چالش بحرانی تشخیص تهدیدات بیولوژیکی و شیمیایی

شناسایی تهدیدات بیولوژیکی و شیمیایی سنگ بنای امنیت ملی مدرن، بهداشت عمومی و ایمنی زیست محیطی است.از اپیدمی های طبیعی برای اقدامات عمدی بیوتروریسم، توانایی شناسایی سریع پاتوژن های خطرناک و مواد سمی به طور مستقیم تعیین اثربخشی تلاش های پاسخ و با این حال راه از انتشار اولیه یا شیوع دقیق شناسایی باقی مانده با مشکلات فنی، لجستیک، و عملیاتی است.

چرا تشخیص بیش از همیشه اهمیت دارد

در دنیایی به هم پیوسته که مردم و کالاها به سرعت در سراسر مرزها حرکت می کنند، یک پاتوژن یا سموم ناشناخته می تواند به یک بحران جهانی تبدیل شود. COVID-19 همه گیر نشان داد که چگونه یک عامل بیولوژیکی جدید می تواند سیستم های مراقبت های بهداشتی را در هنگام تشخیص زودهنگام به طور مشابه، تهدیدات شیمیایی و یا از حوادث صنعتی، ذخیره سازی سلاح های شیمیایی، یا توطئه های تروریستی و پیشگیری از آسیب پذیری، حتی آسیب های فاجعه بار در معرض آسیب پذیری های عمومی است.

با این حال سیستم های تشخیص باید با تعدادی از پیچیدگی های ذاتی مقابله کنند.عامل های بیولوژیکی موجودات زنده هستند که در داخل سلول های میزبان تکامل می یابند و می توانند در از بین بردن مقادیر بسیار کوچک وجود داشته باشند. عوامل شیمیایی متنوع در ساختار و واکنش مجدد هستند، اغلب به سرعت در حال تجزیه و یا تبدیل در محیط هستند.هر دو دسته خواستار سنسورهای حساس، خاص، سریع و به اندازه کافی برای کار در شرایط زمینه، نیاز به یک رویکرد علوم عمومی، و مهندسی داده ها، و شیمی، و شیمی، و شیمی، و شیمی، نیاز به سرعت.

چالش های تهدید بیولوژیکی

تهدیدات بیولوژیکی و فراموشی؛ از جمله ویروس ها، باکتری ها، قارچ ها و سموم تولید شده توسط ارگانیسم های زنده و mdash؛ موانع تشخیص منحصر به فرد را ایجاد می کنند زیرا آنها پویا هستند و می توانند خود را پس از انتشار، بر خلاف عوامل شیمیایی، که به طور معمول پراکنده یا کاهش می شوند، یک عامل بیولوژیکی ممکن است در داخل یک میزبان ضرب شود، و حتی بسیار مهم تر، اما همچنین غیر قابل درک تر است.

دانلود بازی The Latency Gap: Silent Spread در طول Incubation

یکی از چالش های شدید، دوره تأخیر بین قرار گرفتن در معرض و ظاهر علائم است. بسیاری از پاتوژن های خطرناک دوره های تشخیص را از ساعت ها تا هفته ها تشکیل می دهند، در طول این پنجره، فرد آلوده می تواند مسری باشد یا می تواند بدون نشان دادن هر گونه علائم بیماری، به طور اجتناب ناپذیری از این پنجره بحرانی استفاده کند.حتی آزمایش های مولکولی پیشرفته مانند PCR یا نسل بعدی که نیاز به تشخیص خون دارند، ممکن است باعث ایجاد یک فاصله بسیار قابل مشاهده شوند.

سیستم های نظارت در زمان واقعی یا نزدیک به زمان که به طور مداوم نظارت بر فاضلاب، هوا یا سطوح بالای ترافیک را دارند برای حل این شکاف تاخیر توسعه یافته اند، اما با محدودیت های خود مواجه هستند: هزینه، پوشش و نیاز به تشخیص ارگانیسم های پس زمینه بی ضرر از تهدیدات واقعی.

علائم غیر خاص و تزریق تشخیصی

هنگامی که علائم ظاهر می شوند، اغلب از بیماری های بسیار شایع تر قابل تشخیص هستند. عفونت اولیه آنتروکس تقلید یک سرماخوردگی یا آنفولانزا بد؛ tularemia شبیه به ذات الریه؛ بثورات کوچک می تواند با جوجهپوکس گیج شود؛ این ابهام بالینی به این معنی است که ارائه دهندگان مراقبت های بهداشتی خط مقدم ممکن است یک عامل بیوتروفی را مشکوک نکنند تا زمانی که یک خوشه از موارد غیر معمول ظهور کند، با توجه به تنظیمات و بهبود آن ممکن است علائم نظارت گسترده ای از طریق آن را مسدود کند.

