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Das sichere Labor - Schutz durch Technologie
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Wenn biomedizinische Forscher oder Diagnostiker mit potenziell ansteckenden Materialien wie Zellkulturen, Blut oder Gewebe arbeiten, brauchen sie absoluten Schutz vor Krankheitserregern. Sowohl Sicherheitsmassnahmen im Arbeitsbereich als auch die richtigen Werkzeuge und Materialien sind hier entscheidend. Erfahren Sie in unserem Thema des Monats, was für den Schutz im Labor wichtig ist und wie ein sicheres Labor aussieht.
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1 - Sicherheit im Labor: Infektionsprävention im Arbeitsbereich
Was hineingeht, darf nicht herauskommen - und darf auch niemandem, der im Labor arbeitet, Schaden zufügen. Das ist vielleicht eine nette Art, "Laborsicherheit" in einem Satz zusammenzufassen - zumindest überall dort, wo mit Krankheitserregern in biologischen und medizinischen Bereichen umgegangen wird. Die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen im Labor hängen in erster Linie davon ab, was "drinnen" wartet.
Viele Krankheitserreger haben in den letzten Jahren einen großen Aufruhr verursacht. In der Vergangenheit sind das Zika-Virus, EHEC, SARS, MERS und jetzt das SARS-CoV-2 Coronavirus als neue Krankheitserreger aufgetaucht, die den Menschen infizieren und als tierischen Ursprungs erkannt wurden. Andere, darunter Ebola, Masern, verschiedene Grippeviren oder das Marburg-Virus, gibt es schon seit langer Zeit und verursachen in einigen Regionen weiterhin gelegentliche Krankheitsausbrüche. Diese Viren kommen nicht nur in der Natur, bei Menschen oder Tieren vor, sondern werden auch in Forschungslabors auf der ganzen Welt gelagert, um potenzielle Medikamente und Impfstoffe als Lösungen zu finden.
Sicherheit/Risikogruppen für biologische Arbeitsstoffe
Biologische Arbeitsstoffe wie Krankheitserreger werden nach internationalen Regeln und Vorschriften in vier Risikogruppen eingeteilt. Die Europäische Union deckt dies in ihrer Richtlinie 2000/54/EG ab, die von den Mitgliedsstaaten in nationale Normen für Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Arbeit umgesetzt wird. Die Vereinigten Staaten befolgen die Laborsicherheitsvorschriften, wie sie von den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) festgelegt wurden.
Risikogruppen sind Klassifikationen, die die relative Gefahr beschreiben, die von infektiösen biologischen Agenzien oder Toxinen im Labor ausgeht, da sie sich auf die Wahrscheinlichkeit der Krankheitsentstehung beim Menschen und der Übertragung auf die Bevölkerung beziehen und potenzielle Behandlungs- und Präventionsoptionen widerspiegeln. Um es auf den Punkt zu bringen: Je infektiöser und schwieriger die Mittel zu behandeln sind, desto sicherer müssen das Labor und die Arbeitsbedingungen sein.
Biologische Laboratorien werden in vier entsprechende Sicherheitsstufen eingeteilt, die als biologische Sicherheit oder Biosicherheitsstufen (BSL) bezeichnet werden. Risikogruppe 4 bezieht sich auf die weltweit schwersten und tödlichsten Krankheitserreger und umfasst Viren wie das Pockenvariola-Virus oder das Ebola- und Marburg-Virus, die beim Menschen hämorrhagisches Fieber, eine schwere und oft tödliche Krankheit, verursachen. Diese Erreger können leicht von einer Person auf eine andere übertragen werden, was eine wirksame Behandlung unmöglich macht. Der Ausbruch der Ebola-Virus-Krankheit im Jahr 2014 verursachte mehr als 11.000 Todesfälle, hat aber gezeigt, dass eine intensive medizinische Behandlung wirksam sein kann, bis der Körper die Infektion erfolgreich bekämpft hat. Seit 2015 gibt es einen potenziellen Ebola-Impfstoff. Diese Art von viralen Erregern kann nur in BSL-4-Laboratorien gehandhabt werden, wodurch ein Höchstmaß an Bioeindämmung gewährleistet ist.
