Werfen Sie einen Blick in eine Biosicherheitsanlage der Stufe 3 in Tufts

Das Äußere des Regional Biosafety Laboratory an der Cummings School of Veterinary Medicine der Tufts University. Foto: Joanie Tobin / Tufts University

Das Regional Biosafety Laboratory an der Cummings School of Veterinary Medicine ist führend bei der Erforschung von Infektionskrankheiten – und deren Eindämmung

Versteckt in einer ruhigen Straße in der Nähe der Cummings School of Veterinary Medicine an der Tufts University liegt ein stoisches Backsteingebäude, umgeben von einem schmiedeeisernen Zaun. Das unscheinbare Äußere täuscht über die wichtige Forschung hinweg, die im New England Regional Biosafety Laboratory (RBL) stattfindet, einer Biosicherheitseinrichtung der Stufe drei in Grafton, die die sichere Erforschung hochansteckender Mikroorganismen ermöglicht.

Die National Institutes of Health (NIH) haben die Tufts University als einen von zwölf Standorten in den Vereinigten Staaten ausgewählt, um eines dieser Speziallabore unterzubringen, die vom Kongress nach den Terroranschlägen vom 11. September 2001 beauftragt wurden. Die ursprüngliche Absicht war dass sich die Labore auf die Reaktion auf Bioterrorismus, wie etwa die Anthrax-Anschläge im selben Jahr, konzentrieren sollten. Viele der Labore haben sich jedoch inzwischen auf die Erforschung neu auftretender und wiederauftretender Infektionskrankheiten ausgeweitet.

„Das NIH hatte bei der Einrichtung dieser Labore große Weitsicht, denn sie stehen jetzt an vorderster Front bei der Reaktion unseres Landes auf die COVID-19-Pandemie“, sagte Sam Telford III, Professor an der Abteilung für Infektionskrankheiten und globale Gesundheit (IDGH) an der Cummings School of Veterinary Medicine und Direktor des RBL.

Telford war einer von vielen Tufts-Fakultätsmitgliedern, die zu dem 200-seitigen Vorschlag an das NIH beigetragen haben, in dem sie die Gewährung einer Einrichtung für Tufts forderten. Das Projekt wurde von Saul Tzipori, angesehener Professor und Lehrstuhlinhaber für Wissenschaft und Gesellschaft der Agnes Varis University an der Cummings School of Veterinary Medicine, geleitet. Die ersten Bemühungen begannen im Jahr 2003, als Tzipori vom National Institute of Allergy and Infectious Diseases einen Zuschuss in Höhe von 25 Millionen US-Dollar erhielt, um ein Portfolio für biologische Abwehrmaßnahmen zu entwickeln – eine Arbeit, die eine Biosicherheitseinrichtung der Stufe drei (BSL-3) erfordern würde, über die Tufts nicht verfügte zu der Zeit. Diese Finanzierungsmöglichkeit bot einen Anreiz für die Universität, Tzipori die Bewerbung für die Einrichtung zu gestatten.

Einige der Personen auf diesem Archivfoto, von links: Kongressabgeordneter Richard Neal, Michael Kurilla vom NIH, Saul Tzipori, CEO des Massachusetts Life Sciences Center Susan Windham-Bannister, Abgeordneter George Peterson, Staatssenator Michael Moore, emeritierter Dekan der Cummings School Deborah Kochevar und der emeritierte Tufts-Präsident Lawrence Bacow. Foto: Mit freundlicher Genehmigung von Saul Tzipori

