全关键技术研发项目，我国建成了国产化高等级生物安全模式实验室，其中运用的相关关键技术和设备全部为国产[15]；该实验室的建成在加快我国关键设施设备标准化，提升核心竞争力的同时，还可以此为平台用于国际化生物安全人才的培养培训[16]。目前，我国高等级生物安全实验室已为巴基斯坦、埃及、保加利亚、刚果（金）等国家的科研人员提供了理论讲解和实践技能培训，为这些国家培养了一大批传染病防控专门人才，对推动发展中国家之间的合作与交流中发挥了积极作用。

2 世界各国高等级生物安全实验室发挥的战略作用

截至2017年，全球已知有22个国家和地区、70多个机构拥有四级实验室[5,15]。其中，美国和欧盟占比50%以上，且投入运行较早。如美国陆军传染病医学研究所高等级生物安全实验室，早在20世纪50—60年代已建成并投入使用。而自2001年美国“炭疽”邮件生物恐怖事件以后，美欧等国家将建设高等级生物安全实验室从保护个人及团体健康和安全上升为了战略高度，高速推动本国及利益相关国生物安全实验室的建设和使用，在应对突发公共卫生事件及军事研究等方面发挥了重要作用[5,17]。

2.1 “大健康”计划

美国、欧盟及加拿大等国家推行“大健康”计划，旨在将本国的医学、兽医及军事领域的高等级生物安全实验室联合起来，共同开展国内生物安全防御研究，同时倡导与世界各国在《国际卫生条例》等法规框架下协同应对突发公共卫生事件的挑战。美国疾控中心、加拿大公共健康署和欧盟先后向非洲地区派驻移动式高等级实验室，专门提供传染病早期诊断、医疗支持、监测及暴发时应急处置等救援服务[18]。而“大健康”计划的另一目的就是抢占第一手生物资源，以便于本国开展相关科学研究以及研发新的诊断方法等。

2.2 生物两用技术研究

生命科学领域在用于有益目的研究的同时，也容易被误用或蓄意滥用，并进而造成危害，其中合成生物学[19-20]和基因编辑[21-23]即为典型的两用生物技术[20,24]。随着相关技术的快速发展，实验操作的便利，以及成本的日趋低廉，两用生物技术已对世界各国的生物安全与国家安全防御体系带来了巨大挑战。比如青蒿素和鸦片等植物的天然成分在微生物中的生物合成[25-26]、智能生物发酵控制[27]、人造生命[28]等。对此，美国相关部门将其列为“大规模杀伤性武器”；而许多其他国家亦将生物安全提升到了国家战略层面[24,29-31]。同时，世界主要发达国家部署了多项生物两用技术研究，其中不乏军事用途。比如，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）于2017年和2018年相继启动了“大流行预防平台”和“预防新兴致病威胁”项目，以从源头上跟踪监测新发病毒性传染病，支持军事准备活动；并宣布，在今后几年内将为“安全基因”项目投资6 500万美元，以避免基因编辑技术的两用性风险[20]。同时，为了降低由于蓄意/意外滥用前沿两用生物技术导致的风险，美国情报高级研究计划局（Intelligence Advanced Research Projects Activity，IARPA）启动了“威胁功能基因组和计算评估”项目，以防范来自细菌、病毒或生物毒素的生物威胁[32]，而这些国家所拥有的高等级生物安全实验室为上述研究提供了安全保障和技术支撑[24,33-34]。

2.3 开展相关培训

相较于其他国家，美国、澳大利亚及加拿大等国的高等级生物安全实验室运行经验更为丰富，更能为本国及利益相关国的实验室工作人员、设施装备工程师提供制度化的实验室管理体系，以及与各工作职责相关的个性化培训。另外，美国陆军传染病研究所高等级生物安全实验室基于其军事属性，每年为美军提供生化防护培训及生物损伤医学处置培训[14]。而欧盟等国家则依托高等级实验室，拟对从事传染病处置的医生、护士及应急处理人员进行实验室应急救治专业技能培训[14]。

3 我国高等级生物安全实验室存在问题及今后发展思考

3.1 我国高等级生物安全实验室建设存在的问题

自2004年我国发布国家生物安全实验室建设规划以来，高等级生物安全实验室建设稳步推进，虽已历经15年，但尚存在些许问题，亟待从如下几方面加以完善和强化。

3.1.1 一带一路沿线地区高等级生物安全实验室建设亟待加强 我国一带一路沿线地区多地处西部，所在区域为我国重要的国门（口岸），而这些区域的高等级实验室无论是数量还是规模均严重欠缺，因此在一带一路沿线地区建设和完善高等级生物安全实验室体系，有利于传染病防控的关口前移，降低传染病传入和进一步扩散蔓延的风险。

3.1.2 实验室长效运行经费的保障力度还需强化 高等级生物安全实验室尤其是四级实验室建成后的运行耗费不菲，只有稳定地投入充足的运行经费才能保证实验室的正常运转，以确保其发挥应有的作用。

3.1.3 生物安全专门型人才的培养能力有待提高 我国生物安全实验室工作人员多为病原微生物、土木工程、电气工程、水电暖安装等专业，专门型和复合型生物安全人才较少，因此需对进入实验室的工作人员实施严格的审核、培训及监管制度，同时建议在学科建设中增设生物安全专业或增加相关课程，以为我国培养更多的生物安全专门型复合型人才。