Erreger der Risikogruppe 3 sind ebenfalls infektiöse Erreger, die beim Menschen schwere Krankheiten verursachen. Behandlungen oder Prävention für diese Krankheiten sind jedoch in der Regel eine Option. Zu den Erregern gehören Influenza-, Human-Immunschwäche- und Hepatitis-Viren. Auch das SARS-CoV-2-Virus fällt vorerst in die Kategorie der Risikogruppe 3.
Krankheitserreger der Risikogruppe 2 stellen ein mäßiges Risiko dar, und eine Übertragung ist eher unwahrscheinlich. Es gibt wirksame Behandlungen und vorbeugende Maßnahmen. Schließlich enthält die Risikogruppe 1 nicht-pathogene Organismen, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass sie Krankheiten bei Mensch oder Tier verursachen.
Sicherheit dank Technik
Prävention ist der Schlüssel, wenn es um die Arbeit im Labor geht. Im Labor erworbene Infektionen des Personals oder die Freisetzung von infektiösem biologischen Material müssen um jeden Preis vermieden werden. Der Ausbruch des Marburg-Virus 1967 im hessischen Marburg, Deutschland, zeigt die gravierenden Folgen unzureichender Sicherheitsbedingungen im Labor. Labormitarbeiter eines Pharmaunternehmens infizierten sich nach dem Umgang mit Gewebe von Testaffen, was zur ersten Erkennung der Krankheit führte. Es wurden sieben Todesfälle gemeldet, während 30 Menschen infiziert wurden. Seitdem gab es bis 2014 in verschiedenen afrikanischen Ländern immer wieder Ausbrüche des Marburg-Virus.
Neben einer strengen Ausbildung und Unterweisung im Arbeitsschutz verhindern verschiedene Laborsicherheitsmaßnahmen und die persönliche Schutzausrüstung jedes Labormitarbeiters, dass Menschen in direkten physischen Kontakt mit potentiell infektiösen Erregern kommen. Wie diese Methoden funktionieren und wie sie die Sicherheit im Labor gewährleisten, erfahren Sie in unserem Thema des Monats.
2 - BSL-4-Laboratorien: höchste Sicherheits- und Schutzniveaus
Die Laboratorien sind in vier Biosicherheitsstufen unterteilt, um die zur Isolierung gefährlicher biologischer Agenzien erforderlichen Vorsichtsmaßnahmen zu diktieren. Die höchste Stufe der biologischen Sicherheit, BSL-4, ist vielleicht die bekannteste, wenn wir an die Eindämmung von Krankheitserregern und Mikroben denken. Die wenigsten Laboratorien fallen jedoch tatsächlich in die Kategorie BSL-4, weil sie die strengsten, komplexesten und in der Folge teuersten Anforderungen erfüllen müssen.
Die (offizielle) Zahl der Einrichtungen der Biosicherheitsstufe 4 (BSL-4) ist weltweit begrenzt. Nichtsdestotrotz sind sie in Film- oder Fernsehsendungen sehr beliebt. Meist sind dort Wissenschaftler in Ganzkörper-Druckschutzanzügen zu sehen, die mit hochinfektiösen tödlichen Krankheitserregern arbeiten, die trotz aller Vorsicht entkommen und zur Hauptursache der Katastrophe werden, oder die Wissenschaftler versuchen verzweifelt, einen Weg zu finden, um einen katastrophalen Ausbruch zu verhindern.
