临床PCR实验室的设计及质量管理体系的建立.docx
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1、临床PCR实验室的设计及质量管理体系的建立卫生部临床检验中心 李金明核酸(DNA和RNA)是生命现象的基础。小到病毒、细菌等微生物,大到动植物和人类, 都无一例外。因为主导生命活动的受体、细胞因子、酶、激素等均不过是核酸发挥功能作用 的表型,均由核酸决定,在核苷酸序列上哪怕是单个碱基的变异,都会引起表型的完全改变, 并进而影响生命功能的发挥,导致疾病的发生。因此,在核酸或称为基因水平上检测,对临 床疾病本质的揭示就要更深一步。也正因为核酸是生物体生命活动之源,对于感染性病原体 的检测,从核酸着手,最能反映病原体在机体内的出现和消长。自从美国Cetus公司Mullis博士在1983年发明聚合酶链
2、反应(PCR)这种核酸扩增技 术以来,由于其极高的检测灵敏度和特异性,因而在临床感染性疾病、遗传病、肿瘤等的诊 断和疗效观察上得到了广泛的应用,在器官移植的基因配型上也是难以替代的技术。其应用 大大提高了上述疾病诊断的准确性和快速性。但临床PCR检验必须按规范要求进行,并有严 格的实验室质量管理,否则,因其极高的检测灵敏度,实验室稍有以前扩增产物的污染,或 在标本核酸提取过程中标本间的交叉污染,均可导致假阳性结果的出现。同时,也会因为试 剂和实验消耗品的质量不过关、仪器设备的维护校准不到位,或操作的不规范等,也很容易 出现假阴性结果。第一节 临床PCR实验室的分区规划设计如何规划设计一个合格的
3、实验室是每一个临床PCR实验室首先要遇到的问题,因为一个 实验室一旦经过设计并完成装修,如不符合要求,则会出现很大的麻烦,甚至不得不拆了重 来。那么怎样才能设计一个合格的实验室呢?简单地说,就是十六个字,“各区独立、注意 风向、因地制宜、方便工作”。同时要注意临床标本的接收问题。对于临床PCR实验室的分区及其设备配置,卫生部颁发的临床基因扩增检验实验室 管理暂行办法(卫医发200210号)中作了明确规定,并且卫生临床检验中心发出的配套 文件临床基因扩增检验实验室工作规范(卫检字20028号)又对各区的功能及注意事 项作了阐述。但具体到某一个实验室,如何根据其实际情况和环境设计一个符合要求、可保
4、 证检测质量及方便工作的PCR实验室,实验室技术人员仍时常感到心里没底,因此,本章拟 对临床PCR实验室分区规划设计和工作流程的一般原则再作一些具体的阐述,并尽可能举出 一些实例加以说明。一、临床标本的接收对于诸如血清(浆)、分泌物、痰液、尿液、脑脊液等临床标本的接收、分离血清、编 号乃至保存,一个临床PCR实验室究竟应在何处进行较为合适?这是一个非常实际的问题, 也是作为一个临床实验室首先要解决的问题,经常有同道提出来。要回答这个问题,首先让我们来看一下临床标本送到实验室以后我们所要做的是什么? 一般来说,当临床标本如血液、分泌物和其他体液等送到实验室后,按照临床基因扩增检验 质量保证对标本
5、采集、运送和保存的要求,对标本接收编号后,即应尽快对其分离血清(浆) 或预处理后保存待测,并且根据对临床标本较长期保存的要求,最好是在分离血清(浆)时, 分出两管来,一管用于测定,一管长期保存备查。因此,最好是在PCR实验室的四个独立测 定区域之外的地方接收临床标本,有一台分离血清(浆)用离心机、一台生物安全柜、一台 冰箱、加样器及相应一次性经高压处理的消耗品如带滤芯吸头、标本接收编号记录本以及记 号笔等即可。如果不在标本接收区分离血清(浆)标本,只是简单的接收,则就不需要分离 血清(浆)用离心机、生物安全柜、加样器及其消耗品。通常,有许多实验室将临床标本的接收处放在标本制备区,而一个医院临床