3.2 我国高等级生物安全实验室今后发展的思考

3.2.1 建成我国高等级实验室俱乐部 目前，我国已有70多家高等级生物安全实验室通过认证认可，作为我国科技创新体系的重要支撑，这些高等级实验室分别承担了不同的科学技术攻关任务。然而，为了更好地完成高等级生物安全实验室体系建设规划，应建立高等级实验室协同创新网络，加强实验室间的交流与合作。如，可以从已建成的3家四级实验室开始，通过分工协作以及资源信息共享，实现互帮互助、互通有无，共同解决我国四级生物安全实验室建设发展初期遇到的系列难题，包括生物安全管理、设施设备运行维护、人才培养、关键装备研制、实验操作等，辐射带动周边区域三级实验室发展，建成我国高等级生物安全实验室俱乐部，在国家有紧急需要时，联合发挥作用，真正形成“平时有分工，战时有协同”的全新局面。

3.2.2 创新高等级实验室生物安全管理体制机制 生物安全和生物安保是高等级生物安全实验室工作的永恒主题，实验室的生物安全管理工作主要围绕这两方面进行。目前，可参照的国际标准主要是WHO制定的《实验室生物安全管理手册》（第3版）；而我国的生物安全管理，主要参照《病原微生物实验室生物安全管理条例》（国务院424号令）和《实验室生物安全通用要求》（GB19489—2008）。然而运行后发现，四级实验室在实际运行管理中尚存在诸多问题，比如，角落如何彻底消毒，实验室如何良好维护[35]，如何处理动物实验废弃物，以及如何进行效果验证等，这些均需管理人员综合考量。因此，在实验室管理过程中应引入新思路、新方法，进一步减少生物安全风险，尽快建成国际一流标准最高级别生物安全实验室。同时，根据近几年运行的经验和教训，进一步丰富和完善实验室生物安全管理相关规章制度，尽快实现高等级生物安全实验室运行管理标准化。

3.2.3 加快高等级实验室生物安全关键设备研发 我国从“十二五”到“十三五”时期，国家重点研发计划对高等级病原微生物实验室生物安全关键技术研发项目的支持力度越来越大，促使许多关键装备突破多重技术壁垒，成功被研发，解决了生物安全实验室基本需求。然而，目前仍有一些“卡脖子”设备，如正压防护服、生命支持系统、组织处理器、动物残体处理系统等，对国外产品的依赖程度依然较高；并且，近年来澳大利亚等国家将一些生物安全关键防护设备以及装备零器件，列为了生物两用物项，限制其向我国出口，使我国高等级生物安全实验室在运行过程中倍受掣肘。因此，应继续加大科技研发投入，提高研发产品质量，自主创造出达到甚至超过国际先进水平的生物安全装备设备。

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The role of High-level Biosafety Laboratories in Biosafety and Consideration about Their Development

Liu Jing1,Li Chao2, Liu Jinxiong2, HE Rui1, Sun Yanrong1

(1China National Center for Biotechnology Development, Beijing 100039;2Harbin Veterinary Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150069)

Biosafety laboratory is a significant location for conducting biosafety related researches such as infectious disease prevention and control, biological invasion, and so on. At the same time, it also provides an important safety guarantee for the laboratory staff to avoid pathogen infection and prevent pathogen leakage. The biosafety laboratories are classified into four levels (including levels one, two, three, and four) of protection based on the differences of the pathogenicity, toxicity level, scope of source of infection, infectiousness, transportability, stability, and induced hypersensitivity of biomasses. The biosafety laboratories in levels three and four are also called high-level biosafety laboratories. The high-level biosafety laboratory can be used to conduct researches related to highly pathogenic and highly infectious pathogenic microorganisms, to develop rapid diagnosis and monitoring technologies, to study prevention and control techniques target to unexpected acute infectious disease, and to engage reserve researches for prevention and management of potential epidemic infection disease. Moreover, the high-level biosafety laboratory can be evolved in setting up courses for training specialized personnel. In addition, the mobile high-level (level three) biosafety laboratory can also be used for dealing with emergency biosafety threats. Furthermore, the high-level biosafety laboratory is playing a strategic role in America and Europe in combatting unexpected emergent public health events and military exploration, including “Big Health” plan, researches on Biological Dual-Use Technology, training on professional ability of emergency treatment to epidemic infectious disease. Nowadays, with the high risk of introduction of infectious diseases and complex international context, the high-level biosafety laboratory, as the infrastructure and important platform of scientific research, has been playing an important role in prevention and management of fulminating infectious diseases. However, the building, biosafety management, and equipment research and development of the high-level biosafety laboratory need to be further strengthened in China. In the present study, the building and operational conditions of the high-level biosafety laboratory in China were introduced. The roles of high-level biosafety laboratory in biosafety of national and international were discussed under the background of high incidence of new-and-outbreaks of infectious diseases. Furthermore, the problems discovered in current operation as well as the development strategies in the future were considered.

high level; biosafety laboratory; biosafety; strategic role; development tactics

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.01.007

2019-06-26；

2019-07-26

国家社会科学基金重大项目（19ZDA109）

刘静，Tel：010-88225119；E-mail：liujing@cncbd.org.cn。通信作者孙燕荣，E-mail：sunyr@cncbd.org.cn

（责任编辑 岳梅）