Letztendlich trug das NIH etwa 75 % der gesamten Baukosten in Höhe von 32 Millionen US-Dollar, die erforderlichen entsprechenden Mittel wurden vom Commonwealth of Massachusetts durch einen Zuschuss des Massachusetts Life Science Center in Höhe von 9,5 Millionen US-Dollar bereitgestellt. Die Tufts University hat Universitätsgelder in Höhe von 7 Millionen US-Dollar in einer Stiftung bereitgestellt, um die jährlichen Betriebskosten teilweise auszugleichen. In den letzten zwei Jahren erhielt die Cummings School vom NIH Zuschüsse in Höhe von mehr als 7 Millionen US-Dollar für Infrastrukturverbesserungen, um die technologischen und wissenschaftlichen Fähigkeiten der Einrichtung zu verbessern. Dieser Mittelzufluss stellte sicher, dass kritische Gebäudesysteme für die nächsten 10 Jahre sicher betriebsbereit und nachhaltig sind.

Tzipori, der seine Karriere der Erforschung von Infektionskrankheiten gewidmet hat, war der erste Direktor des RBL und trat 2016 zurück. In seinem Büro behält er eine Schaufel vom Spatenstich des RBL.

„Es brauchte eine Pandemie, aber wir sehen endlich, dass das RBL sein volles Potenzial als geschäftiges Zentrum der Spitzenforschung im Bereich Infektionskrankheiten ausschöpft, das sich auf die Gesundheit von Mensch und Tier gleichermaßen konzentriert“, sagte Tzipori. „Es ist ein wahrgewordener Karrieretraum. Das RBL wird die Cummings School und die Tufts University in den kommenden Jahren zu einem sicheren Ort für Forscher machen, an dem sie Forschungsbemühungen zu Krankheiten vorantreiben können, von denen Millionen Menschen weltweit betroffen sind.“

Biosicherheitsstufen (BSL) beziehen sich auf Laborpraktiken und -verfahren, während sich Risikogruppen auf die in der Forschung verwendeten Mikroben beziehen. Während die meisten Risikogruppen dem Biosicherheitsniveau entsprechen, ist dies nicht immer der Fall.

BSL-1: Mikroben, die auf dieser Ebene verwendet werden, stellen ein minimales Risiko für das Laborpersonal dar und verursachen bei gesunden Erwachsenen im Allgemeinen keine Krankheiten. Für diese Mikroben, zu denen auch einige E. coli-Stämme gehören, stehen häufig Behandlungen oder Impfstoffe zur Verfügung. Forscher können damit auf einem offenen Labortisch oder -tisch arbeiten und dabei Standard-Labor-PSA wie Handschuhe und Laborkittel tragen.

BSL-2: Mikroorganismen, die auf dieser Ebene eingesetzt werden, stellen ein mäßiges Infektionsrisiko für Forscher dar, lassen sich jedoch oft nur schwer über die Luft anstecken, wie etwa Salmonellen oder HIV. Forscher müssen persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie Handschuhe, Gesichts- und/oder Augenschutz sowie einen Kittel tragen. Die Arbeiten werden typischerweise in einer Biosicherheitswerkbank durchgeführt, die die Luft sammelt und filtert, um ein Entweichen der Organismen in die Umwelt zu verhindern.

BSL-3 : Auf dieser Ebene verwendete Mikroben können durch Übertragung über die Atemwege schwere oder möglicherweise tödliche Krankheiten verursachen, für viele Organismen der Risikogruppe drei stehen jedoch im Allgemeinen Impfstoffe und Behandlungen zur Verfügung. Beispiele hierfür sind SARS-CoV-2, Mycobacterium tuberculosis und Östliche Pferdeenzephalitis (EEE). Die Arbeiten müssen in einer Biosicherheitswerkbank durchgeführt werden. Forscher tragen oft einen kompletten Tyvek-Overall plus Einweg-Füßlinge, mehrere Paar Handschuhe und ein N95-Atemschutzgerät – oder manchmal ein Powered Air Purifying Respirator (PAPR), das die Luft filtert, um das Eindringen infektiöser Organismen zu verhindern.

