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新冠病毒疫情到今天为止，已经波及到世界各地，目前除中国之外的感染人数上数十万。因此，新冠病毒的传染性极强，毒性也远比普通流感强很多。
新冠病毒疫情到今天为止，已经波及到世界各地，目前除中国之外的感染人数已达数十万。因此，新冠病毒的传染性极强，毒性也远比普通流感强很多。新冠病毒的传染性和毒性为何如此之强？生物安全实验室等级划分又是怎样的？本文，来自
张乐帅博士，现为放射医学与辐射防护国家重点实验室、苏州大学医学部放射医学与防护学院教授、美国资质认证毒理学家、欧洲注册毒理学家、英国注册毒理学家。2002年及2005年分获华东理工大学生物化学学士及硕士学位，并于中科院上海生化细胞所联合硕士培养；后赴美学习，2010年获美国北卡州立大学博士学位；2010-2012年于美国食品药物管理局开展药物毒理学研究，并参加进行药审培训；2012年起于美国堪萨斯州立大学担任研究助理教授，开展食品毒理学、纳米毒理学研究；2014年聘为苏州大学放射医学与防护学院教授。目前从事基于三维肝微组织的纳米毒理学以及纳米肿瘤免疫学的研究活动。截止目前，共发表文章40余篇，论文引用1500余次，获得国自然面上基金3项与青年基金1项。
新冠病毒的传染性和毒性为何如此之强？研究发现，病毒表面的spike（S）蛋白有一段受体结合区（RBD），此区域和2002年爆发的SARS病毒S蛋白对应序列非常接近，因此人们一开始就猜测新冠病毒可能与细胞上的一种叫做血管紧张素转换酶2(ACE2)结合而入侵细胞【1】。进一步研究发现，新冠病毒S蛋白RBD区域相比于SARS病毒产生了系列突变，使它与细胞表面ACE2的结合能力更加灵活而强劲【2】;更有学者发现，冠状病毒的侵染还能进一步提高ACE2的表达【3】。因此，新冠病毒被认为能经由病毒携带者以间接接触或气溶胶形式传染给健康人，并与人类肺泡II型细胞ACE2蛋白的结合，肆无忌惮的进攻肺部。紧接着，为了对抗新冠病毒，产生了过度免疫反应（细胞因子风暴），炎症的爆发使肺部产生并充满大量的黏液质（有人认为是死亡细胞DNA释放所致），病人因此呼吸变得困难而成为重症患者。新冠病毒还能游走到深处，变本加厉的侵犯同样高表达ACE2的心脏、肾、等器官，提示这些器官也可能会受到新冠病毒的侵袭，从而导致心血管毒性、肾毒性及生殖毒性等系列问题【4,5】。Blablabla的说了大半天新冠病毒的传染性和毒性机理，吃瓜同事们有没有突然意识到，这研究的对象可是病毒呢！如果科研人员在常规生物实验室进行病毒相关的细胞或动物实验，病毒就能在不知不觉中传染给他们，并在体内大量组装成具有高度活性的子代病毒。那么，以上针对冠状病毒的研究应该在哪里进行呢？大家自然就想到了石正丽教授团队所在的中国科学院武汉病毒研究所，他们进行的高度危害性的病毒实验，是需要在那称为P4级别的国家生物安全实验室（NBL）中进行的。P4实验室又是什么呢？在这里，作者将和大家聊聊生物安全实验室的基本概念、总体介绍、建造标准和技术规范，以及相应的法律法规支持，以便各位深入理解病毒研究过程的高标准严要求，并通过此文建议我校可考虑建立P3实验室，以满足我国生物安全研究的国家战略需求。
病原微生物的毒性差别很大，因此要采取相应的防护措施；根据对所操作的病原微生物的特点，将实验室生物安全防护水平分为一到四级（P1-P4）；官方的定义可详见《病原微生物实验室生物安全管理条例》【6】；有关四个级别的生物安全实验室的总结，可详见下表【7】。在这里，作者将用通俗的语句对四个级别的生物安全实验室分别阐述。在这四个级别中，P1防护水平是最低的，所操作的微生物在这种普通实验室中一般不会导致科研人员生病，比如一些非感染性的细菌，包括再熟悉不过的E. coli大肠杆菌；这样的细菌在实验过程中用手套和护眼罩防护、实验做完后用肥皂洗手即可。
