國家工程實驗室疫苗工程技術平臺建設與管理

孫 博, 谷鐵軍, 張喜珍

(1. 吉林大學 生命科學學院, 吉林 長春 130012；2. 吉林大學 艾滋病疫苗國家工程實驗室, 吉林 長春 130012)

生物疫苗領域的快速發展以及國家加大對科研實驗室投入力度,使得產學研相結合成為生命科學發展的必然趨勢[1]。國家發改委批準建設艾滋病疫苗國家工程實驗室,該實驗室是吉林大學負責籌建的第一個疫苗領域的國家工程實驗室。國家工程實驗室以產業和社會發展對工程技術研發的重大需求為出發點,在推進關鍵技術和設備研發及工程化應用方面發揮承上啟下的創新鏈接作用,在整合產學研優勢資源進行協同創新方面發揮著平臺集聚作用[2]。艾滋病疫苗國家工程實驗室的主要任務之一是解決艾滋病疫苗研制中的重大關鍵技術難題,并將所獲得的新技術、成果推廣應用到其他現代疫苗的研制中。在艾滋病疫苗和其他現代疫苗的研制中都存在著如何解決疫苗產品的生產技術難題、提高免疫應答、建立新產品的質量檢測方法等一些制約現代疫苗生產的產業共性與關鍵性技術[1]。對于上述問題的解決,必將加快整個現代疫苗研制的進程,加速其產業化的發展。因而建設一個設計科學、布局合理、功能完善的工程技術平臺,能夠充分地為實驗室基礎科研的課題成果向將來的應用轉化搭建一個恰當的橋梁,是實現上述任務的重要保障。下面就針對艾滋病疫苗國家工程實驗室在建設與管理疫苗工程技術平臺過程中的一些實踐經驗做簡單探討。

1 基礎設施建設

1.1 工程技術平臺設計原則

針對艾滋病疫苗國家工程實驗室自身特點,設計了不同種類的工程技術實驗室。根據其使用的功能又有各自的需求,還需要考慮相關設備對周圍環境的影響。例如根據昆蟲細胞、哺乳細胞生物反應器室自身特點,參考GMP廠房相關的車間布局,設計了換鞋區、外更衣室、內更衣室、緩沖區、潔凈區等功能分區,整個框架為彩鋼板結構,鋪設環氧自流平地面,無衛生死角、便于清潔。例如原核發酵實驗室配置有高速管式離心機。該設備安裝需要放置于加固的水泥臺面,同時該設備運行時會產生較大噪音和振動,因此在設計中將原核發酵實驗室放在一樓減少對周圍環境的影響[3]。

1.2 工程技術平臺配套設施的考慮

完善的配套設施是工程技術平臺正常運轉的有效保障,其涉及給排水、通排風、供電、凈化空調、廢液處理等方面。既要考慮實驗室的整體需求,又要兼顧各個功能實驗室的特點。

(1) 給排水方面。原核發酵室需要配備獨立的純化水循環管道來滿足罐培養、清洗發酵罐及高壓蒸汽發生器用水的需求。

(2) 供電方面。工程技術平臺所運行的設備通常有大功率、不間斷供電的需要。例如哺乳細胞生物反應器需要連續運行,最長可達30天。因此為了應對突發停電等情況,設計安裝了大功率UPS不間斷電源和滿足連續運轉設備的柴油發電機組。發酵罐滅菌用的電加熱高壓蒸汽發生器功率可達72 kW,需要獨立配備380 V動力電源。

(3) 凈化空調方面。在生物反應器室配置了高效過濾系統及臭氧發生器,設計了萬級區潔凈房間內含局部百級區域,來滿足生物反應器培養細胞對環境的要求。

(4) 廢液處理方面。本實驗室疫苗研究項目均為基因工程疫苗和DNA疫苗,經過滅活后無活病毒存在,實驗中使產生的廢液經過高壓滅菌處理后再進行污水處理,故不存在病毒污染環境的風險。

2 技術平臺與功能實驗室的配置

根據自身實驗室的研究特點和未來發展方向,配置了上游表達平臺、下游純化平臺、質量檢測平臺、制劑平臺等工程技術平臺。針對這些技術平臺,在建設工程中設計了一系列與平臺相對應的功能實驗室。

(1) 上游表達平臺。配備中試規模全自動發酵罐、高速管式離心機來滿足大規模大腸桿菌、酵母細胞培養的原核發酵室,酵母發酵室。配備WAVE生物反應器、NBS生物反應器、安普生物反應器等不同類型的生物反應器,可對細胞培養或發酵液中的營養成分、代謝產物進行快速分析檢測分析的多參數生化分析儀及全自動細胞計數儀來滿足昆蟲、哺乳動物細胞大規模培養不同需求的生物反應器室。

(2) 下游純化平臺。配備有超速離心機、連續流離心機及臺式離心設備的離心機室,配備有高壓均質機、超聲破碎儀、中空纖維中試裝置、中試規模膜包超濾器的細胞破碎室,以及配備有多種類型層析柱、層析系統可滿足中試規模的層析純化室。