BSL-4ist den Gefährlichsten vorbehalten und exotische Mikroben, bei denen ein hohes Risiko einer Übertragung über die Luft besteht und für die weder Impfstoffe noch Behandlungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel das Ebola-Virus. Diese Arbeit wird nicht im RBL oder in anderen Laboren bei Tufts durchgeführt.

Es war nicht immer ein Zentrum der Aktivität. Als das RBL zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, stellten einige Leute in der Gemeinde die Frage, ob eine solche Einrichtung sicher sei. In Gesprächen mit Anwohnern erklärte die Fakultät der Cummings School, dass das RBL zur Untersuchung von Bakterien oder Viren eingesetzt werden würde, die sie möglicherweise bereits in ihren Hinterhöfen haben, wie zum Beispiel das West-Nil-Virus oder die Östliche Pferdeenzephalitis (EEE). Das trug dazu bei, ihre Bedenken auszuräumen, die Einrichtung wurde 2010 fertiggestellt und die ersten Untersuchungen mit dem West-Nil-Virus und Elektro- und Elektronikgeräten trugen dazu bei, der Gemeinde zu zeigen, dass das Labor sicher ist.

Heute ist das RBL voll von Wissenschaftlern der Cummings School und Drittunternehmen, die Laborräume in der Einrichtung mieten. Bei den Unternehmen handelt es sich um große Forschungseinrichtungen, die an einer Reihe von Aktivitäten beteiligt sind, unter anderem im Zusammenhang mit SARS-CoV-2.

Der Zugang zum Gebäude ist eingeschränkt und die Sicherheitsbestimmungen des Bundes schränken das Fotografieren im Inneren ebenfalls ein. Aber die Forscher sprechen gerne über ihre Arbeit. Von modernster COVID-19-Forschung bis hin zur Erforschung eines Impfstoffs gegen Tuberkulose – hier können Sie einen Blick darauf werfen, was sich hinter verschlossenen Türen im RBL abspielt.

Alle Arbeiten mit lebenden Infektionserregern werden in einer Biosicherheitswerkbank durchgeführt, die dafür ausgelegt ist, das Virus oder die Bakterien in diesem Raum einzudämmen. In den BSL-3-Laborräumen herrscht im Vergleich zu den Fluren ein negativer Luftdruck, und Drucksensoren liefern kontinuierlich Daten an ein Gebäudeautomationssystem. Bei Problemen mit dem Unterdruck wird ein Alarm ausgelöst, die Arbeit wird gestoppt und das Problem wird umgehend erkannt und behoben.

„Die Arbeit unter BSL-3-Bedingungen ist restriktiv und arbeitsintensiv“, sagte Wendy Puryear, leitende Wissenschaftlerin und Leiterin des Runstadler-Labors am RBL. „Idealerweise kümmern wir uns um eine nicht infektiöse Vorbereitung oder den Aufbau, wenn möglich, in einem Bereich mit niedrigerer Biosicherheitsstufe, der körperlich angenehmer ist.“

In den Bereichen der dritten Ebene des RBL ziehen sich die Forscher einen Kittel an und tragen darüber einen kompletten Tyvek-Overall sowie Einweg-Füßlinge, zwei Paar Handschuhe und ein N95-Atemschutzgerät – oder manchmal auch ein PAPR (Powered Air Purifying Respirator), das filtertLuft durch einen HEPA-Filter, um das Eindringen infektiöser Organismen zu verhindern.

„Dann wird es noch unangenehmer. PAPRs haben Akkus, die etwas laut sein können, und im [Tyvek-]Anzug wird es ziemlich heiß. Die Luft, die vom PAPR herabströmt, bläst einen in die Luft wie der Stay-Puft-Marshmallow-Mann.“ Puryear lachte. „Aber wir versuchen es zu tolerieren, denn um eine Pause zu machen, müsste man sich vor dem Verlassen des Raums vollständig desinfizieren und sich dann wieder vollständig anziehen, um wieder hineinzugehen, was beides sehr zeitaufwändig ist.“

„Solche Bemühungen sind die Mühe wert, denn Tufts-Wissenschaftler und die externen Unternehmen, die im RBL arbeiten, streben danach, Behandlungs- und Präventionsstrategien für Krankheiten zu entwickeln, die weltweit weiterhin Todesfälle verursachen, und diese Arbeit kann nur in BSL-3 durchgeführt werden.“ Räume“, sagte Jonathan Runstadler, Professor und Vorsitzender der Abteilung für IDGH an der Cummings School.