6、标本的运送 至实验室往往不会在同一个时间,标本来了就应该进行接收登记、交接签字和对标本进行编 号,并尽快分离血清(浆)或相应处理,因此,如将标本接收处放在标本制备区,就会因为 临床标本的接收而使实验室工作人员频繁出入标本制备区,从而增加实验室污染的机会。而 且由于条件所限,有相当一部分临床基因扩增检验实验室的设置为一个区套一个区的模式, 要进入标本制备区就必须先进入试剂准备区,最后还只能经扩增区从产物分析区出实验室。 这种情况下就必须将临床标本的接收处放在四个区之外的地方,可以与其它临床标本的接 收、编号和保存处放在一起。如在标本接收处对血液标本进行血清(浆)分离,则要注意防 污染,所用器具符
7、合要求并在生物安全柜中进行。所接收的用于PCR检验的标本应收集在原始密闭的一次性无菌容器中,不能接收从其 它检测如生化、免疫检验等分出来的标本,因其有较大的发生标本间污染的可能性。接收临 床标本时,操作者应穿工作服及带手套,每份标本应放在适当的架子中,防止泄漏,并给出 一个唯一性编号。标本的保存按要求进行,冰冻通常在一20C一70C条件下,避免反复冻 融。在核酸提取时,由PCR实验室人员将标本带入至标本制备区。二、临床PCR实验室分区设计的一般原则及工作流程(一)临床PCR实验室的分区设计的一般原则前面说到,要设计一个合格的PCR实验室,简单地说,就是要做到十六个字,“各区 独立、注意风向、因
8、地制宜、方便工作”。各区独立,其含义就是PCR实验室的四个区(如使用实时荧光PCR则只需三个区,因 其扩增和产物分析同时完成,不需要产物分析区)即试剂准备区、标本制备区、扩增区和产 物分析区,应该是在物理上完全分开的各自独立的区域,并且不能有通过连通各区的中央空调、分区装修隔断不密封、传递窗不密封等发生空气直通的现象。有的实验室在分区设计时, 只是考虑实验室在形式上的分区,如实验室各区的分隔不完全,有相通之处;或一个区套一 个区的实验室各区间无缓冲间(如图3-1A和B),或此类实验室有缓冲间却在装修时,采用 家庭装修模式,即上吊推拉门或平开门,门的下面留有门缝;或实验室中央空调相通;或试 剂物
9、品传递窗闭封不严等。口 R其他实验室试加隹各区产物分析区FCR实验室(A)外走廊濒准备区扩增及产物 分析区(B)标制11备区r门 扩增区图3-1不合要求的一个区套一个区的实验室分区模式在此想着重强调一点的是有关传递窗的设置。传递窗的设置是的一把“双刃剑”,一方 面其方便了试剂物品在不同实验区间的传递,但另一方面也增加了交叉污染的危险。因此, 一个合格的传递窗应是双开门密封严实的,并且两边的门最好是连锁装置,即当传递窗一侧 的门没有关好时,另一侧门不能打开。此外,传递窗内应有紫外照射装置,并在使用后即进 行照射。中央空调如造成了实验室各区间的互通,则其不能使用,需在各区内另行安装分体式 空调。第
10、二是注意风向。由于PCR对原始靶核酸有一个指数扩增过程,因此,每次检测后, 均有大量由阳性标本扩增而来的“产物”存在,这种扩增产物如为开放式存在,以及在检测 中的吸取,就会因为“产物气溶胶”的形成及扩散,而极易对以后新的扩增反应产生“污 染”,为防止这种污染的发生,就需要在对基因扩增检验实验室进行严格分区的同时,还要 注意实验室内空气在不同区的流向。关于这一点实验室通常会有什么样的误解呢?曾有同道 说,准备将自己的PCR实验室装修成超净的实验室。这是没有必要的,因为基因扩增检验中 的产物只是病原体如细菌或病毒核酸中一极小部分,通常也就一二百个核苷酸,实时荧光 PCR的扩增产物更小,有的只有几十
