Роль микробиологических лабораторий в науке и промышленности
Микробиологические лаборатории – неотъемлемая часть современной науки, медицины и промышленности. Они нужны для того, чтобы изучать микроорганизмы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие) и использовать эти знания на благо человека. Основные отрасли, где широко используются микробиологические лаборатории, это медицина и здравоохранение, ветеринария, фармацевтическая промышленность, пищевая промышленность, сельское хозяйство, экология и охрана окружающей среды, криминалистика и биологическая защита, научные исследования.
Ключевую роль микробиологические лаборатории играют в медицине и здравоохранении для диагностики инфекционных заболеваний, определения чувствительности к антибиотикам, контроля внутрибольничных инфекций, эпидемиологического надзора. В научных исследованиях и в фармацевтике микробиологические лаборатории – неотъемлемая часть процесса разработки новых лекарств и методов лечения для медицины и ветеринарии, производства антибиотиков, вакцин и ферментов.
В пищевой промышленности лаборатории следят за качеством и безопасностью продуктов, осуществляют контроль сырья, технологических процессов и готовой продукции, анализ срока годности, использование полезных микробов в процессах брожения при производстве йогурта, сыра, вина, пива, квашеной капусты. Для контроля качества воды анализируют питьевую воду, воду в бассейнах и природных источниках на наличие опасных микробов, осуществляют мониторинг сточных вод, оценивают эффективность работы очистных сооружений.
Классификация микробиологических лабораторий
Микробиологические лаборатории классифицируют в зависимости от их назначения, уровня биологической опасности работающих в них микроорганизмов и отраслевой принадлежности. По назначению и отраслевой принадлежности различают клинико-диагностические (медицинские), санитарно-гигиенические, ветеринарные, производственные, криминалистические, научно-исследовательские и учебные лаборатории.
Самой важной является классификация микробиологических лабораторий по уровню биологической безопасности.
В лабораториях 1 уровня биобезопасности ведутся работы с патогенными микроорганизмами (ПБА) IV группы патогенности – непатогенными штаммами, не вызывающими заболеваний у здоровых людей (например, Bacillus subtilis, Lactobacillus). Это стандартные учебные или научные лаборатории в школах и вузах, лаборатории для контроля некоторых показателей качества пищи, работа в которых ведется на открытых столах.
Лаборатории 2 уровня биобезопасности осуществляют работы с ПБА III группы патогенности – условно-патогенными возбудителями, вызывающими заболевания средней тяжести, для которых существует лечение и профилактика (например, Staphylococcus aureus, Salmonella spp., вирус гепатита B, ВИЧ). В таких лабораториях обязательно использование защитного оборудования: лабораторный бокс биологической безопасности (БББ) класса I или II, наличие автоклава, строгие правила по дезинфекции и утилизации отходов. К таким лабораториям относится большинство клинико-диагностических лабораторий в больницах, ветеринарные лаборатории, санитарно-гигиенические и научно-исследовательские лаборатории.
В лабораториях 3 уровня биобезопасности работают с ПБА II группы патогенности – высокопатогенными возбудителями, которые могут вызывать тяжелые или летальные заболевания, передающиеся воздушно-капельным путем (например, Mycobacterium tuberculosis (туберкулез), Francisella tularensis (туляремия), вирус лихорадки Западного Нила). Такие лаборатории оборудуются изолированными помещениями с отдельной системой вентиляции, все работы проводятся только в БББ класса II или III.
Лаборатории 4 уровня биобезопасности предназначены для работы с ПБА I группы патогенности – чрезвычайно опасными возбудителями, против которых нет лечения или вакцин, с высоким риском передачи (например, вирусы Эбола, Марбург, натуральной оспы). В таких лабораториях используется максимальная изоляция самой лаборатории, её помещений и сотрудников. Лаборатория является отдельным зданием или изолированным блоком с сложнейшими системами фильтрации воздуха и воды. Работы проводятся в скафандрах с подачей воздуха (БББ класса III), осуществляется самый строгий контроль доступа. Это единичные лаборатории в мире (например, «Вектор» в России, CDC в США).