Die gesamte PSA hängt an einer Wand im Vorraum, einem Durchgangsbereich mit Waschbecken und Behältern für persönliche Gegenstände, die nicht in das BSL-3-Labor gelangen dürfen. Foto: Mit freundlicher Genehmigung von Wendy Puryear

Die Räume auf der dritten Ebene in Tufts verfügen über einen Durchgangsbereich, der als Vorraum bezeichnet wird, ähnlich wie Operationssäle in Krankenhäusern, mit einem Waschbecken und Behältern für persönliche Gegenstände, die nicht in das BSL-3-Labor gelangen dürfen. Die gesamte PSA hängt an einer Wand im Vorraum; Jeder hat sein eigenes PAPR, da diese nicht geteilt werden. Ein Glasfenster im Vorraum ermöglicht den Einblick in den Laborraum. Jedes Labor verfügt außerdem über einen Durchlaufautoklaven, durch den Laborabfälle austreten, sodass die Abfälle dekontaminiert werden, bevor sie den Bereich verlassen.

„Forschung auf diesem Niveau erfordert eine umfangreiche Ausbildung und wird von erfahrenen Fakultätsmitgliedern und anderen Wissenschaftlern mit äußerster Sorgfalt durchgeführt“, sagte Bernard Arulanandam, Vizeprovost für Forschung bei Tufts. „Das RBL positioniert Tufts als eine führende akademische Forschungseinrichtung, die bedeutende Beiträge zur öffentlichen Gesundheit im Allgemeinen und zur Zukunft der Forschung zu Infektionskrankheiten leistet.“

Ungefähr 30 Millionen Menschen in den USA erkranken in jeder Grippesaison an der Grippe. Doch nicht nur Menschen sind von der Grippe betroffen. Derzeit zirkuliert unter Vögeln in Nordamerika ein hochpathogener Stamm der Vogelgrippe. Seitdem es Ende 2021 eintraf, wurde es auf den gemeldeten Tod von über 3.000 Wildvögeln und mehr als 50 Millionen Geflügel in den USA zurückgeführt. In Europa wird es auch auf die gleiche Anzahl von beiden Arten zurückgeführt. Die Forschung zur hochpathogenen Influenza, einem Virus der Risikogruppe drei, ist eines der größten Projekte im Runstadler Lab.

Im Runstadler-Labor wird das Influenzavirus in embryonierten Hühnereiern oder Zellkulturen gezüchtet. Foto: Mit freundlicher Genehmigung von Wendy Puryear

„Das RBL ist eine unschätzbar wertvolle Ressource, die es der Tufts and Cummings School ermöglicht, einzigartige Arten der Forschung zu Infektionskrankheiten durchzuführen“, sagte Runstadler. „Unser Labor sammelt viele Proben von Wildtieren, nicht nur von Vögeln, sondern auch von Robben im Nordosten, die Influenzaviren übertragen und übertragen. Wir bringen diese Proben in das RBL, weil es uns ermöglicht, unsere Arbeit auf einem erhöhten Niveau der biologischen Sicherheit durchzuführen, und.“ Wenn wir ein Virus isolieren, das ein Risiko für die biologische Sicherheit darstellt, sind wir bereits eingedämmt und können sicher damit umgehen.“