11、个核苷酸,这么小的分子可以说几乎是无孔不入,通常 的超净装修设计对其来说是没有用的。因此,最关键是要注意空气流向,防止扩增产物顺空 气气流进入上游扩增前的“洁净”区域PCR实验室的空气流向,通常可以通过实验室的相 对正压(通常可通过安装新风进气系统)或负压(可通过排风装置)来达到目的,如图3-2A 和B及图3-3、3-4所示。因为在实验室安装正压或负压系统通常比较困难,所以也可以按 照从试剂准备区 标本制备区 扩增(及产物分析)区方向空气压力递减的方式进行(如图 3-2C),最简单的做法就是在试剂准备区不装负压排风装置,在标本制备区安装负压排风装 置或一个排风扇,在扩增(及产物分析)区安装功率
12、强于标本制备区的负压排风装置或两个 排风扇。第三是因地制宜。PCR实验室不可能是千遍一律的,必须要具体情况具体分析。实验室 各区既可是相互邻近,也可以分散在同楼层的不同处,甚至不同的楼层。新建实验室可以做 得尽可能合理和规范,并且易于实验室的管理。旧的实验室则只要符合标准即可,不必强求 理想状态。图3-2A和B的实验室都是属于满足基本要求的模式。扩增和产物分析区空气流向其他实验室其他实验室试剂准备区空气流向其他实验室:其他实验室走廊空气流向标本制备区(B)其他实验室空气流向+扩增和产 物分析区试剂准备区空气流向空气流向+标本制备区(C )图3-2因地制宜的实验室设置模式最后是方便工作。规范地设
13、计PCR实验室的目的是为了在物理上防止”污染”的发生, 但在实验室各区设计及布局时,应最大程度的考虑在日常检测工作中,工作起来是否方便, 像设计如图3-1的实验室,如在各区间设一个缓冲间,虽然符合了各区独立的概念(各区间 处于永久的物理隔状态),但并不便于日常工作,主要有以下几点:(1)标本制备区和扩增 区等中间区域进入不便和无法重复进入,要进入此类中间区域,就必须经各区域一圈;(2) 不便于工作服和工作鞋的换穿,试想当工作人员要进入一个区域时,属于正在工作区域的工 作服和工作鞋如何脱换,于是不得不准备多套工作服和工作鞋。(3)不利于实验室的管理。 因为工作上的极度不便,按规范管理实验室在实际
14、上就很难做到,这样无形中增加实验室“污 染”的机会。(二)较为理想的PCR实验室的分区设计那么,什么样的PCR实验室是最标准的?这通常很难界定,图3-3和图3-4所给出的实 验室设置图应是一个较为理想的设计模式。其有一个专用走廊,试剂准备区、标本制备区、 扩增区和产物分析区很规范地排列在一起,前三个区各有一个缓冲间,工作人员可在此区间 内更换工作服和工作鞋,顶上可装一紫外灯。但缓冲间的最主要的作用,不是为了工作人员 更换工作服和工作鞋,而是为维持空气流向,即通常在缓冲间顶上安设一排风或进风装置, 如为排风装置,可通过通风管道通向大气外,当排风装置处于运行中时,缓冲间内即为负压 状态(图3-3)