زیرساخت های تشخیصی محدود و زنجیره های تامین

حتی زمانی که پزشکان یک تهدید زیستی را مشکوک می کنند، تایید آن نیاز به ظرفیت آزمایشگاهی تخصصی دارد. سطح ایمنی زیستی 3 یا 4 آزمایشگاه، پرسنل آموزش دیده و عوامل خاص به طور مساوی توزیع شده است مناطق روستایی، کشورهای کم منابع و حتی برخی از بیمارستان های شهری ممکن است توانایی اجرای تست های قطعی را نداشته باشند.

تکامل و تنوع ژنتیکی

عوامل بیولوژیکی اهداف ثابت نیستند. ویروس ها جهش یافته، ژن های مقاومت در برابر باکتری ها و پاتوژن ها می توانند برای جلوگیری از تشخیص آسترال موجود مهندسی شوند، به عنوان مثال، تغییر سویه های آنفولانزا و حرکت، نیاز به روز رسانی های سالانه برای تشخیص اولرها و واکسن های فشرده، طراحان Bioweapons می توانند به طور عمدی یک عامل را برای حذف توالی های ژنتیکی هدف توسط سیستم های تشخیص معمول PCR تغییر دهند.

چالش های تهدید شیمیایی

تهدیدات شیمیایی شامل طیف گسترده ای از ترکیبات سمی است: عوامل عصبی (به عنوان مثال، سارین، VX)، عوامل تاول (به عنوان مثال، گوگرد)، عوامل خون (به عنوان مثال، هیدروژن)، عوامل خفگی (به عنوان مثال، کلر)، و سموم صنعتی (به عنوان مثال، آمونیاک، phogene) بر خلاف عوامل بیولوژیکی، بسیاری از تهدیدات شیمیایی مورد نیاز در چند دقیقه تشخیص، اغلب موارد مورد نیاز است.

نیاز به سرعت: ثانیه ها می توانند زندگی را نجات دهند

برای یک عامل عصبی، حتی یک نوردهی کوتاه می تواند باعث آسیب های برگشت ناپذیر یا مرگ شود.سیستم های تشخیص تشخیص آسیب دیدگی، پس از آن باید در زمان واقعی عمل کنند، و هشدارها را در عرض چند ثانیه ارائه دهند، اما این ابزار به شدت مستعد مداخله هستند، توانایی تشخیص محدود، و نظارت بر حجم خاص، اپراتورهای حسی، می تواند به طور قابل اطمینانی به عوامل محیطی خاص، دسترسی داشته باشد.

مینیاتوراسیون و اتوماسیون جهت های تحقیقاتی کلیدی هستند. آشکارسازهای شیمیایی دستی بر اساس میکروفلدیک ها، طیفوسکوپی Raman سطح، یا سنسورهای الکتروشیمیایی در حال توانایی بیشتری هستند، اما هنوز هیچ کدام عملکرد ابزارهای نیمکت را در بسته ای که می تواند توسط یک پاسخ دهنده اول استفاده شود، مطابقت ندارند.

تنوع عوامل نیاز به روش های کنسرت

فضای تهدید شیمیایی گسترده است.هیچ سنسور واحدی وجود ندارد که بتواند تمام مواد شیمیایی سمی احتمالی را تشخیص دهد. طبقات مختلف نیاز به اصول تشخیص مختلف دارند: مهار کننده کروم برای عوامل عصبی، ایمنیا برای سموم خاص، کروماتوگرافی گاز برای ترکیبات فرار، اغلب فقط یک برش باریک از طیف تهدید را پوشش می دهد. اول پاسخ دهندگان ممکن است نیاز به حمل چندین دستگاه یا ابزار کامپوزیت دارند، و یا ترکیبات حاوی ترکیباتی هستند که اغلب می توانند با ترکیبات حاوی ترکیبات محلول یا ترکیبات حاوی ترکیباتی که می شوند.

توسعه روش های تشخیص جهانی و تجزیه و تحلیل؛ یا حداقل یک پلت فرم مدولار که می تواند برای خانواده های مختلف شیمیایی و mdash تنظیم مجدد؛ یک منطقه فعال از تحقیقات است. وزارت امنیت داخلی ایالات متحده و آژانس کاهش تهدیدات دفاعی به شدت در چنین سیستم عامل ها سرمایه گذاری کرده اند، اما راه حل های آماده زمینه هنوز دور هستند.