Um zu verhindern, dass infektiöses biologisches Material im wirklichen Leben entweicht, unterliegen die BSL-4-Laboratorien zahllosen Sicherheitsmaßnahmen. Alles beginnt mit der richtigen Laborschutzausrüstung und -kleidung. Bevor die Wissenschaftler das Labor betreten, wird die Kleidung in aufeinanderfolgenden abgedichteten Schleusenkammern angezogen. Straßen- oder persönliche Kleidung darf innerhalb des Labors nicht getragen werden. Die Mitarbeiter müssen sie ausziehen und - nach einer Dekontaminationsdusche in der Schleuse - spezielle Unterwäsche anziehen, bevor sie Druckschutzanzüge anziehen. Das Tragen dieser Ganzkörper-Schutzanzüge über einen beliebig langen Zeitraum kann körperlich anstrengend sein, da sie die Bewegung einschränken und - je nach Material - sehr schwer sein können. Denn sie müssen den Träger nicht nur erfolgreich schützen, sondern auch Chemikalien, Desinfektion, Abrieb, Verschleiß und Abnutzung standhalten.
Die Anzüge schützen vor direktem Kontakt mit dem Probenmaterial und eliminieren dadurch das Risiko einer Schmierinfektion. Sie werden zudem von außen mit frischem, gefiltertem Sauerstoff versorgt und stehen unter ständigem Überdruck. Im Falle einer Beschädigung des Anzugs wird so sichergestellt, dass keine Laborluft mit hochgradig übertragbaren luftübertragenen Krankheitserregern eindringen kann. Zur Ausrüstung gehören auch zwei Paar Handschuhe. Das äußere Paar ist fest mit dem Anzug verbunden.
Während der Luftdruck in den Sicherheitsanzügen positiv ist, um das Eindringen von Krankheitserregern zu verhindern und sie vom Benutzer fernzuhalten, wird das Labor unter Unterdruck gehalten (niedriger als die anderen Laborräume). Die Wände, Decken, Böden und die Sicherheitstüren der Luftschleuse des Labors sind luftdicht. Solange der Unterdruck aufrechterhalten wird, verhindert diese Massnahme, dass Krankheitserreger aus dem Labor austreten und in die Atmosphäre gelangen, falls die äussere Schicht oder die Dichtungen geringfügig beschädigt werden. Diese hermetisch dichte Einstellung ermöglicht auch eine sichere Desinfektion mit Gasen.
Aus architektonischer Sicht ist das Labor nie direkt mit der Außenwand des Gebäudes verbunden. Es gibt immer einen weiteren Korridor oder einen anderen Raum dazwischen, der das Labor von der Außenwelt trennt.
Um das Labor zu verlassen, durchlaufen die Labormitarbeiter in ihren Schutzanzügen erneut die Schleusenkammern, wobei sie allerdings noch einen zusätzlichen Schritt unternehmen müssen: Eine chemische Dusche desinfiziert die Anzüge für einige Minuten, gefolgt von heißem Wasser und Seife. Dies schließt ein desinfizierendes Tauchbad für die Sohlen der Überschuhe oder Stiefel ein und stellt sicher, dass sich keine biologischen Wirkstoffe mehr auf den Anzügen befinden, bevor sie das Labor verlassen. Materialien wie Probenbehälter werden ebenfalls sterilisiert, wenn sie in das Labor gebracht werden.
Es versteht sich von selbst, dass nicht mehr benötigte Gegenstände nicht einfach weggeworfen werden können. Jedes Arbeitsmittel muss sicher entsorgt werden. Dies geschieht durch thermische Sterilisationsbehandlung in Durchlauf-Autoklavensystemen. Material, das entsorgt werden muss, wird innerhalb des Labors in den Autoklaven gelegt. Das System sterilisiert alle Objekte durch eine Kombination von Druck, Hitze und Wasserdampf. Viele medizinische und Laborgeräte werden bei diesem Verfahren nicht beschädigt und können wiederverwendet werden. Bei diesem Verfahren werden biologische Proben inaktiviert, so dass sie dann keine Infektion verursachen können.