По типу исследуемых микроорганизмов различают бактериологические, вирусологические, микологические (изучение грибов), паразитологические и лаборатории по изучению анаэробных микроорганизмов. На практике одна лаборатория часто сочетает в себе несколько признаков. Например, клиническая лаборатория в крупной больнице является одновременно клинико-диагностической 2 уровня биобезопасности, предназначенной для работы с ПБА III и IV групп патогенности и может иметь в своем составе паразитологическое отделение.
Основные методы работы в микробиологической лаборатории
Основной метод работы в микробиологической лаборатории – это культивирование (выращивание) микроорганизмов на питательных средах с последующей их идентификацией и определением чувствительности к антимикробным препаратам. Этот процесс является базовым и состоит из нескольких ключевых этапов, которые образуют замкнутый цикл работы.
Этапы работы в микробиологической лаборатории включают в себя отбор и транспортировку материала, микроскопию (бактериоскопию) как первый и быстрый метод, дающий предварительную информацию. Образец наносят на предметное стекло в виде мазка и окрашивают по методу Грамма. Этот метод делит все бактерии на две большие группы: грамположительные (окрашиваются в сине-фиолетовый цвет, например, стафилококки, стрептококки) и грамотрицательные (окрашиваются в розово-красный цвет, например, кишечная палочка, сальмонеллы).
Основной метод, используемый в микробиологических лабораториях, культивирование или посев на питательные среды. В качестве питательных сред используются специальные среды, как жидкие, так и плотные, которые содержат всё необходимое для роста микробов: агар, пептон, соли, кровь и др. Материал петлей или тампоном наносят на поверхность плотной среды и распределяют для получения изолированных колоний. Жидкие образцы (кровь) предварительно засевают в бутыли с жидкими питательными средами. После инкубации в термостате (обычно 18–24 часа при 37°C) изучают выросшие колонии. Макроскопией оценивают размер, форму, цвет, прозрачность, характер края и количество колоний. Микроскопией определяют форму, размер, окраску по Грамму и расположение бактериальных клеток для их идентификации и оценки количества.
Молекулярно-генетические методы: ПЦР
Другим важным методом, используемым в лаборатории, является молекулярно-генетический метод с использованием полимеразных цепных реакций (ПЦР). Метод ПЦР позволяет быстро и точно обнаружить ДНК/РНК конкретного возбудителя (вирусы, труднокультивируемые бактерии) без его выращивания. Применение ПЦР в микробиологической лаборатории позволяет за 1–3 часа идентифицировать патоген, который при классическом посеве требовал бы 24–48 часов и более (например, Salmonella, Listeria, Mycobacterium tuberculosis).
Работа с образцом в ПЦР-лаборатории включает в себя следующие этапы: взятие и транспортировка образца (кровь, моча, мокрота, мазки и т.д.), пробоподготовка – включает выделение ДНК/РНК из образца и очистку от примесей, которые могут ингибировать реакцию, постановка ПЦР: смешивание очищенной ДНК/РНК с праймерами, полимеразой, нуклеотидами и буфером в амплификаторе и детекция результата, чаще всего методом электрофореза или в режиме реального времени с помощью флуоресцентных меток.
Метод ПЦР обладает очень высокой чувствительностью, чрезвычайно высокой специфичностью, возможностью выявления некультивируемых образцов, минимальным влиянием антибиотиков, высокой скоростью выполнения анализа. К недостаткам метода следует отнести высокую стоимость оборудования и реагентов, необходимость высококвалифицированного персонала, возможность ложноотрицательных результатов. Для преодоления риска контаминации требуется строгое зонирование лаборатории.
Организация и планировка микробиологической лаборатории
Организация микробиологической лаборатории требует соблюдения большого количества правил и ограничений, изложенных в нормативных документах. Объемно-планировочное решение (ОПР) микробиологической лаборатории — это фундамент её безопасной и эффективной работы. Оно определяет взаимное расположение помещений, потоки движения людей, материалов и проб, а также обеспечивает соблюдение строгих санитарных и противоэпидемиологических норм. При разработке ОПР необходимо соблюдение принципа разделения потоков («чистый-грязный» поток). Должны быть полностью разделены маршруты движения персонала, поступления чистых материалов (посуда, питательные среды) и проб (клинических образцов), а также удаления отходов и выхода персонала.
