李慶妮陳云豐劉元浪唐 定華婉璐張瑞安盧 佳*李新國(guó)*
(1.武漢生物制品研究所有限責(zé)任公司新發(fā)傳染病研究室,武漢 430207;2.武漢生物制品研究所有限責(zé)任公司生物安全三級(jí)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430207)
對(duì)于呼吸道病原微生物而言,氣溶膠吸入是其感染宿主的重要途徑[1-2]。 鑒于非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物(non-human primates,NHP)與人類密切的基因相關(guān)性,因此在候選疫苗、治療性藥物的臨床前研究中,NHP 具有獨(dú)特而重要的作用[3-9]。 非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)可以通過(guò)裝有細(xì)菌、病毒等病原微生物懸浮液的霧化器霧化產(chǎn)生微生物氣溶膠,NHP 吸入氣溶膠后,在感染過(guò)程中避免了消化道、皮膚等其他暴露途徑感染,可以模擬呼吸道病原自然感染途徑,為致病性病原微生物吸入感染、疫苗氣溶膠免疫、肺給藥、氣溶膠攻毒評(píng)價(jià)疫苗或藥物效果的研究提供了良好的評(píng)價(jià)技術(shù)平臺(tái)[10]。本研究選擇流感病毒作為模式病毒,在生物安全三級(jí)實(shí)驗(yàn)室中使用非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)裝置產(chǎn)生病毒氣溶膠,評(píng)價(jià)了病毒氣溶膠粒徑、氣溶膠輸出均一性、穩(wěn)定性、氣密性等重要參數(shù),以及裝置的消毒效果驗(yàn)證,為將來(lái)建立SARSCoV-2 及其它病毒氣溶膠感染NHP 模型奠定基礎(chǔ)。
1.1.1 細(xì)胞
MDCK 細(xì)胞由武漢生物制品研究所有限責(zé)任公司國(guó)家聯(lián)合疫苗工程技術(shù)研究中心提供。
1.1.2 病毒株
流感病毒B/Phuket/3073/2013(B/Yamagata lineage)由武漢生物制品研究所有限責(zé)任公司國(guó)家聯(lián)合疫苗工程技術(shù)研究中心提供。
流感病毒B/Phuket/3073/2013 (B/Yamagata lineage)是WHO 推薦并經(jīng)國(guó)家藥品監(jiān)督管理部門(mén)批準(zhǔn)的乙型流行性感冒病毒的疫苗株,屬于《人間傳染的病原微生物名錄》中的第三類病原微生物,不屬于高致病性病原。 由于其致病性較弱,屬囊膜病毒,對(duì)消毒劑較敏感,易于在三級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室操作,其細(xì)胞培養(yǎng)物病毒滴度較高可達(dá)108CCID50/mL,可滿足實(shí)驗(yàn)需要,因此被本研究選作SARS-CoV-2 的代替病毒。
DMEM 培養(yǎng)基(美國(guó)Gibco 公司);新生牛血清(杭州四季青公司);青鏈霉素(美國(guó)HyClone 公司);TPCK-胰酶(美國(guó)Sigma 公司);1%雞紅血球(自制)。
非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)(北京慧榮和科技有限公司);TSI 3321 氣溶膠粒徑分析儀(美國(guó)TSI 公司);B2 生物安全柜(蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司);二氧化碳培養(yǎng)箱(美國(guó)Thermo 公司);汽化過(guò)氧化氫滅菌器(杭州美卓生物科技有限公司)。
1.3.1 非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)
非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)如圖1所示,主要由氣溶膠發(fā)生模塊(過(guò)濾器、流量控制器、Collison 氣溶膠發(fā)生器、正交稀釋器)、染毒模塊(口鼻罩、頭罩、猴椅)、分析模塊(AGI-30 采樣器)、控制模塊(調(diào)節(jié)閥、流量控制器)、廢氣處理模塊(過(guò)濾器)組成。 整體采用分布式動(dòng)態(tài)氣溶膠口鼻暴露技術(shù)。 實(shí)驗(yàn)室的潔凈壓縮空氣進(jìn)入系統(tǒng)后分成兩路,一路經(jīng)過(guò)流量控制器后進(jìn)入氣溶膠發(fā)生器用于氣溶膠發(fā)生,然后進(jìn)入正交稀釋器,另一路經(jīng)過(guò)流量控制器后作為稀釋氣流直接進(jìn)入正交稀釋器。兩路氣流經(jīng)過(guò)渦旋混合后形成特定濃度的氣溶膠進(jìn)入氣溶膠靜壓腔,并經(jīng)過(guò)頂部的6 路分流管路分別輸送到6 個(gè)實(shí)驗(yàn)猴口鼻罩的進(jìn)氣口處,實(shí)驗(yàn)猴吸入后產(chǎn)生的廢氣經(jīng)口鼻罩出氣口處排出,匯流過(guò)濾后經(jīng)過(guò)流量控制器由抽氣泵排出。
