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生物的および化学的脅威の検出の重要な課題
生物学的および化学的脅威を検出することは、現代の国家安全保障、公衆衛生、および環境安全の礎です。自然に発生させたパンデミックから、生物テロリズムの行為を審議し、危険な病原体と毒性物質を急速に識別する能力は、直接、応答の努力の有効性を決定します。しかし、最初のリリースまたは正確な識別へのパスは、技術的、記号論理的、および操作上の困難で侵害されます。これらの障害を理解することは、単に学術的問題ではなく、研究の進歩と今後の研究の方向性を調査し、将来の研究の方向性を調査します。
なぜ検出がこれまで以上に多くのマターを
人や物品が国境を越えて急速に動く相互接続された世界では、単一の検出されていない病原体または毒素は、世界的な危機にエスカレートすることができます。 COVID-19のパンデミックは、早期検出が失敗したときに、すぐに新しい生物学的エージェントが圧倒的な医療システムをいかに発揮するかを実証しました。同様に、化学的脅威とマダッシュ。産業事故、老化化学兵器ストックパイル、またはテロリストのプロット&マドを、またはテロリストが、国内の攻撃を防止するかどうかは、政府のリスクを防止します。
一方、検出システムは、固有の複雑さのホストと対峙しなければなりません。生物学的エージェントは、進化する生物であり、ホスト細胞内で隠すもので、驚くほど少量の量で存在することができます。化学的エージェントは、構造と反応が多様で、しばしば急速に劣化または環境の変化に変化します。両方のカテゴリは、敏感で、特異的、高速で、フィールド条件で動作するのに十分な険しいセンサーを要求します。これらの課題に対処するには、微生物学、化学、工学、および公共政策、および科学的な政策を網羅する多岐にわたる多岐にわたるアプローチが必要です。
ディープ・ダイブ: 生物的脅威検出の挑戦
生物的脅威と湿疹; ウイルス、細菌、真菌、および生きた生物と湿疹によって生成される毒素を含む; それらは動的であり、リリース後に自分自身を増幅することができるので、ユニークな検出ハードルをポーズします。 化学的エージェントとは異なり、通常、時間をかけて散逸または劣化する、生物学的エージェントは、ホスト内でマルチプライシングすることができ、早期発見をさらに重要かつより高価にすることができます。
潜在能力ギャップ:インキュベーション中に無声スプレッド
最も困難な課題の一つは、暴露と症状の出現の間の遅延期間です。多くの危険な病原体は、数時間から数週間の範囲の孵化期間を持っています。このウィンドウでは、感染した個人は、病気の兆候を示すことなく、伝染性または新しい場所への旅行することができます。臨床症状に依存する検出方法は、必然的にこの重要なウィンドウを見逃すでしょう。PCRや次世代シーケンシングなどの高度な分子検査でさえ、サンプル(悪臭、悪臭、または悪臭)を必要とする、およびほとんどの危険性が、または、または、非常に危険性のある期間を生じることがあります。
排水、空気、高軌道面を継続的に監視するリアルタイムまたは近距離監視システムがこのレイテンシーギャップに対処するために開発されていますが、それらは独自の制約に直面しています:コスト、カバレッジ、真の脅威から無害な背景生物を区別する必要があります。
非特異的な症状および診断混乱
症状が現れるとき、それらははるかに多くの一般的な病気から消えることがよくあります。早期のアントラックス感染は悪い風邪またはフッフルを模倣します。 ツレリアムは肺炎に似ています。小毒発疹は、鶏卵と混同することができます。 この臨床曖昧さは、最前線のヘルスケアプロバイダは異常な症例が出現するまで、バイオテロエージェントを疑うことができないことを意味します。 その時点で、予防接種のための窓と免疫機能障害物を含むが、それが広範囲に及ぶ分析や治療薬の症状を予防する可能性があります。
限られた診断インフラおよび供給の鎖
臨床医がバイオ脅威を疑う場合でも、専門ラボ能力を必要とすることを確認してください。 高汚染バイオセーフティーレベル3または4ラボ、訓練された人員、および特定の試薬は均等に配布されていません。 農村部、低資源国、さらには一部の都市病院では、決定的なテストを実行するための能力が欠如する可能性があります。 大規模なアウトブレイク中、テストキット、抽出試薬、および個人保護機器の需要はすぐに供給を中止することができます。 長期にわたるアフリカの調査は、長期的かつ長期的かつ長期的かつ長期的かつ長期的かつ長期的に実施される研究の課題です。