В микробиологической лаборатории реализуется принцип зонирования по классам чистоты. Лаборатория делится на зоны с разным уровнем микробиологической безопасности и требований к чистоте:
1. «Чистая» зона – комната для подготовки питательных сред, автоклавирования чистой посуды, кабинет для оформления документации.
2. «Грязная» (инфекционная) зона – помещения для работы с патогенными микроорганизмами, обязательно оборудуются боксами биологической безопасности (ББ).
Помещения с разным уровнем опасности должны быть изолированы друг от друга с помощью систем шлюзов, коридоров, тамбуров. Особо опасные зоны (например, для работы с возбудителями I–II группы патогенности) должны быть выделены в отдельный, герметично изолируемый блок.
Функционально лаборатория состоит из нескольких взаимосвязанных блоков: приемно-регистрационный блок, блок пробоподготовки, аналитический блок с помещением для микробиологических посевов, помещениями для микроскопии, термостатов и холодильных камер для культивирования и хранения культур, вспомогательно-технический блок и административно-бытовой блок.
Оснащение микробиологической лаборатории
Оснащение микробиологической лаборатории зависит от профиля работы (клиническая диагностика, пищевая микробиология, научные исследования), но базовый принцип един: зонирование и специализация оборудования. Лаборатория должна быть разделена на функциональные зоны, чтобы предотвратить перекрестную контаминацию:
1. «Чистая» зона: место для подготовки питательных сред, стерилизации посуды, документации. Здесь размещают автоклавы, дистилляторы, аналитические весы.
2. Зона для проведения анализов (основная рабочая зона): оборудована лабораторными боксами (ламинарами), микроскопами, термостатами.
3. Зона мойки и стерилизации: отдельное помещение для мытья и обеззараживания посуды, отходов. Здесь находятся моечные ванны, автоклавы, сухожаровые шкафы.
В свою очередь приборное оснащение можно разделить на группы:
1. Группа – оборудование для подготовки проб и сред: аналитические весы, дистиллятор или система очистки воды, рН-метр, магнитные мешалки с подогревом и плитки, водяная баня, автоклав (паровой стерилизатор) для стерилизации питательных сред, растворов, лабораторной посуды и инструментов под давлением насыщенным паром и стерилизатор воздушный.
2. Группа – оборудование для посева, культивирования и выделения культур: ламинарный бокс или бокс биологической безопасности для создания стерильной рабочей зоны для посевов, чтобы защитить образец от контаминации извне, а персонал – от патогенных микроорганизмов, термостаты для выращивания микроорганизмов при постоянной оптимальной температуре.
3. Группа – оборудование для идентификации и анализа: бинокулярный микроскоп, автоматический счетчик колоний, биологический микроскоп, желательно с иммерсионным объективом 100x. Соответственно, для ПЦР анализа необходим амплификатор в реальном времени.
4. Группа – вспомогательное и специализированное оборудование: стерилизатор бактериологических петель и игл в пламени газовой горелки или электрическим нагревом, центрифуга для концентрирования микроорганизмов из жидкостей, пипеточные дозаторы одно- и многоканальные.
Биологическая безопасность и инженерные системы
Особо следует остановиться на вопросах биологической безопасности в микробиологической лаборатории. На границе «чистой» и «заразной» зон оборудуется санпропускник, состоящий из гардероба уличной и домашней одежды, душевой и гардероба специальной одежды «чистой» зоны. Помещения «заразной» зоны лаборатории должны быть оборудованы отдельными автономными системами приточно-вытяжной вентиляции с механическим побуждением, оснащенными фильтрами очистки воздуха.
Сточные воды из технологического оборудования и помещений «заразных» зон сбрасываются по самостоятельным сетям трубопроводов спецканализации, оборудованной системой термической или химической обработки сточных вод. В настоящее время при проектировании микробиологических лабораторий применяются локальные установки химического обезвреживания стоков.
Автор статьи: В.К. Густылев, ведущий инженер отдела проектирования ООО «ПрофЛаб»