圖1 非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic figure of the oral and nasal aerosol exposure system in non-human primates
1.3.2 流感病毒滴度測(cè)定
使用微量細(xì)胞病變法進(jìn)行病毒滴度的測(cè)定,胰酶消化MDCK 細(xì)胞制備細(xì)胞懸液,接種至96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,每毫升2.0×104~3.0×104個(gè),每孔100 μL。 將流感病毒樣本10 倍系列梯度稀釋后接種至96 孔板中,每個(gè)稀釋度8 個(gè)復(fù)孔,33℃二氧化碳培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 d。 觀察出現(xiàn)細(xì)胞病變的孔數(shù),使用Kaber 法計(jì)算病毒滴度。
1.3.3 氣溶膠發(fā)生參數(shù)和采樣參數(shù)設(shè)定
將20 mL 一定濃度的流感病毒加入六孔Collison 氣溶膠發(fā)生器中,設(shè)置氣溶膠發(fā)生流量為12 L/min,稀釋流量為40 L/min,抽氣流量為55 L/min,維持頭罩負(fù)壓,氣溶膠穩(wěn)定發(fā)生5 min 后使用AGI-30 液體沖擊式采樣器連接頭罩采樣口采樣,采樣溶液為30 mL 的DMEM 培養(yǎng)基,采樣流量為10 L/min,采樣時(shí)間5 min。
1.3.4 氣溶膠粒徑大小、均一性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
將30 mL 氣溶膠發(fā)生液加入六孔Collison 氣溶膠發(fā)生器中,按照1.3.3 設(shè)定氣溶膠發(fā)生參數(shù),分別在靜壓腔和頭罩采樣處接入TSI 3321 氣溶膠粒徑分析儀檢測(cè)氣溶膠總粒子的中值直徑,檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)分別為氣溶膠發(fā)生后5、10、20、30 和40 min,評(píng)價(jià)氣溶膠粒徑大小、均一性和穩(wěn)定性。
1.3.5 流感病毒氣溶膠達(dá)到頭罩評(píng)價(jià)
將20 mL 3.5×106CCID50/mL 流感病毒液加入到六孔Collison 氣溶膠發(fā)生器中產(chǎn)生氣溶膠,將AGI-30 液體沖擊式采樣器連接至頭罩采樣口處進(jìn)行采樣,測(cè)定樣品中流感病毒滴度,評(píng)價(jià)氣溶膠是否能到達(dá)供氣靜壓腔和頭罩。
1.3.6 流感病毒氣溶膠頭罩分布均一性評(píng)價(jià)
非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)染毒模塊共包含6 個(gè)頭罩,分別向六孔Collison 氣溶膠發(fā)生器中分別加入20 mL 低濃度(3.5×106CCID50/mL)和高濃度(7.1×107CCID50/mL)流感病毒液產(chǎn)生氣溶膠,并將AGI-30 液體沖擊式采樣器連接頭罩采樣口進(jìn)行采樣,測(cè)定樣品中流感病毒滴度,評(píng)價(jià)不同病毒濃度的氣溶膠發(fā)生液產(chǎn)生的氣溶膠能否均勻分布達(dá)到至6 個(gè)頭罩。
1.3.7 流感病毒的耐霧化能力評(píng)價(jià)
向六孔Collison 氣溶膠發(fā)生器中加入20 mL 7.1×107CCID50/mL 的流感病毒液產(chǎn)生氣溶膠,分別在氣溶膠發(fā)生0、3、5、8、10、15、20、25、30、35 和40 min 時(shí)采集發(fā)生器中流感病毒樣品,測(cè)定樣品中流感病毒滴度,測(cè)定氣溶膠發(fā)生狀態(tài)下流感病毒存活率。
1.3.8 氣溶膠發(fā)生器和采樣器中流感病毒濃度的線性關(guān)系
將1.3×107CCID50/mL 的流感病毒液10 倍系列梯度稀釋,分別取1.3×107CCID50/mL、1.3×106CCID50/mL、1.3×105CCID50/mL、1.3×104CCID50/mL 各20 mL 加入到六孔Collison 氣溶膠發(fā)生器中產(chǎn)生氣溶膠,用AGI-30 液體沖擊式采樣器采集頭罩處的氣溶膠樣品,測(cè)定樣品中流感病毒滴度,評(píng)價(jià)Collison 發(fā)生器(Input) 和Impinger 采樣器(Output)中流感病毒濃度的線性關(guān)系。
