囚禁致命病毒的武汉P4实验室到底有多牛？

来源：公众号“Science科学”

1 人类与病毒的抗争史

埃博拉、艾滋、非典，又或者说任何其他病毒在人类社会的肆虐，看上去都是人类侵占此前未曾受干扰环境的自然结果。可以这么说，地球的免疫系统识别出了最具破坏性的病毒--人类。

美剧《血疫》

翻阅史册，人类在繁衍和进化的过程中经历了各种磨难，人类的历史，可以说是一部与微生物抗争的进化史。早在16-18世纪，每年死于天花的人数就有130万人，18世纪，欧洲死于天花的总人数就高达1.5亿。天花最早可溯源到3000年前的印度和埃及，今天，天花已经基本根除，也是目前全球范围内人类消灭的唯一的传染病。

黑死病曾在十四世纪二三十年代的中国及中亚地区出现，随后传入欧洲，开始全世界肆虐。黑死病造成了7500万人死亡，其中欧洲死亡人数高达4000万左右。

1918年-1919年，一次世界大战刚刚结束，西班牙流行性感冒造成了全球约10亿人感染，约4千万人死亡，当时全球总人口17亿人，其全球平均致死率约2.5%-5%，和一般流感的0.1%比较已经足够致命。当时的西班牙国王也未能在这场大流感中幸免遇难。

埃博拉病毒曾经造成9万人丧生，是人类历史上致死率最高的病毒，死亡率高达50%-90%，是对人类危害最严重的病毒之一，即”第四级病毒”。据科学家统计，人类的传染病大约有80%是由病毒引起的。

目前为止，在哺乳类动物大纲中，已知携带至少有32万种病毒。随着全球气温变暖和人类社会扩张，人与自然的交织也会变得愈发频繁，一些古老的病毒将重新从冰底浮现，那些蛰伏于自然中的病毒，正变得跃跃欲试，当他们再次回归时，或许会比此前更加强大。

美国电影《恐怖地带》

2 走进武汉P4实验室

位于武汉市江夏园区坐落着一栋方方正正不大起眼的灰色大楼，外观上看和普通实验楼没什么区别。但就是这不起眼的灰色大楼却有着非凡的身份，它是目前亚洲第一个正式运行的P4实验室-武汉国家生物安全（四级）实验室，亦可称为武汉P4实验室。

武汉P4实验室目前，P4实验室也是生物安全研究水平级别最高的实验室。该级别的实验需要处理危险且未知的病原体且该病原体可能造成经由气溶胶传播之病原体或造成高度个人风险，且该病原体至今仍无任何已知的疫苗或治疗法，如阿根廷出血热与刚果出血热、埃博拉病毒，马尔堡病毒，拉萨热，克里米亚-刚果出血热，天花，以及其他各种出血性疾病。

P4不仅仅代表安全等级最高，其造价以及日常消耗费用也非常巨大，高价和养护难度大这两点限制了很多国家的研究和建造。据不完全统计，目前为止，全球一共拥有超过50个P4实验室，除中国以外，分布在法国、加拿大、日本、德国、澳大利亚、美国、英国、加蓬（法国巴斯德所）、瑞典和南非等国家和地区。

1、怎样成为P4实验室？

武汉病毒研究所旗下的“中国科学院武汉国家生物安全实验室”，是中国第一家P4实验室，简称“武汉P4实验室”。

什么是“P4实验室”呢？为何是“4”不是其他数字?

其实，生物安全实验室是有等级划分的，按照研究对象的危险程度分为四类：BSL-1、BSL-2、BSL-3、BSL-4。BSL是指Biosafety Level，即生物安全等级，等级越高，意味着防护级别越强，就能研究具有更大传染性和危害性的病原。不同级别的实验室需要不同级别的保护，根据各级实验室的安全设备和个体防护注意事项又分为P1、P2、P3、P4（P代表英文protection，防卫和防护的意思）。

图片来自：知乎

一级实验室（P1实验室），一般适用于对健康成年人无致病作用的微生物，这一级别的实验室适合于比较熟悉的病源，这些病原体不会经常引发健康成人疾病，对于实验人员和环境潜在危险很小。这一级别的生物实验室，基本不需要特别的安全设施，一般按照高中学习的标准微生物操作进行试验就没问题。