15、,一旦有实验区外的风进入,其在缓冲间内即被抽走,从而实验室外的空气 不会大量进入到实验区域内。如为进风装置,则有通风管道进行送风,运行时,缓冲间可为 正压状态(图3-4),使这三个区的空气流向为由实验区域内向实验室外,以防止产物分析区 精品内扩增产物随空气流动的进入。缓冲间内通向内实验室和走廊的门可安装一种磁性连锁装置,当一 个门打开时,另一门必须处于关闭状态,否则即打不开,不会出现两个门同时打开的情况。 产物分析区可不设缓冲间(也可设),可设为负压状态,可通过在房间内安装排风装置来做 到这一点,比较好的做法是设置一个抽风橱,可将电泳系统或其他扩增产物检测系统置放于 抽风橱内。最为简单的就是在
16、对外的窗户上装一个排风扇即可,使空气流向由实验室外向实 验室内,以防止扩增产物的随空气流出。产物分析区也可设在远离上述三个区域的地方。对 于 PCR实验室各区的空气流向,如不能做到上述理想状态,也可通过不同区内安装不同功率 或数量的排风扇来满足基本要求,即尽可能使实验室内空气在PCR实验室专用走廊内,按试 剂准备区门口一标本制备区门口一扩增区门口一产物分析区门口的方向流动,避免空气的反 向流动,将PCR后区的扩增产物带向PCR前区的洁净区域。PCR实验室的每一区域都须有明确的标记,工作按试剂准备区、标本制备区、扩增区至 产物分析区单一流向进行,各区的仪器设备包括工作服、鞋、实验记录本和笔等都必
17、须专用, 不得混淆。此外,上述四个工作区域内还应有固定于房顶的紫外灯,以便于工作后区域内的 空气照射。产物分析区扩增区标本制备区试剂准备区空气流向空气流向空气流向专用走廊缓冲间a缓冲间工作流向图3-3.缓冲间为负压排风的理想PCR实验室设置模式产物分析区空气流向专用走廊扩增区标本制备区空气流向空气流向TTT试剂准备区空气流向缓冲间工作流向图3-4.缓冲间为正压进风的理想PCR实验室设置模式PCR实验室的标本制备区要求配备生物安全柜,生物安全柜应为外排式,须有外接管道 排风,可采用30%或70%外排的二级生物安全柜。外排式生物安全柜有助于防止提取核酸时 产生的含靶核酸的气溶胶在实验室内蓄集存留。
18、标本制备区内有生物安全柜,在建设实验室 时,一定要充分考虑实验室内进风的量和速度,并且所要安装的分体空调和进风口要避免干 扰生物安全柜的使用。从防止实验室间交叉污染看,图3-4的模式要优于图3-3,但正压进风对于实验室的建 设要求可能要更高一些,因而较难做到。上述理想情况下的临床PCR实验室的分区设计,绝大部分临床实验室很难做到,在实 际上也不一定非得要达到这种理想状态。有的临床实验室在PCR实验室的装修上追求豪华和 高档次,其实并无必要,因为PCR实验室进行规范化分区,其根本目的是为防止实验室交叉 污染提供一个物理上阻隔基础,但要达到防止交叉污染的目的,光有实验室的规范分区并不 充分,实验室
19、日常工作的严格管理和工作人员对规程的遵守,更是核心之所在。综上所述,一个符合基本要求的临床PCR实验室,在实验室分区上至少要满足以下几 个方面的要求:(1)试剂准备区、标本制备区和扩增及产物分析区等三个或四个区域在物理 空间上,必须是完全相互独立的,各区域无论是在空间还是在使用中,应始终处于完全的分 隔状态,不能有空气的直接相通。(2)各区的可移动的仪器设备及各种物品包括实验记录本、 记号笔、试管架及清洁用具等必须专用。(3)应在标本制备区、扩增及产物分析区等相对有 可能出现“污染物”的区域安装排风扇或其它排风和有效的装置,以使空气按试剂准备区 标本制备区 扩增(及产物分析)区方向流动。(三)