1.3.9 裝置氣密性評(píng)價(jià)
在1.3.6 中使用高滴度流感病毒作為氣溶膠發(fā)生液產(chǎn)生氣溶膠時(shí),在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)易發(fā)泄露的管道連接處(如氣溶膠發(fā)生器出口、靜壓腔入口、6 個(gè)口鼻罩出口、預(yù)實(shí)驗(yàn)采樣器進(jìn)口、預(yù)實(shí)驗(yàn)采樣器出口、采樣器進(jìn)氣口、采樣器出氣口)使用拭子涂抹采樣30 s,將采樣拭子放入2 mL DMEM 培養(yǎng)基中,充分混勻后,加入到生長(zhǎng)致密的MDCK 細(xì)胞中,33℃二氧化碳培養(yǎng)箱培養(yǎng)72 h,觀察是否發(fā)生細(xì)胞病變,評(píng)價(jià)裝置在運(yùn)行過(guò)程中是否發(fā)生氣溶膠泄露。
1.3.10 裝置消毒效果評(píng)價(jià)
采用35%過(guò)氧化氫及氣體發(fā)生器分批次對(duì)氣溶膠暴露系統(tǒng)管道及負(fù)壓柜腔體進(jìn)行消毒,使用嗜熱脂肪芽孢桿菌菌片(ATCC 7953,菌種濃度為每片5×105~5×106cfu)作為生物指示劑。 消毒前,分別在管道和負(fù)壓柜腔體布置生物指示劑。 消毒完成后,及時(shí)取出指示劑,放入加有0.5%中和劑硫代硫酸鈉的溴甲酚紫葡萄糖蛋白胨水培養(yǎng)基中,56℃培養(yǎng)7 d 后進(jìn)行結(jié)果判定。
本研究數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 9.0.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件,對(duì)結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)和方差分析,P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,P<0.01 為差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,P<0.001 為差異有極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
氣溶膠發(fā)生后,使用TSI 3321 氣溶膠粒徑分析儀在不同時(shí)間點(diǎn)分別檢測(cè)靜壓腔和頭罩處的氣溶膠總粒子的中值直徑,結(jié)果如表1 所示,非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)產(chǎn)生的氣溶膠顆粒中值直徑為(1.04±0.03)μm,對(duì)應(yīng)安德森采樣器的6 級(jí)(0.65~1.1)μm,氣溶膠發(fā)生后40 min 內(nèi),靜壓腔和頭罩處的氣溶膠的中值直徑的均一性和穩(wěn)定性良好。
表1 氣溶膠粒子中值直徑、均一性和穩(wěn)定性Table 1 Median diameter, uniformity and stability of aerosol particles
使用AGI-30 沖擊式采樣器采集靜壓腔和頭罩處的氣溶膠,通過(guò)微量細(xì)胞病變法檢測(cè)靜壓腔和頭罩處病毒氣溶膠濃度,結(jié)果如圖2 所示,靜壓腔和頭罩中都能檢測(cè)到一定滴度的流感病毒,表明該裝置能正常運(yùn)行并能產(chǎn)生病毒氣溶膠,產(chǎn)生的氣溶膠能經(jīng)靜壓腔途徑管道到達(dá)頭罩處,且傳遞過(guò)程中氣溶膠濃度無(wú)顯著差異(P>0.05)。
圖2 采樣器采集靜壓腔和頭罩處的氣溶膠濃度Figure 2 Aerosol concentrations of samplers which collect in the static pressure chamber and the hood
分別使用低濃度(3.5×106CCID50/mL)和高濃度(7.1×107CCID50/mL)流感病毒進(jìn)行氣溶膠發(fā)生,使用AGI-30 沖擊式采樣器收集6 個(gè)頭罩氣溶膠并進(jìn)行病毒滴度檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖3 所示。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同一滴度流感病毒產(chǎn)生的氣溶膠在6 個(gè)頭罩的濃度無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明氣溶膠在6 個(gè)頭罩分布均勻,且氣溶膠濃度與發(fā)生器病毒滴度有關(guān)。
圖3 不同頭罩處的流感病毒氣溶膠濃度Figure 3 Aerosol concentrations of samplers which collect in the six hoods