進化と遺伝的多様性
生物学的エージェントは静的ターゲットではありません。ウイルスの変異、細菌交換抵抗遺伝子、病原体は、既存の検出アッセイを蒸発させるために設計することができます。例えば、インフルエンザ株シフトとドリフト、診断プライマーとワクチンへの年間更新を必要とする。バイオウェポンデザイナーは、一般的なPCRテストによって標的化された遺伝子シーケンスを削除することを意図的に変更することができます。検出システムは、したがって、両方の広範囲(遺伝子組み換えが含まれている)、および、すべての有酸素が、および有酸素化できる限り、すべての有酸素を摂取する、および有酸素化できる、および有酸素化が、および有酸素化しやすい。
ディープ・ダイブ: 化学脅威検出チャレンジ
化学的脅威は、有毒化合物の膨大な範囲を伴います。神経剤(例えば、サリン、VX)、ブライト剤(例えば、硫黄マスタード)、血液剤(例えば、水素シアン化物)、チョーク剤(例えば、塩素)、および工業用毒素(例えば、アンモニア、リン)。生物学的エージェントとは異なり、多くの化学的脅威は、多くの場合、生物学的成分よりもはるかに短い時間を必要とする。
スピードの必要性:秒はライブを救います
神経の代理店にとって、短い露出でさえ、不可逆的な損傷や死を引き起こす可能性があります。 検出システムは、リアルタイムで動作し、秒内のアラートを提供する必要があります。 これは、微分レベルの検出のために余分な困難です。 ほとんどの現在のフィールド検出器は、イオンモビリティ分析、炎光測定、または色測定用紙を使用しています。 これらのツールは高速であることができますが、それらは干渉に問題があり、限られた予防能力を持ち、特定のエージェントを確実に識別することはできません。 連続した空気は、このような検査装置や高価な測定器が必要です。
微細化と自動化は、主要な研究の方向です。マイクロ流体、表面強化ラマン分光、電気化学センサーなどに基づいてハンドヘルド化学探知機は、より可能になりますが、最初の応答機で着用できるパッケージのベンチトップ機器の性能にはまだ一致しません。
エージェントの多様性は、コンサート方法を必要とします
化学的脅威空間は広大なです。すべての可能性のある毒性化学物質を検出できる単一のセンサーはありません。異なるクラスには、さまざまな検出原理が必要です。神経剤、特定の毒素、揮発性化合物のガスクロマトグラフィーのための免疫アッセイのためのコリンセラーゼ阻害。単一の検出器は、しばしば脅威スペクトルの狭いスライスだけをカバーします。最初の応答器は、複数のデバイスを運ぶか、または多量的な組み合わせ機器に依存する必要があります。さらに、エージェントは、多くの場合、混合物に配備されているか、または厚い溶剤またはそれらの油剤を組み合わせることが、それらの署名をすることができます。
ユニバーサル検出方法の開発とmdash;または少なくとも別の化学家族のために再構成することができるモジュラープラットフォーム;研究のアクティブな領域を残します。 米国国土安全保障省と防衛脅威低減庁は、このようなプラットフォームに大きく投資していますが、フィールド・リーダー・ソリューションはまだ数年です。
環境の干渉および偽警報
化学センサーは、複雑な環境のマトリックスで動作しなければなりません:車両排気、溶剤蒸気、農薬漂流と農業領域、および可変湿度と温度の地下または封じられたスペースを備えた都市空気。これらの背景化学物質のすべてが、誤った肯定的な読書を引き起こす可能性があり、無駄なリソース、不要な避難所、または検出システム内の自信の喪失を引き起こします。逆に、干渉は、実際の脅威(偽の負)をマスクすることができます。例えば、特定の臓器官能は、神経検査官が神経検査官と同じ手順をトリガーするかどうかを検証します。
パターン認識と機械学習を使用する高度なアルゴリズムは、バックグラウンドノイズから脅威のシグネチャを区別するために訓練されています。 センサー融合と機能障害。 複数のディテクタタイプと機能の組み合わせ。 周囲の軽減ができますが、システムコストと複雑性が増加します。 検出器が両方の機密であり、実際の条件では特定のものであることを確認することは、化学的脅威検出における最も困難なエンジニアリングの問題の1つです。
見本抽出と前濃度のハルール