20、临床PCR实验室各区的主要功能及工作流程1. 试剂准备区 关于试剂准备区也有同道提出这样的问题,即使用所有试剂都已准 备好备用的商品试剂盒时,还需要试剂准备区吗?回答是,当然不需要。但需注意的是,并 非所有的商品试剂盒都是如此,有些尚需要实验室配备一些简单的试剂,如75%乙醇、焦碳 酸二乙酯(DEPC)处理水等。再有就是临床PCR实验室在某些情况下,也会从事或帮助其它 科室从事一些与基因扩增有关的研究工作,或者是随着实验室技术人员的能力的发展,可能 以后会有越来越多的实验室,在从事临床分子诊断时将更多的使用实验室自制(home-bred) 试剂,因而试剂准备区有必要设置,只不过是在空间上可以经
21、济合理的考虑。试剂准备区的仪器设备主要有加样器、天平和离心机等,最好配备超净工作台。加样 器、天平和离心机等除了要专用外,还应有定期校准。制备扩增反应混合溶液用的化学试剂 应使用分子生物学级的,试剂配制好以后应有质检,质检包括两个方面,一是看是否有污染, 即是否有假阳性存在;二是使用弱阳性质控物检测试剂的扩增检测效果。总而言之,实验室 应建立一套适合于自身的试剂质检标准操作程序(SOP)。此外,试剂准备区是PCR实验室中 最为“洁净”的区域,不应有任何核酸的存在,包括试剂中所带的标准品和阳性对照,这些 试剂及核酸提取试剂均应直接放在标本制备区。在自己配制试剂时,最好是一次较大量配制, 然后分装
22、成小瓶保存,每次检测时,取出一小瓶使用,未用完的即弃掉,不再使用,因为试 剂在使用过程中,即有可能发生“污染”,下次再使用,就有可能造成试剂原因的假阳性结 果。2. 标本制备区 对于临床基因扩增检验来说,标本制备区往往是首先进入的工作区 域。该区域应限定只有本区的工作人员才能进入,同样仪器设备、工作服及各种物品都必须 专用。进行核酸提取时,将标本从指定的标本接收及保存处拿至标本制备区,并进行有关记 录。标本的制备应在生物安全柜内进行,可防止标本气溶胶的扩散。生物安全柜不应放在实 验室门口等易受人员走动影响的地方,也不应直对分离式空调。在标本制备的全过程中都应 戴一次性手套,并经常更换,主要是因
23、为在实验操作过程中,手套的污染很容易导致标本间 的交叉污染。当处理可能具有传染危险性的标本时,最好是戴两副手套,当手套与标本有接 触时即可弃掉外层手套。实验时所使用的加样器吸头必须带滤芯,并且要注意的是,滤芯不 能是后插入的,而应是结合在吸头内壁上的巯水性膜滤芯,这样才能有效和可靠地防止气溶 胶对加样器的污染。在标本制备过程中,通常会有温育步骤。温育既可在加热模块也可在水浴中进行。当 使用加热模块时,如在模块孔中填入二氧化硅细砂,然后将标本管置于细砂中温育,可得到 较为一致的温育温度。而当使用水浴时,则应使用可漂浮在水面上的试管架如有孔海绵等。 加热模块应定期进行孔间温度差异的检验并校准,水浴
24、应在每次使用时,都要对所设置的温 度使用已经过校准的温度计进行校准。经高温温育后的标本,应冷至室温后再离心,使得由 于加热回流的标本液体能离心至离心管底部。标本制备区内的生物安全柜、超净台、加样器、离心机及其它设备都应定期或在有明 显已知污染后,使用中性消毒剂如异丙醇、戊二醇等或10%次氯酸钠溶液消毒,使用10%次 氯酸钠溶液消毒后,应再用70%乙醇洗涤去除残留的次氯酸钠,因为其对金属表面有氧化作 用。在PCR实验室各区中,标本制备区是唯一直接与临床标本接触的区域,因此要注意生物 精品安全问题,应有洗眼器,并配备一个急救箱,箱内可放置75%酒精、络合碘、棉签、创可贴 等必要的急用药具。3. 扩
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