تداخل محیط زیست و هشدارهای دروغین

سنسورهای شیمیایی باید در مجتمع های پیچیده محیط زیست کار کنند: هوای شهری با اگزوز خودرو، تنظیمات صنعتی با بخار های حلال، مناطق کشاورزی با حرکت آفت کش، و فضاهای زیرزمینی یا محصور با رطوبت متغیر و دما، همه این مواد شیمیایی پس زمینه می تواند باعث خواندن مثبت کاذب، منجر به هدر رفتن منابع، تخلیه غیر ضروری، یا از دست دادن اعتماد به سیستم تشخیص در مقابل، همچنین می تواند یک آزمایش واقعی (مانند عامل های سمی، به عنوان عوامل سمی).

الگوریتم های پیشرفته که از شناخت الگو و یادگیری ماشین استفاده می کنند، آموزش دیده اند تا امضاهای تهدید را از سر و صدا پس زمینه تشخیص دهند. هم جوش سنسور و هم جوش؛ ترکیب داده ها از انواع مختلف آشکارساز و هم از سخت ترین مشکلات مهندسی در تشخیص تهدید شیمیایی است.

دانلود بازی کامپیوتر Hedles

بسیاری از عوامل شیمیایی در غلظت های بسیار پایین (قطعات در هر میلیارد یا پایین) برای تشخیص آنها خطرناک هستند، سنسور باید فوق العاده حساس باشد یا باید یک گام پیش از آلودگی را که عامل را از حجم زیادی از هوا یا آب در طول زمان جمع آوری می کند، اضافه کند و به تاخیر می خورد؛ برخی باید در حالی که نمونه و مواد آلی اجرا می شود، و نیاز به یک سیستم گسترده ای از مواد شیمیایی دارد (به عنوان مثال بالا).

پیشرفت های آینده ی تشخیص

علی رغم این چالش های نیرومند، دهه گذشته نوآوری های قابل توجه ای را دیده است که مرزهای آنچه ممکن است را تحت فشار قرار می دهد. زیر بخش ها برجسته ترین فن آوری ها و استراتژی های تاثیرگذار هستند.

سنسور های قابل حمل و قابل حمل و قابل حمل

مینیاتورسازی ابزارهای تحلیلی شتاب داده است.ماشین های دستی PCR (به عنوان مثال، از BioFire، ابوت ID Now) می توانند چندین بیماری را در کمتر از یک ساعت شناسایی کنند. پچ های پوشیدنی جدید و دستگاه های هوشمند مانند ساعت می توانند به طور مداوم بر عرق، مایع بین المللی نظارت کنند، یا نفس برای امضاهای شیمیایی یا بیولوژیکی. آژانس تحقیقات پیشرفته دفاعی (DARPA) برنامه های مالی برای شناسایی دستگاه های اولیه و شناسایی زمان های زمان واقعی را فراهم کرده و هنوز هم می توانند از طریق شناسایی داده های فرماندهی واقعی، انتقال داده ها، انتقال دهند.

هوش مصنوعی و Data Analytics

AI در حال تبدیل تشخیص به دو روش است.اول، مدل های یادگیری ماشین می توانند تجزیه و تحلیل سنسور پیچیده ([۱] خواندن برای شناسایی امضاهای تهدید که برای الگوریتم های مبتنی بر قانون نامرئی هستند، تجزیه و تحلیل کنند.۲] نظارت syndromic AI می تواند نمونه های سلامت الکترونیکی، رسانه های اجتماعی و شبکه های نظارت زیست محیطی را برای تشخیص روز ها یا هفته ها قبل از روش های سنتی، بهبود بخشد.

Metagenomic Sequencing و ابزار مبتنی بر CRISPR

توالی نسل بعدی (NGS) به یک ابزار قدرتمند برای شناسایی تهدیدات بیولوژیکی ناشناخته تبدیل شده است، به جای جستجوی یک پاتوژن خاص، NGS همه مواد ژنتیکی را در یک نمونه می خواند و آن را در برابر پایگاه های داده شناخته شده مقایسه می کند، این اجازه می دهد تا تشخیص از نمونه های جدید یا سیستم عامل های مهندسی شده مانند آکسفورد نانوپوتراژ کوچک به اندازه کافی برای استفاده در زمینه علاوه، تنها نیاز به تشخیص نمونه های خاص است.

شبکه های سنسور و ادغام IoT

اتصال بسیاری از سنسورهای کم هزینه به یک شبکه می تواند پوشش گسترده ای برای تهدیدات شیمیایی یا بیولوژیکی ارائه دهد.شهرهای هوشمند شروع به استقرار سنسورهای کیفیت هوا می کنند که می تواند برای شناسایی مواد شیمیایی صنعتی سمی یا حتی ذرات زیستی، حفاظت از داده های ضد میکروبی، جلوگیری از خطر آلودگی شیمیایی و جلوگیری از آلودگی های شیمیایی (FLT:0Department of امنیت داخلی و مدیریت فناوری داخلی) باشد.[۱۰] FLT ۱.۱] با این حال بررسی شبکه های توزیع شده برای حفاظت از داده های حیاتی (تعاملات شیمیایی سمی، خطر می تواند خطر آلودگی های بیولوژیکی را کاهش دهد.