二级实验室（P2实验室），则适用于对人和环境有中等潜在危害的微生物，实验室人员均需要接受过病源处理方面的特殊培训，并由有资格的科学工作者指导。

三级实验室（P3实验室），适用于主要通过呼吸途径使人传染上严重的甚至是致死疾病的致病微生物或其毒素。在此安全标准下实验的病毒若因为暴露而吸入，会引发严重的、可能致死的疾病，但是面对此类型的病原，人类仍有治愈方法。

四级实验室，即我们经常听到的“P4实验室”，则是研究对人体具有高度的危险性，通过汽溶胶途径传播或传播途径不明、目前尚无有效疫苗或治疗方法的致病微生物或其毒素。

四级实验室（P4实验室），这是目前人类所拥有生物安全等级最高的实验室，也是专用于烈性传染病研究的大型装置，比如埃博拉病毒、天花和此次爆发的新型冠状病毒，一般都是在这种级别的实验室里进行研究的。从外星带回来的物品，也需要在P4实验室研究。所以，“P4实验室”被称为病毒学研究领域的“航空母舰”。而由于“P4实验室”研究的传染性微生物都是无预防和治疗方法的病毒，也有人将“P4实验室”称为“魔鬼实验室”。

 走进P4实验室：百度图片

2、 “魔鬼实验室”需要哪些防护？

“P4实验室”在安全等级方面有极高极高极高的特殊要求。工作人员在P4实验室，类似宇航员在太空舱里。

根据百度百科的介绍，各个国家“P4实验室”设计不尽相同。典型的“P4实验室”由更衣区、过滤区、缓冲区、消毒区、核心区组成。此外，在实验室的四周装有高效空气过滤器。

到达实验室的核心区，总共有10道门。没错！你没看错，是十道门！而且，最里面的7道门是互锁的，如果一道门没有关好，另一道门肯定打不开，这样避免空气的流通。

更衣区依次为外更衣室、淋浴室和内更衣室。消毒区为化学淋浴室，工作人员离开主实验室时首先经过化学淋浴消毒正压防护服表面。核心区任何相邻的门之间都有自动连锁装置，防止两个相邻的门被同时打开。对于不能从更衣室携带进出主实验室的材料、物品和器材，应在主实验室墙上设置具有双门结构的高压灭菌锅、浸泡消毒槽、熏蒸室或带有消毒装置的通风传递窗，以便进行传递或消毒。

在核心区里配有生物安全柜、超低温冰箱、离心机、电热细胞培养柜、显微镜和实验台、小型动物实验室等。生物安全柜顶上有一个直径0.5米左右的粗管子，直接通到房顶，它也是负压状态的，一些主要的操作都需要在生物安全柜中进行。

从BSL-4实验室拿出的相关的物品必须通过高压灭菌锅消毒后，再用洁净袋充分包装，然后通过传递窗传到准备间。

离开BSL-4时，核心区的工作人员要相互把全身从上到下消毒一遍才能走到缓冲间，在缓冲间除去外层防护服、口罩、外层手套，然后将这些放入灭菌容器或消毒袋内。

关闭实验室门之后，再取下防护眼镜，将其放入传递窗进行消毒。然后，工作人员经过另外一个缓冲间，退到准备间。

在这里，他们才可以取下身上所有的防护器具，立即在沐浴室洗澡，之后才可离开实验室。

P4实验室有严格、复杂的管理程序，为了保证BSL-4实验室的绝对安全，只有得到批准和持有磁卡通行证的人才能进入，有的通过指纹门禁系统进入，而且所有出入的人员都由电脑记录在案。

“P4实验室”必须要有严格安全流程，因为实验室里的病原体一旦泄露，将造成大范围的传染病甚至被恐怖分子用作生化武器，好莱坞拍摄的生化危机大片将会上演。

据了解，日本的第一个BSL-4实验室建于1981年，但建成后一直操作的是低风险病原体，直到2015年安全问题才得到解决。

3、全球有哪些“P4实验室”？

目前除中国之外，全球公开拥有“P4实验室”的有法国、加拿大、日本、德国、澳大利亚、美国、英国、加蓬（法国巴斯德所）、瑞典和南非等国家。据不完全统计，目前，全球有超过50家“P4实验室”。（具体图见文末：全球主要P4实验室）

全球具有代表性的“P4”实验室主要有以下几个。

1）法国，里昂让·梅里厄实验室。这是欧洲第一个“P4实验室”，也是世界上最先进的生物安全实验室。它于1999年3月竣工并投入运行。该实验室采用“盒子中的盒子”设计，（武汉病毒研究所即借鉴的该设计）。