P2级就要注意一点了，所操作的病原微生物往往对科研人员造成轻微的疾病，比如甲乙丙型肝炎、麻疹病毒、抗药性金葡萄球菌。P2级别下操作病毒相应的防护措施会比P1级来得严格，比如只能是经过培训的人员才能进出、必须在生物安全柜中操作样品、最好用二级生物安全柜而防止因操作导致喷雾形式的污染。相比之下，P3和P4级别下操作的病毒对象，都会引起科研人员严重的疾病，因此防护的要求是非常高的；在这里对这两个级别进行更为详细的描述。
值得一提的是，美国疾控中心也将艾滋病病毒（HIV）归类在P2实验室中研究和管理【8】。你可能会说，这种病毒致病性也是非常让人生畏的，但为什么能允许在级别较低的P2实验室中研究，是不是太危险了？大家都知道，HIV传染途径主要通过性传播和血液传播，但不会通过气溶胶发生传染。目前认为，普通接触很难传染艾滋病，因此按照这个理论，HIV应归类在P2级实验室中操作。具体而言，美国疾控中心有关《微生物与生物医学实验室的生物安全》第五版【8】中详细对艾滋病病毒的研究应对有非常明确的解释：“如果要生产实验室研究所需的HIV，或者浓缩HIV，或在研究过程中会产生HIV液滴或气溶胶，则整个活动应在P2实验室中进行，但用P3的实践规范进行管理。如果需要获得更大规模的病毒量或者浓缩，则采用P3实验室规范管理模式进行操作及防护。”简单的说，如果要研究HIV，则至少要在P2实验室中进行超严格的管理，但最好在P3实验室中进行。
那么，P3实验室又是怎样的呢？P3生物安全实验室中研究的病原微生物具有高度危害性，传染给科研人员可以引起严重甚至致死的疾病，但所幸目前已经有预防和治疗的方法；相关的病毒包括臭名昭著的炭疽杆菌、结核杆菌、伤寒杆菌等；这些病菌会引起严重的疾病，但是已经相应抗生素可治，也有疫苗可防。截止目前，我国已有近50家机构建立了P3实验室，大部分在各个省直辖市的出入境检验检疫局以及疾控中心，而中国疾病预防控制中心也针对禽流感、病毒性出血热、病毒性脑炎、艾滋病病毒、SARS以及不明疾病建立了十多个P3实验室；除此以外，在高校中复旦大学、浙江大学、武汉大学、中山大学、扬州大学、华南农业大学、华中农业大学、中国医科大学都建立有P3实验室。2020年2月14日，习总在主持召开中央全面深化改革委员会第十二次会议中提到“把生物安全纳入体系，要尽快推动出台生物安全法，加快构建国家生物安全法律法规体系、制度保障体系”【9】。因此，可见在未来两三年内，将会有更多疾控中心及检验检疫部门之外的高校、科研院所研究机构P3生物安全实验室出现，以满足国家生物安全的战略需求。
相比之下，P4级别生物安全实验室中所处理的病原体不仅具有高传染性，还无药可治、无（疫）苗可防，比如刚果出血热、埃博拉病毒；天花病毒虽然有药可治、有苗可防，但由于其高烈性的传染能力，人们依然选择尽可能在P4实验室中研究。那么在这里，我们不得不提到SARS冠状病毒的研究治疗史，其当年的治疗方法主要是使用大量的激素，但导致了病人的股骨头坏死的问题，因此激素疗法并非为可靠的治疗方法；另外，我国自制研发的SARS疫苗仅仅经历了一期临床试验就戛然而止，其仅是在受试者中观察到了抗体【10】，在此以后病毒不再传播，疫苗也就失去了商业意义，企业没有动力再投入。由此可以判断，SARS病毒的研究即使是现在，也应置于P4实验室中进行。然而，我国在2003年虽然有数个所谓的P3实验室，但因为缺乏安全实验室的评价标准，包括了硬件的重大缺失、软件的国内外差距、安全意识淡漠、缺乏系统培训、没有管理体系等问题，导致科研人员只能在相对落后的P3实验室研究SARS病毒——这就是SARS被归类于在P3实验室中操作的历史原因。甚至在2003年前，连见过P4实验室结构的人都没有，这些问题导致了国家决心建立生物安全实验室标准和法规，以推动更高层级的病毒研究。