Runstadler und seine Kollegen, darunter die leitende Wissenschaftlerin und Laborleiterin Wendy Puryear, analysieren Gewebeproben oder Abstriche, um vorhandene Viren zu erkennen, sequenzieren die gefundenen Viren und suchen nach Unterschieden zwischen Virusstämmen, um die Fähigkeit dieser Viren zu bestimmen, verschiedene Arten zu infizieren oder verändern sich im Laufe der Zeit in ihren wilden Tierwirten. Sie züchten das Influenzavirus in embryonierten Hühnereiern oder Zellkulturen, was die wichtigste Methode zur Vermehrung und Vermehrung von Virusproben für die Influenzaforschung in einem Inkubator in ihrem Labor darstellt.

Vor der COVID-19-Pandemie bezog sich ein Großteil der Arbeit im Runstadler-Labor auf die Grippe, doch im Jahr 2020 erweiterte sein Team seine Arbeit auf die parallele Forschung mit SARS-CoV-2, einem Virus der Risikogruppe drei. Bei SARS-CoV-2 untersuchen sie jedoch die Möglichkeit, dass das Virus in Wildwirte gelangt, die zu einem Reservoir für Infektionen beim Menschen werden könnten.

Im Frühjahr 2020 wollte Tzipori unbedingt, dass die Cummings School Tiermodelle für die SARS-CoV-2-Forschung aufbaut, um Impfstoffe und Therapeutika zu testen. Die Pathologin Amanda Martinot, Assistenzprofessorin in der Abteilung für IDGH und der Abteilung für vergleichende Pathobiologie an der Cummings School, war eine der ersten, die sich einmischte, als sie zusammen mit Kollegen von der Harvard Medical School einen Fast Grant erhielt, um Gewebe aus COVID-19-Impfstoffstudien zu analysieren Tiermodelle.

Puryear sagt, dass sie und andere Labormitarbeiter während des Höhepunkts der Pandemie häufig 12 bis 16 Stunden am Tag arbeiteten und oft 4 bis 6 Stunden am Stück im BSL-3-Labor arbeiteten. Fast jeden Tag verarbeiteten sie Proben, die aus verschiedenen Quellen ins Labor kamen, darunter die Tufts Wildlife Clinic, das Henry and Lois Foster Hospital für Kleintiere, das Hospital für Großtiere, Heimkits, die an Menschen geschickt wurden, um ihre Haustiere zu testen, von Wildtierkliniken und Rehabilitatoren Dritter sowie von Menschen über klinische Studien, an denen das Labor teilnahm. Die Ergebnisse trugen zu einer Vielzahl von Bemühungen bei, darunter zum Verständnis der Übertragung zwischen Menschen und Tieren, sowohl Haus- als auch Wildtieren, sowie zur Entwicklung eines besseren Verständnisses darüber, wie sich Merkmale des Wirts auf die Anfälligkeit für Infektionen und/oder Krankheiten auswirken können.

Vor kurzem erhielten Martinot und die Virologin Sally Robinson in Tziporis Labor eine COVID-Startkapitalfinanzierung von Tufts, um am RBL mit der Durchführung ihrer eigenen COVID-Herausforderungen in Hamstermodellen zu beginnen. Anfang des Jahres veröffentlichten Martinot und andere Autoren einen Artikel über ihre Arbeit.

Ein Forscher bereitete sich auf die Arbeit mit SARS-CoV-2-Diagnoseproben im RBL vor. Foto: Mit freundlicher Genehmigung von Wendy Puryear

„Es war ein wirklich einfacher Übergang, mit der Analyse unseres eigenen Gewebes zu beginnen, anstatt von Geweben, die uns von anderswo zugesandt wurden“, sagte Martinot. „Und es war ein großer Fortschritt, denn jetzt bekommen wir das Virus, vermehren es und stellen Virusbestände aus den verschiedenen Varianten da draußen her.“