法国里昂P4实验室：百度图片

该实验室外层由钢筋和玻璃构成，内层是负压的密封空间。BSL-4核心区面积为1000平方米，分为三层：上层技术区、下层技术区、BSL-4工作区和安全通道区。BSL-4工作区为两个面积为60～70平方米、相互独立的实验室和一个独立的动物实验室构成。

主要从事烈性病毒的检测、诊断、致病机理和疫苗研究，研究的主要有埃博拉病毒、拉萨热病毒、马耳堡病毒、登革热病毒和出血病毒等。

2）日本，国家传染病研究所1981年在东京都的武藏村山市建立了BSL-4设施，但是一直作为BSL-3实验室运作。

鉴于埃博拉疫情的需要，该设施于2016年申请作为BSL-4实验室运行。

长崎大学计划在2020年左右建成一座规模较大的BSL-4实验室。

3）德国，位于汉堡的热带医学研究所有一个BSL-4实验室。

此外，柏林的罗伯特·科赫研究所（RKI）也正在新建一个BSL-4实验室。其科学家对各种病原体的分子性质和传播模式进行研究，不仅包括细菌和病毒，还包括像BSE（疯牛病）病原体的真菌，寄生虫和朊病毒。

4）南非，南非国立病毒研究所（NIV）成立于1976年，后来在其基础上改建而成国立传染病研究所（NICD），并于2002年4月在约翰内斯堡建成一个BSL-4级的实验室。

这里主要研究HIV病毒的行为以及病毒与宿主的关系，同时还从事埃博拉病毒、出血热病毒、马耳堡病毒、裂谷热病毒、拉萨热病毒和其他呼吸道病毒研究。

5）美国，美国建成的BSL-4实验室有四个，其中一个在马里兰州德特里克堡的美国陆军传染病医学研究所（USAMRIID）内，从事细菌病原学、病毒学及诊断与医学方面的研究。还有一个BSL-4实验室隶属于总部位于佐治亚州亚特兰大的美国疾病预防控制中心（CDC），是世界上最后的天花病毒两个保存地之一。

位于蒙大拿州的隶属于国家感染性疾病研究所的洛基山实验室也在新建一个700平方米的BSL-4实验室。

6）澳大利亚，澳大利亚动物健康实验室位于维多利亚州的吉朗，能够从事感染性疾病的基础性研究和其他复杂的生物学研究。

维多利亚州北墨尔本的维多利亚传染病研究所下属的国家高安全性实验室主要开展病毒学、微生物学、流行病学和分子生物学研究，重点研究脊髓灰质炎病毒和结核分支杆菌。除一个标准的BSL-4实验室外，还有两个BSL-3实验室。

7）加拿大，加拿大国家微生物学实验室位于曼尼托巴省温尼伯的加拿大人畜健康科学中心，包括一个BSL-4和多个BSL-3、BSL-2实验室。其BSL-4实验室于1982年开始设计建设，2000年3月投入运行。研究方向有埃博拉病毒、马耳堡病毒和拉萨热病毒等。

4、中国大陆的P4实验室

中国大陆有两个P4级别的生物安全实验室：中国科学院武汉国家生物安全实验室和位于哈尔滨的国家动物疫病防控高级别生物安全实验室。

在2003年SARS爆发之后，中科院就决定启动P4实验室建设。武汉P4实验室2005年获国家发展和改革委员会批准立项，成为中法两国在人口健康、卫生和科技领域最重要的合作项目之一。

该实验室引进了法国里昂P4实验室技术和装备，建设内容包括细胞水平生物安全四级实验室在内的烈性病原试验设施、新生疾病研究设施以及烈性疾病病原保藏设施（即包括BSL-4、BSL-3以及BSL-2、普通实验室和动物饲养室等辅助性设施及相关配套设施）。

2018年11月27日，武汉P4实验室建设项目通过验收，成为我国首个P4等级生物安全实验室。

武汉P4实验室

根据湖北日报记者实地探访介绍，验室的设计采用类似法国里昂P4实验室“盒中盒”(boxinbox)的理念，负责实验室施工建设的工程部技术人员向记者介绍，整个P4实验室为悬挂式结构，共分4层。

从下至上，底层是污水处理和生命维持系统；二层是核心实验室；二层和三层间的夹层是管道系统；三层是过滤器系统；最上层是空调系统。所有空气将经过两级高效过滤器处理后进行排放，固体污染物要经过高压灭菌锅处理，液体污染物要经过污水处理设备处理，以保证彻底杀灭病原，确保实验室里的病原不会泄露。