Aber es gibt noch mehr, was hinter den Mauern des Labors geschieht: Atemluft, Wasser und flüssige Abfälle müssen ebenfalls gefiltert bzw. sterilisiert werden. Zur Reinigung der Luft werden HEPA-Filter (HEPA = High Efficiency Particle Air) eingesetzt. Sie bestehen aus einer Matte aus zufällig angeordneten Fasern. Diese Fasern bestehen in der Regel aus Glasfasern, die luftgetragene Partikel zurückhalten können. Flüssige Abfälle wie Wasser werden ebenfalls einer chemischen oder thermischen Sterilisation unterzogen.
In der realen Welt ist die Arbeit in einem BSL-4-Labor offensichtlich nicht annähernd so glamourös und heroisch und viel weniger fehleranfällig, als das Fernsehen uns glauben machen will. Tatsächlich ist sie von unzähligen strengen Sicherheitsmaßnahmen geprägt, die für den sicheren Umgang mit gefährlichen Krankheitserregern wie Ebola- oder Marburg-Virus getroffen werden müssen.
3 - Laborarbeit: Die richtige persönliche Schutzausrüstung ist entscheidend
Bei der Arbeit mit infektiösen Materialien und Organismen im Labor sind der sichere Umgang und eine entsprechende Ausbildung von größter Bedeutung. Ein weiterer zentraler Bestandteil ist die persönliche Schutzausrüstung, die den Kontakt mit Gewebe, Flüssigkeiten und Aerosolen verhindern und den Träger schützen soll.
Je nach der für die Laboreinrichtung festgelegten biologischen Sicherheitsstufe können die Mitarbeiter ihre eigene Straßenkleidung (für die Biosicherheitsstufen BSL-1 und BSL-2) tragen, aber sie müssen auch einen Laborkittel über dieser Schicht tragen. Laboratorien der Biosicherheitsstufe 3 (BSL-3) erfordern einen zurückgebundenen oder festgebundenen Wickelkittel, Scheueranzüge oder Overalls und geschlossene Schuhe. Es ist wichtig, dass die persönliche Schutzausrüstung individuell angepasst wird. Das bedeutet, dass sie nur von dem bezeichneten Mitarbeiter getragen werden darf, für den die Ausrüstung angepasst wurde.
Die Verwendung von persönlicher Schutzausrüstung ist immer abhängig von den Materialien und der von ihnen ausgehenden Gefährdung. Nicht alle biologischen Arbeitsstoffe erfordern einen Ganzkörperschutz. Auf jeden Fall müssen Laborkittel und Overalls eine Biokontamination der Kleidung des Trägers verhindern. Es muss auch ein separater Umkleideraum vorhanden sein. Hier wird die Arbeitskleidung gesammelt und zum Waschen oder zur Entsorgung verteilt.
Um sich vor Chemikalienspritzern zu schützen, sollten die Mitarbeiter auch einen Augenschutz tragen. Zu den Optionen gehören Schutzbrillen und Gesichtsschutzschilde. Gesichtsmasken werden verwendet, um den Mund- und Nasenbereich abzudecken. Diese Masken bieten jedoch keinen Atemschutz gegen Aerosole, die Krankheitserreger enthalten. Dies erfordert spezielle Systemfilter. Sie müssen in der Lage sein, infektiöse Partikel oder Tröpfchen, die kleiner als 5 µm (Mikron) sind, herauszufiltern, da sich einige von ihnen über den Arbeitsplatz verteilen können.
Saubere Luft dank Partikelfiltern
Die einfachste und beste Lösung sind in diesem Fall so genannte FFP3-Masken (FFP steht für filterndes Gesichtsteil), die so eng wie möglich über Mund und Nase des Trägers passen müssen. Die Filtermaterialien hinter dem Ausatemventil variieren und beinhalten Aktivkohle, die viele Partikel aus der Luft filtert. Der größte Nachteil dieser Masken ist, dass sie eng anliegen müssen. Der Sitz hängt weitgehend von der Physiognomie des Trägers ab, aber Bärte können in diesem Fall ein Problem darstellen. Außerdem ist das Atmen schwierig, wenn die Maske über einen längeren Zeitraum getragen wird.