这次新冠病毒开展的研究所需的生物安全实验室的级别，国家也予以了规定。国家卫生健康委办公厅早在本年1月23日发布了《新型冠状病毒实验室生物安全指南》第二版，强调病毒培养、动物感染试验应在P3实验室进行，未经培养的感染材料操作应当在P2实验室进行，采用P3实验室规范管理模式进行操作及防护，对于灭活材料的操作可在P2实验室中进行，而分子克隆等不含致病性活病毒的其他操作，可以在P1实验室进行【11】。一般来说，相应等级实验室需要报经国家卫生健康委批准，取得开展相应活动的资质，才能开展针对某种病毒的研究。
由于我国P3生物安全实验室较多，部分省直辖市疾控中心和检验检疫部门已申请并在运营状态，可有较多机会参观；但是P4实验室最为高端，其与P3有一定相似度，而建设与管理更为严格。下面就以武汉病毒所为例，在P4实验室中是个什么体验。武汉病毒所P4实验室共3000多平方米，其分为四层：底层是污水处理池和设备、制氧设施；二层是核心实验区，包括3个细胞实验室、2个动物实验室、1个解剖间、1个菌毒种保存间；三层为线路管道，如果坏了可以进行检修；四层是过滤送排风、恒温恒湿空调保障系统。它的整个建造工艺与技术装备由法国输出，整个工程耗时十余年；中法签署的协议内包括人员培训，科研人员一般都会赴法国的实验室接受培训，并获得法国BSL-4使用许可证书。
P4实验室有一层一层的负压装置，气压向内逐层递减，保证了烈性病原不会向外扩散；整个实验室的密封性极为良好，极少留有缝隙；有关电力也是优先保证P4实验室的供电，在紧急情况下可由发电机自行发电，从而充分保证了实验室安全；作为一个P4级别的实验室，实验室的一切都受到24小时的监控。核心实验区大约300平方米，外部有环形走廊，其中间是真正进行病毒研究的实验室。外部与核心实验室由大大的玻璃窗分隔开；核心实验室内设备很特殊，有专门的二级生物安全柜和培养箱等，还有含有特制键盘、电话和显微镜；在与外间控制室里，工作人员和来交流的科学家是不需要穿防护服的，他们可以实时观看研究图片，并和实验室里的研究人员交流，还可以远程控制显微镜。相关的内部结构可见下图【12】：
进入P4实验室的人员都必须进行各类实验活动的演练、熟悉实验环境与设备操作，开展各类意外事故的演练，经过相当严格的培训（如穿脱防护服），通过考核拿到证书才能获得上岗资格。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，从而避免室内空气的流通。进入实验室需要耗费大概15到20分钟时间，研究人员两人一组在间脱去所有衣服，进入气闸室淋浴消毒完毕，穿上一次性内衣后，再去穿防护服。防护服不是普通的衣服，防护服头部是透明的充气罩，外表为白色，有点像宇航服，只不过它是用来防止病毒感染的；这里要给防护服加压，确保其没有泄露才能穿；防护服下端连接着一条直径2cm的天蓝色呼吸软管，管线另一端悬挂连接在天花板上，与供气导管连接，其会向防护服内提供新鲜呼吸空气，防护服内的正压状态可以让防护服离开供气导管的两分钟时间内，还能持续内部工作人员的呼吸供气，也便于工作人员移动时更换供气导管。在穿戴好防护服之后，即可进入操作间，也就是热区（Hot zone）。在P4实验室中做实验，多处设有呼吸管，因此走到哪里，呼吸管就要换到哪里；研究人员用移液器把病毒样本取出来，在做这种高危操作的时候，除了操作。