“盒子”内部是300多平米的二楼核心实验室区域，整个二层大致分为3个细胞实验室、2个动物实验室、1个动物解剖室、消毒室等。

实验室实验装置安全运行稳定，在运行期间经受了武汉极端冷、热环境检验，供热与供冷系统均是一用一备，在零下10℃到连续40℃高温的环境中，均能实现稳定的供冷供热。

据媒体介绍，人员进入实验室需要耗费大概15到20分钟时间。

工作人员P4实验室的防护：百度图片

 防护服：百度图片

武汉国家生物安全实验室官网介绍，该实验室研究院有袁志明、石正丽、宋冬林；副研究员：郑大胜、黄弋；高级工程师：吴佳、童骁；高级实验师张化俊。

武汉P4实验室组织架构图

另外一个，位于哈尔滨的国家动物疫病防控高级别生物安全实验室是全球已建成的4个大动物生物安全四级设施之一。该实验室2004年立项，2012年完成施工设计并开工建设，2015年12月建成并通过工程验收，2018年7月获得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可。

该实验室可开展包括马、牛、羊、猪、禽类及鼠、猴等常规实验动物在内的所有动物感染试验。实验室依托单位为中国农业科学院哈尔滨兽医研究所。

根据媒体报道，该实验室是我国第一个完全自主设计、建设和管理运行的生物安全四级实验室。但该实验室向外披露的信息不多。

3 被囚禁在实验室的魔鬼们

BSL-1（生物安全第一等级）

代表病原体：麻疹病毒、腮腺炎病毒

已知的所有特性都已清楚并且已证明不会导致疾病的多种微生物。

BSL-2（生物安全第二等级）

代表病原体：流感病毒

已知的中等程度危险性的并且与人类某些常见疾病相关的物质。

BSL-3（生物安全第三等级）

代表病原体：炭疽芽孢杆菌、鼠疫杆菌、结核分枝杆菌、狂犬病毒

本土或者外来的有通过呼吸传染使人们致病或者有生命危险可能的物质。

BSL-4（生物安全第四等级）

代表病原体：埃博拉病毒、马尔堡病毒、拉沙病毒

极高危险性并且可以致命的有毒物质，可以通过空气传播并且现今并没有有效的疫苗或者治疗方法来处理。

新型冠状病毒肺2019-nCov（冠状病毒）

传染源：野生动物，可能为中华菊头蝠

感染群体：人类或其他哺乳动物家禽

基因组：RNA

传播途径：呼吸道飞沫、唾液和接触传播，粪便也可传播

潜伏期：一般3-7天，最长不过14天，潜伏期具备传染性

致死率：3%-4%，老年人致死率11%

生物安全等级：3级

SARS病毒（冠状病毒）

来源：中华菊头蝠，中间宿主：果子狸

感染群体：人类

基因组：RNA

传播方式：飞沫及密切接触、其他可能传播方式：粪便、尿液、血液

致死率：约15%

生物安全等级：3级

MERS病毒（冠状病毒）

来源：埃及墓蝠，中间宿主：骆驼

感染群体：人类

基因组：RNA

传播方式：未知

潜伏期：2-14天

死亡率：约40%

生物安全等级：3级

埃博拉病毒（EBOLA，丝状病毒）

来源：非洲果蝠

感染群体：人类

基因组：RNA

传播方式：体液、血液

潜伏期：2-21天

死亡率：50% - 90%

生物安全等级：4级（最高级）

马尔堡病毒（丝状病毒）

来源：果蝠

感染群体：人类

基因组：RNA

传播方式：密切接触传播

致死率：20%-100%

生物安全等级：4级（最高级）

人类免疫缺陷病毒（Human Immunodeficiency Virus;abbr:HIV），即艾滋病（AIDS，获得性免疫缺陷综合征）病毒

来源：喀麦隆的黑猩猩及大猩猩

感染群体：人类

基因组：RNA

潜伏期：平均8-9年不等

传播方式：性接触、血液和血制品、母婴传播等体液血液传播

生物安全等级：3级

马丘波病毒（沙粒病毒）

来源：玻利维亚田鼠

感染群体：人类和其他灵长类

基因组：RNA

传播方式：排泄物分泌物接触

潜伏期：2周左右

致死率：20%-30%