Eine weitere Alternative sind tragbare Filtersysteme, die mit Helmen oder Kapuzen und einem dichten, sicher sitzenden Visier kombiniert werden können. Sie verwenden HEPA-Filter (HEPA = High Efficiency Particle Air), um die Luft zu reinigen, indem Glasfasern verwendet werden, um Partikel, die kleiner als 1 µm sind, aufzufangen und einzufangen. Diese Systeme erleichtern das Atmen und bieten einen besseren und sichereren Sitz als FFP3-Masken. Im Allgemeinen können diese Geräte jedoch nicht unbegrenzt getragen werden, da sie körperlich anstrengend sind und die Filtermaterialien nicht ewig halten und gewechselt werden müssen.
Um zu verhindern, dass biologische Arbeitsstoffe aus dem Labor entweichen oder einer Exposition ausgesetzt werden, verwenden Labore in der Regel so genannte Biosicherheitswerkbänke oder mikrobiologische Sicherheitswerkbänke. Dies ist ein geschlossener, belüfteter Laborarbeitsraum, der durch die Positionierung des Sicherheitsglasflügels eingestellt werden kann. Der Mitarbeiter arbeitet in dem Raum, der unter dem geöffneten Fensterflügel entsteht. Um das Entweichen von Aerosolen zu verhindern, wird die Luft aus dem Inneren der Schränke abgesaugt und durch einen Partikelfilter geleitet. Der laminare Luftstrom bietet eine zusätzliche Schutzschicht. Die Luft wird von der Oberseite der Haube gerade nach unten geblasen und abgesaugt. Dieser Luftstrom dient als zusätzliche Barriere gegen Partikel aus dem Inneren der Biosicherheitskabine. Er ist sehr präzise eingestellt und kann leicht durch Geräte innerhalb der Kabine oder externe Turbulenzen im Labor, wie z.B. die Klimaanlage, gestört werden.
Eine noch sicherere Option ist ein vollständig geschlossener, belüfteter Schrank mit leckdichter Konstruktion und angebrachten Gummihandschuhen für die Durchführung von Operationen im Schrank. Die Materialien müssen durch eine Luftschleuse ein- und ausgetragen werden. Beide Arten von Biosicherheitsschränken werden unter Unterdruck gehalten, und die Zuluft wird durch HEPA-Filter angesaugt. Dadurch wird sichergestellt, dass das in der Kabine erzeugte Aerosol auch im Falle einer Beschädigung in der Kabine zurückgehalten wird.
Persönliche Schutzausrüstung - Baustein eines sicheren Arbeitsplatzes
Diese Maßnahmen schützen die Beschäftigten im Labor. Sie variieren je nach den verwendeten spezifischen Substanzen und dem von ihnen ausgehenden Gefährdungspotenzial. Hinzu kommen organisatorische Vorkehrungen wie laborspezifische Schulungen der Mitarbeiter, Zugangskontrollen, Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahmen sowie bauliche Vorkehrungen, wie der sichere Betrieb und die Zuweisung von Räumen innerhalb des Labors als ausgewiesene Lager- oder Umkleideräume. Dazu gehören auch die räumliche Trennung des Laborarbeitsbereichs und - für die Biosicherheitsstufen BSL-3 und BSL-4 - eine sichere Haustechnik, die Abluft und Abwasser filtert und sterilisiert sowie die sichere Entsorgung von Abfällen und Nebenprodukten gewährleistet.
Persönliche Schutzausrüstung und Arbeitspraktiken sind nur zwei Bausteine der allgemeinen Laborsicherheitsprinzipien und -konzepte, die - kombiniert mit der Anwendung vieler anderer Sicherheitsvorkehrungen - die sichere Handhabung und Eindämmung von infektiösen Mikroorganismen und gefährlichen biologischen Materialien betreffen.
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