為評(píng)價(jià)氣溶膠發(fā)生過(guò)程中流感病毒的耐霧化能力,分別檢測(cè)氣溶膠發(fā)生3、5、8、10、15,20、25、30、35 和40 min 時(shí)氣溶膠發(fā)生器中流感病毒存活率,見(jiàn)圖4。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣溶膠發(fā)生0~5 min,流感病毒存活率迅速下降,5~30 min 流感病毒存活率較為穩(wěn)定,存活率高于50%,30 min 后流感病毒活性繼續(xù)迅速下降。 根據(jù)上述結(jié)果,氣溶膠發(fā)生后5~30 min 可作為NHP 感染的窗口期,約為25 min。
圖4 流感病毒的耐霧化能力Figure 4 Atomization resistance of influenza virus
根據(jù)“2.3 流感病毒氣溶膠頭罩分布均一性評(píng)價(jià)”實(shí)驗(yàn)結(jié)果,流感病毒氣溶膠濃度和氣溶膠發(fā)生器中流感病毒滴度有關(guān)。 為進(jìn)一步確定二者之間的關(guān)系,在氣溶膠發(fā)生器中加入不同滴度的流感病毒溶液,檢測(cè)對(duì)應(yīng)流感病毒氣溶膠濃度,結(jié)果如圖5所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流感病毒氣溶膠濃度與發(fā)生器病毒滴度的對(duì)數(shù)值具有良好的線性關(guān)系,標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.8625x-2.4173(R2=0.9989)。
圖5 流感病毒Input(Collison)和Output(Impinger)的線性關(guān)系Figure 5 Correlation between input (Collison) and output (Impinger) virus titres of influenza virus when aerosolized using the oral and nasal aerosol exposure system for non-human primates
使用拭子在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)中病毒氣溶膠易發(fā)生泄露部位(氣溶膠發(fā)生器出口、靜壓腔入口、6 個(gè)頭罩出口、預(yù)實(shí)驗(yàn)采樣器進(jìn)口、預(yù)實(shí)驗(yàn)采樣器出口、采樣器進(jìn)氣口和采樣器出氣口)涂抹采樣,將采集樣本接種到MDCK 細(xì)胞中,培養(yǎng)后12 個(gè)采樣點(diǎn)樣本接種的細(xì)胞均未發(fā)生病變。 提示非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)在氣溶膠發(fā)生過(guò)程中未發(fā)生氣溶膠泄露,裝置氣密性良好。
嗜熱脂肪芽孢桿菌生物指示劑培養(yǎng)7 d 后,對(duì)指示劑逐支進(jìn)行檢查,實(shí)驗(yàn)組接種生物指示劑的培養(yǎng)基均未變色(呈現(xiàn)紫色),陽(yáng)性對(duì)照培養(yǎng)基顏色變色(紫色變黃色),陰性對(duì)照培養(yǎng)基未變色(呈現(xiàn)紫色)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用35%過(guò)氧化氫采用汽化方式對(duì)非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)可以進(jìn)行有效地消毒,消毒效果完全。
非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)能正常運(yùn)行,產(chǎn)生具有感染性的氣溶膠顆粒,氣溶膠顆粒的中值直徑為(1.04±0.03)μm,顆粒大小可直接進(jìn)入肺泡。
在氣溶膠暴露感染實(shí)驗(yàn)動(dòng)物時(shí),基于動(dòng)物的氧氣消耗,推薦氣溶膠氣體流量為每分鐘呼吸體積的1.5 倍,使用動(dòng)物呼吸量2.5~4 倍的氣溶膠氣體流量可將氣溶膠濃度保持在目標(biāo)濃度的90%[11]。 2~4 歲恒河猴呼吸量為1.5~3.8 L/min[12]。 美國(guó)陸軍傳染病醫(yī)學(xué)研究所和匹茲堡大學(xué)疫苗研究中心進(jìn)行不同種類的NHP 氣溶膠暴露感染時(shí),提供給每只NHP 的氣體流量為7.5 L/min 左右[13-14]。 本系統(tǒng)裝置可同時(shí)進(jìn)行6 只NHP 的氣溶膠暴露感染,在本研究中使用6 孔Collison 氣溶膠發(fā)生器,將氣溶膠流量設(shè)為12 L/min,稀釋流量設(shè)為40 L/min,提供給每只試驗(yàn)猴的氣溶膠氣體流量為8.7 L/min 左右,為恒河猴呼吸量的2.3~5.8 倍,同時(shí)本生物安全三級(jí)實(shí)驗(yàn)室前期進(jìn)行恒河猴適應(yīng)性模擬氣溶膠感染時(shí),采用此染毒程序參數(shù)進(jìn)行氣溶膠感染,恒河猴在整個(gè)20 min 感染過(guò)程中呼吸均勻狀態(tài)良好。