拉沙病毒（沙粒病毒）

来源：多乳鼠

感染群体：人类和其他灵长类

基因组：RNA

传播方式：血液、尿、粪便或其它身体分泌物

潜伏期：6-21天

病死率：36%-67%

生物安全等级：4级（最高级）

​下面是我们经常听说的一些病毒

寨卡病毒

这个病毒最近密集爆发，其主要通过被感染的蚊虫进行传播扩散，患上该病毒后，将导致婴儿头小畸形，出现头部尺寸太小和大脑不完全发育的出生缺陷症状。

基孔肯雅热

这种病毒经蚊虫叮咬传播的急性感染性疾病，临床上以发热、皮疹、出血、关节剧痛为特征，主要流行于非洲和东南亚地区，被世界卫生组织评定为“严重传染病毒”。

尼帕病毒

这是一种新型人、兽共患病毒，是RNA病毒，属于副粘病毒科，能引起广泛的血管炎，感染者有发热、严重头痛、胶告膜炎等症状，通过手动处理感染动物组织、饮用感染羊奶或者感染蚊虫叮咬而传播人类。

轮状病毒

轮状病毒（通过接触排泄物传播）最喜欢侵犯6个月~2岁免疫功能尚不成熟的宝宝，可使宝宝们产生急性肠炎和严重腹泻。据WHO统计，在全世界范围内，仅2008年就有45.3万5岁以下的儿童死于轮状病毒感染。可目前已有两种疫苗可以保护儿童免受轮状病毒感染，因而很多国家在引进疫苗后，由这种病毒导致的住院率和死亡率已经在大幅度快速下降了。

登革病毒

登革病毒于20世纪50年代首次在菲律宾和泰国被发现，自此后肆虐于全球的热带和亚热带地区。目前高达40%的世界人口居住在地区登革热流行区域，这种疾病（通过受感染的蚊子叮咬进行传播）很可能随着全球变暖而传播的更远。依据WHO统计，每年该病毒会感染5千万至1亿人。虽然该病毒的死亡率（2.5%）低于其他病毒，但是该病毒会引起人类机体产生登革出血热，如果得不到及时治疗，死亡率会高达20%。而目前还没有登革热的疫苗，但是法国制药机构赛诺菲公司正在研发的一种实验性疫苗显示出了较好的临床结果。

汉坦病毒

汉坦病毒心肺综合征（HPS）在1993年首发于美国，当时一个美国年轻人和他的未婚妻在HPS发病后短短几天死亡。几个月后，卫生部门从受感染人家里的鹿鼠身上分离出了汉坦病毒。该病毒的传播途径并非人传人，而是感染自老鼠的排泄物。依据疾病控制与预防中心（CDC），美国每年有超过699人感染HPS，36%死于此疾病。且2010年的《临床微生物学综述》也指出，20世纪50年代早期曾爆发过一种不同的汉坦病毒，使得超过3000名士兵被感染，12%的人死于此病毒。

流感病毒

依据WHO统计，在流感爆发的典型季节，世界各地高达50万人将死于流感。1918年爆发的西班牙流感，在当时便感染世界40%的人口，造成大约5000万人死亡。近年来，流感毒株开始呈现出多种类型，有时不同病毒遗传物质的重组，可产生更具危险性的病毒，使得疾病的传播将变的非常快，致死率也非常高。例如2009年猪流感大流行时，就导致了全球约20万人死亡。

天花病毒

天花病毒是一种传染性极强的病毒，仅在20世纪，天花就已经杀死了3亿人。而幸存者身上无一例外会留下永久性的疤痕，且伴随着失明。没有人知道天花的具体治疗方法，唯一的防治方法是接种疫苗。因而在疫苗出现之前，人们一直都生活在被天花控制的恐惧之中。而之所以将该病毒排在第五，是因为尽管其曾经造成了巨大的伤害，但是如今已经不足为惧了。可以说，消除天花是人类打的一场漂亮的战役。

狂犬病

狂犬病毒在电镜下有些类似“弹头”，而它靶向的目标就是人类的大脑。一旦该病毒入侵周围神经，可“劫持”了神经元细胞间传递细胞组分的“列车”，还会“操纵”它们直接驶入脊髓，进而便可以“乘坐”通往大脑的“列车”了。当病毒到达大脑后，会对大脑进行大规模的毁坏，使得人体出现恐水、狂犬病的症状。在1920年左右推出的狂犬疫苗，很大程度降低了该病毒的致死率，而且已经让狂犬病在发达国家中变得极为罕见，但是狂犬病在印度和部分非洲地区仍是一个非常严重的问题。被感染的动物咬伤的人们如果没有注射疫苗，那么该病毒在潜伏一段时间后，可导致狂犬病的出现，死亡率达100%。