Robinson übernimmt die meiste Arbeit bei der Überwachung der Tierthemen. Nachdem sie sich mit dem Virus infiziert haben, wiegt sie sie täglich, um ihr Körpergewicht zu verfolgen, und dokumentiert ihren Weg von der Krankheit bis zur Genesung. Sämtliche Tierversuche werden im Voraus vom Institutional Animal Care and Use Committee genehmigt, das von den Forschern verlangt, infizierte Tiere sorgfältig zu überwachen. Sie hat bei dieser Forschung nicht nur mit anderen Tufts-Wissenschaftlern zusammengearbeitet, sondern auch mit Unternehmen, die auf dem Campus arbeiten, und Unternehmen außerhalb von Tufts. Robinson unterstützt das Martinot-Labor auch bei einer Studie im Zusammenhang mit dem Tufts Medical Center zur Entwicklung eines Tiermodells zur Untersuchung der langfristigen Auswirkungen von COVID-19.

„Wir unterhalten Bestände der verschiedenen SARS-CoV-2-Virusvarianten“, sagte Robinson. „Wir geben diese den Tieren und charakterisieren die Art der Infektion sowie die entsprechenden klinischen Symptome und Pathologien, die wir sehen. Wenn wir Impfstoffe und Therapeutika testen, achten wir darauf, ob die Tiere vor diesen klinischen Symptomen geschützt sind oder ob sie es tun.“ „sind vor chronischer Pathologie geschützt.“

Martinot verbringt ihre Zeit zwischen der SARS-CoV-2-Forschung und der Tuberkulose (TB)-Forschung, für die sie Mausmodelle verwendet. Aus diesem Grund wollte sie neben dem Hamstermodell auch ein Mausmodell für SARS-CoV-2 aufbauen, um Infektionsstudien durchzuführen und Impfstoffe und Therapeutika zu testen. Sie haben jetzt das MA10-Modell „Maus-adaptiertes SARS-CoV-2“ im RBL im Einsatz.

„Das eröffnet uns Möglichkeiten, interessante Fragen zu Koinfektionen zu stellen“, sagte Martinot. „Wir wissen, dass Menschen auf der ganzen Welt an anderen Krankheiten wie Diabetes, Tuberkulose oder parasitären Infektionen leiden, aber wir verstehen nicht, wie sich diese anderen Krankheiten auf ihre Anfälligkeit für COVID-19 auswirken könnten oder wie gut COVID-Impfstoffe bei jemandem wirken könnten.“ Vor diesem Hintergrund haben wir mit den Hamster- und Mausmodellen fantastische Daten erhalten und mit dem Testen von Impfstoffen und monoklonalen Antikörpern begonnen.“

Martinot gibt zu, dass sie mit den neuen SARS-CoV-2-Mausmodellen, die am RBL eingerichtet wurden, einen gewissen Hintergedanken hat: Sie hofft, sie bei ihrer Arbeit zur Entwicklung eines neuen Tuberkulose-Impfstoffs mit Mitteln der Bill and Melinda Gates Foundation einsetzen zu können. Der aktuelle Tuberkuloseimpfstoff heißt Bacillus Calmette-Guérin oder BCG und ist ein abgeschwächter Lebendimpfstoff, der eine abgeschwächte Form des Bakteriums Mycobacterium bovis verwendet, das Tuberkulose verursacht. In der Vergangenheit seien abgeschwächte Impfstoffe äußerst wirksam gewesen, betonte sie und nannte als Beispiel den Polio-Impfstoff. Heutzutage handelt es sich bei den meisten Impfstoffen jedoch um Totimpfstoffe oder mRNA-basierte Impfstoffe, die den Menschen nicht wirklich in einen lebenden Organismus versetzen. Martinot hofft, einen neuen abgeschwächten Tuberkulose-Lebendimpfstoff zu entwickeln, der als Nebeneffekt einen zusätzlichen Schutz gegen COVID-19 bieten könnte.

Stichworte: BSL-1: BSL-2: BSL-3 BSL-4

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