Collison 氣溶膠發(fā)生器使用壓縮空氣使液體霧化產(chǎn)生氣溶膠顆粒,霧化過(guò)程由于剪切力、撞擊力、濃縮作用等的影響,會(huì)導(dǎo)致部分微生物衰亡或失去活性[15];同時(shí)AGI-30 液體撞擊式采樣器在采樣過(guò)程中存在微生物粒子撞擊時(shí)的損傷、逃逸及再次氣溶膠化等問(wèn)題[16],因此本研究中采集到的氣溶膠中流感病毒滴度比氣溶膠發(fā)生液中滴度低2.4 log10CCID50。 采用Collison 發(fā)生器(Input)發(fā)生SARSCoV-2 氣溶膠或東方馬腦炎病毒,采用AGI-30 液體撞擊式采樣器(Output)采集病毒氣溶膠,Input 和Output 病毒滴度之間具有良好的線性關(guān)系,分別損失2 log10pfu[17]和3.4 log10pfu[18],這與本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
本研究中,在氣溶膠發(fā)生30 min 內(nèi),Collison 氣溶膠發(fā)生器中流感病毒的存活率高于50%,這與噬菌體D29 的存活率基本相符[19],Mainelis 等[20]也報(bào)道了熒光假單胞菌經(jīng)Collison 氣溶膠發(fā)生器霧化90 min 后,活力損傷了50%,然而Hermann 等[21]指出病毒在機(jī)械上比細(xì)菌更容易霧化,Ibrahim 等[22]研究顯示用Collison 氣溶膠發(fā)生器連續(xù)霧化60 min 的過(guò)程中,H1N1 流感病毒活力出現(xiàn)輕微的損失,Kim等[23]報(bào)道有囊膜的冠狀病毒在霧化30 min 后,病毒存活率僅下降了15%。 高致病性禽流感、SARSCoV-2、尼帕病毒、埃博拉病毒等重大呼吸道病毒性傳染病有可能通過(guò)氣溶膠傳播,SARS-CoV-2 氣溶膠吸入暴露劑量在3.7~4.2 log10pfu 可以感染非洲綠猴[17],2.6~4.7 log10pfu 的埃博拉病毒可以通過(guò)氣溶膠感染恒河猴[24],2.0~3.0 log10pfu 的尼帕病毒可以通過(guò)氣溶膠感染非洲綠猴[25],這些呼吸道病毒對(duì)NHP 的氣溶膠暴露劑量在2.0~4.7 log10pfu 即可成功建立感染模型,因此盡管本研究中使用的我國(guó)自主研發(fā)的氣溶膠暴露系統(tǒng)在氣溶膠發(fā)生過(guò)程中流感病毒存活率方面與先進(jìn)國(guó)際水平相比仍然存在較大差距,但若使用高濃度(107CCID50/mL 以上)病毒發(fā)生液產(chǎn)生氣溶膠時(shí),在5~30 min 的感染窗口期內(nèi),實(shí)驗(yàn)猴吸入氣溶膠10~20 min,可以達(dá)到104CCID50左右的感染劑量,理論上可以成功建立病毒氣溶膠NHP 感染模型。
使用高濃度流感病毒液產(chǎn)生氣溶膠進(jìn)行裝置氣密性測(cè)試評(píng)價(jià)時(shí),未檢測(cè)到具有感染性的流感病毒,表明該暴露裝置沒(méi)有發(fā)生氣溶膠泄露,對(duì)生物安全三級(jí)實(shí)驗(yàn)室保護(hù)良好。 嗜熱脂肪芽孢桿菌對(duì)各種消毒方式具有較強(qiáng)的抵抗力,可以作為消毒效果驗(yàn)證的直接指標(biāo)[26]。 以嗜熱脂肪芽孢桿菌作為消毒指示菌的效果驗(yàn)證,表明使用35%過(guò)氧化氫采用汽化方式可對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行有效地消毒,消毒效果完全。
綜上所述,本研究在生物安全三級(jí)實(shí)驗(yàn)室中以流感病毒評(píng)價(jià)了非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)運(yùn)行中病毒氣溶膠的重要參數(shù),包括氣溶膠粒徑、氣溶膠輸出氣密性、均一性、穩(wěn)定性等。 這些廣泛的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)使我們能夠?qū)Ψ侨遂`長(zhǎng)類動(dòng)物口鼻式氣溶膠暴露系統(tǒng)的基本情況有客觀深入的認(rèn)識(shí),并為有效地利用這一系統(tǒng)建立SARA-CoV-2和其它病毒氣溶膠感染NHP 模型提供了可能。