(3) 質量檢測平臺。配備有核酸電泳、蛋白電泳、雙向蛋白電泳、流式細胞儀、高效液相色譜系統、多功能微孔板檢測系統、納米粒度ZETA電位儀等儀器功能室,上述儀器可完成多種疫苗特異性檢測方法的建立。

(4) 制劑平臺。高壓微射流均質機、擠出儀、凍干機、馬爾文凝膠色譜儀、馬爾文納米粒徑儀、馬爾文微米粒徑儀、高效液相分析系統、博勒飛流變儀等制劑所必需的儀器設備。其中高效液相分析系統配備有紫外陣列檢測器、熒光檢測器和蒸發光檢測器。以上硬件設備可協助完成多種疫苗制劑的工藝條件優化,以及制定和建立相關質量控制方法和鑒定方法。

3 關鍵技術創新與成果轉化

艾滋病疫苗國家工程實驗室的主要研究方向以艾滋病疫苗的研制為主線,解決艾滋病疫苗研制過程中存在的重大科學和工程技術難題。同時將在艾滋病疫苗研制中所取得的技術成果應用到其他新型疫苗的研制中。近些年來,圍繞以上方向建立了DNA疫苗生產工藝平臺、腺病毒疫苗生產工藝平臺、病毒樣顆粒疫苗生產工藝平臺等多個新型疫苗生產平臺[4-6]。同時解決了一些與新型疫苗研發相關的關鍵共性技術，如昆蟲細胞無血清大規模懸浮培養技術、昆蟲細胞特異殘余物質檢測方法、填充床生物反應器灌流培養技術、病毒樣顆粒表征技術、大腸桿菌雙順反子可溶表達技術[7-8]。上述生產工藝平臺和關鍵共性技術的實現是以研發項目為導向,通過實驗室與企業共同組建研究團隊、共同承擔任務和風險、共享技術研究成果,實現技術輸出與成果商業化的雙重目標。不僅為本實驗室的艾滋病疫苗、腫瘤疫苗研究提供有力的技術支撐,也在本領域為企業提供了相關新型疫苗的技術解決方案。

4 工程技術平臺的管理

行之有效的管理是以制度為基礎的,工程技術平臺的管理同樣是通過相關的規章制度的制定與實施來實現的,但它又有其自身的特點。

4.1 制定管理制度

為規范技術平臺的管理,制定了一系列嚴格的規章制度,包括人員準入制度、培訓考核制度、衛生清潔制度和安全管理制度等,督促實驗人員嚴格遵守各項規章制度；為規范實驗操作,制定了標準實驗技術操作手冊、儀器設備使用手冊等,通過監督檢查,督促實驗人員養成良好的實驗習慣。從人員管理入手,所有需要進入技術平臺相關功能實驗室做實驗的人員,均需在相應的管理教師處預約登記,經過管理人員批準后,方可進入平臺所屬功能實驗室。實驗開始前需進行相應的技術操作與安全教育培訓,經考核合格者方準許到相應的功能實驗室進行實驗,并承擔維護本實驗區域的衛生安全職責。

4.2 加強日常管理

由于工程技術平臺的特殊性,需指定專門的管理人員負責各技術平臺的日常管理。例如生物反應器實驗室對于實驗環境要求較高,是按照萬級凈化實驗室進行設計安裝的,需定期檢測實驗室空氣潔凈度、溫濕度、壓力差等相關指標,保證實驗順利進行。其他平臺也要專門的教師負責日常的人員培訓、衛生安全、實驗操作及儀器設備的使用管理等。

4.3 完善信息化管理

在部分重點功能實驗室安裝了視頻監控系統和門禁系統,并建立各平臺的微信群、QQ群等。在網絡上交流實驗技術及平臺使用過程中經常出現的問題,力爭做到發現問題及時解決。也可以做到集思廣益,及時解決技術難題,通過信息交流,拓展和提高技術人員的理論水平及實驗技術水平。

5 結語

綜上所述, 艾滋病疫苗國家工程實驗室的疫苗工程技術平臺在建設過程中借鑒部分高校實驗室建設的成果和經驗,將基礎設施、技術平臺與管理運行機制建設相結合,以系統性和可操作性為設計方向,考慮了實現方便的升級擴充與功能轉換,能夠滿足實驗室后續發展的需要[9-16]。目前疫苗工程技術平臺已建立完整的疫苗上下游研發平臺,擁有多個新型疫苗生產工藝平臺和關鍵共性技術，已與多家生物制藥企業開展合作,為企業提供技術服務和相關人員培訓。通過疫苗工程技術平臺的建設與發展,可以實現生物疫苗領域的產學研結合,為企業提供技術支持,提高企業的技術水平,力爭為生物疫苗產業的高速發展注入強大動力[1]。