سیاست، آموزش و آمادگی در نظر گرفتن

فناوری به تنهایی کافی نیست. تشخیص موثر بستگی به پرسنل ماهر، پروتکل های روشن و اراده سیاسی پایدار دارد. بسیاری از کشورها تحت سیستم های پراکنده ای فعالیت می کنند که در آن سلامت عمومی، اجرای قانون، سازمان های زیست محیطی و ارتش هر کدام دارای قابلیت های شناسایی و سیلوهای داده خود هستند.

اولین پاسخ دهندگان برای استفاده صحیح از تجهیزات تشخیص پیشرفته ضروری است، اغلب سنسورهای گران قیمت استفاده نمی شوند زیرا پرسنل اورژانس فاقد اعتماد به نفس یا آشنایی هستند که شبیه سازی هر دو سناریو بیولوژیکی و شیمیایی می تواند به ایجاد حافظه عضلانی و شناسایی شکاف در جریان های کاری کمک کند.

{FLT 1} باید ثابت و هدایت به سوی هر دو بهبود نزدیک مدت (عاملات بهتر، آزمایشات قوی تر زمینه) و فن آوری های تحول طولانی مدت ( سنسورهای مبتنی بر زیست شناسی، هواپیماهای بدون سرنشین با بار تشخیص) است. [F:2 موسسه ملی آلرژی و تحقیقات عفونی [3]

همکاری بین المللی به ویژه برای تهدیدات بیولوژیکی حیاتی است، که به مرزها احترام نمی گذارد، دستور کار امنیت جهانی و فرآیند ارزیابی مشترک بهداشت جهانی ارزیابی ظرفیت های تشخیص کشورها و اولویت بندی بهبود های سلاح های بیولوژیکی، چارچوبی برای کاهش تهدیدات تعاونی فراهم می کند، اما مکانیسم های تأیید آن ضعیف باقی مانده است.

فراخوان به اقدام: نقش آموزش و آگاهی عمومی

در حالی که متخصصان سیستم های تشخیص زمینه، مربیان و عموم نقش مهمی در ایجاد فرهنگ آمادگی دارند.کورریکولا در میکروبیولوژی، شیمی، بهداشت عمومی و مدیریت اضطراری باید شامل مطالعات موردی واقعی از شکست های تشخیص و موفقیت های زیست شناسی باشد، دانش آموزان باید اصول اساسی سنسور زیستی، محدودیت های آزمایشات میدانی و اهمیت گزارش بیماری های مشکوک یا شیمیایی را درک کنند تا بدانند که چگونه می توانند به تشخیص سریع جامعه های شیمیایی و یا آگاهی برسند.

علاوه بر این، ساخت یک خط لوله از دانشمندان و مهندسان با استعداد اختصاص یافته به تشخیص تهدید نیازمند برنامه های آموزشی، کمک های رقابتی و مراکز متقابل رشته ای عالی است.مردم بیشتر پیچیدگی چالش تشخیص را درک می کنند، احتمال بیشتری دارد که از سرمایه گذاری های مورد نیاز برای غلبه بر آن حمایت کنند.

نتیجه گیری

شناسایی تهدیدات بیولوژیکی و شیمیایی یک مشکل واحد نیست بلکه یک صورت فلکی از چالش های مرتبط و توسعه آن است؛ تأخیر بیولوژیکی، تنوع شیمیایی، دخالت زیست محیطی، شکاف های زیربنایی و تقسیم بندی سیاست ها، با این حال، سهام هرگز بالاتر از تغییرات آب و هوا، بی ثباتی ژئوپولیتیک، و افزایش دسترسی به فن آوری های دوگانه استفاده خطر را افزایش می دهد که یک شیوع طبیعی یا انتشار عمدی آن تا دیر به پایان نمی رسد.

پیشرفت در بسیاری از جبهه ها صورت می گیرد: تشخیص مولکولی قابل حمل، تجزیه و تحلیل داده های هوش مصنوعی، سیستم های سنسور شبکه ای و مواد جدید برای پیش از توافق و ضبط، اما هیچ پیشرفت واحدی نمی تواند تمام مشکلات را حل کند. اکوسیستم تشخیص انعطاف پذیر نیاز به سرمایه گذاری مداوم در تحقیقات اساسی، مهندسی کاربردی، توسعه نیروی کار، همکاری بین المللی و تعامل عمومی با درک موانع مشخص شده در اینجا، اولویت بندی می تواند به سرعت و استراتژی های زندگی در آینده را در بر گیرد.