多くの化学代理店は、非常に低い濃度(100万以下)で危険です。それらを検出するには、センサーは信じられないほど敏感であるか、または時間をかけて空気や水の量から代理店を収集する事前調整ステップを組み込む必要があります。 事前調整は、遅延& 何かを露出する必要があります。 試料がrun— と、それらを早期に解放することなく、さまざまな化学物質を効率的にキャプチャする材料が必要です。 そのような材料は、金属製のフレームワークに残っています。
検出の未来を形づける進歩
こうした中堅な課題にもかかわらず、過去10年間は、可能なものの境界線をプッシュする驚くべき革新を見てきました。次のサブセクションでは、最もインパクトのある技術と戦略が強調されています。
ポータブルおよびウェアラブルセンサー
分析機器の小型化が加速しました。ハンドヘルドPCRマシン(BioFire、Abbott ID Now)は、複数の病原体を1時間以内に識別できます。新しいウェアラブルパッチやスマートウォッチのようなデバイスは、汗、間接流体、または化学的または生物学的署名のための息を継続的に監視することができます。防衛高度な研究プロジェクトエージェンシー(DARPA)は、脅威の広範な配列を検出し、リアルタイムでデータを送信できるセンサーを開発し、これらのラボを早期に検出する必要があることを約束します。
人工知能とデータ分析
AIは、二つの方法で検出を変換しています。 まず、機械学習モデルは、複雑なセンサー読み取りを分析し、ルールベースのアルゴリズムに見えない脅威のシグネチャを識別することができます。 第二に、AIを搭載したシンドローム監視は、電子健康記録、ソーシャルメディア、および環境モニタリングネットワークを採掘して、従来の方法の前の破壊日や数週間を検知することができます。 ]CDCの国立AI総合監視プログラムとは、従来の方法の警告を早期に向上することができます。 [FLT:] および [[FLT:] ICO] は、および [[FLT] の警告を分析します。
メタゲノムシーケンシングとCRISPRベースのツール
次世代シーケンシング(NGS)は、未知の生物学的脅威を検出するための強力なツールになりました。特定の病原体を検索するよりもむしろ、NGSは、遺伝子の全ての物質をサンプルで読み、既知のデータベースと比較して読み込んでいます。これにより、新規またはエンジニアリングされたエージェントの検出が可能になります。 Oxford Nanopore Minionのようなプラットフォームは、フィールドで使用できる小型です。さらに、CRISR-ベースの診断(例えば、SHERLOCK、DETEC)は、特定の核種と標本を抽出するだけを検査することができます。これらの試料は、これらの試料を検査するだけを検査するだけです。
センサーネットワークとIoT統合
コストの少ないセンサーをネットワークに接続することで、化学的または生物学的脅威に対する広範囲のエリアのカバレッジを提供できます。スマートシティは、有毒な産業化学物質やバイオ粒子を検出するために再利用できるエア品質センサーをデプロイし始めています。 []]]] Homeland Security Science and Technology Directorateの分野は、重要なインフラストラクチャ保護のための分散センサーネットワークです。 分離センサー(音響、化学、生物学的)からのデータ融合は、偽物警報およびプライバシー保護を低減し、セキュリティ対策を保証します。
政策、トレーニング、および準備の検討
テクノロジーだけでは十分ではありません。効果的な検出は、熟練した人員、明確なプロトコル、および持続的な政治意志によって異なります。多くの国は、公共衛生、法執行、環境機関、および軍事の各々が独自の検出能力とデータサイロを持っている断片化されたシステムの下で動作します。相互に一貫性のあるコーディネートはしばしば弱く、情報共有は分類または官僚的な障壁によって妨げられるかもしれません。
[] 高度な検出装置を適切に使用するために、最初の応答機[を訓練することは不可欠です。 あまりにも頻繁に、緊急の担当者が自信や親しみを欠いているため、高価なセンサーは使用しません。 生物学的および化学的シナリオの両方をシミュレートする現実的なドリルは、筋肉のメモリを構築し、検出ワークフローのギャップを識別することができます。
]研究開発のための機能]は、安定して、両方の近期間の改善(より良い試薬、より堅牢なフィールドテスト)と長期変換技術(合成生物学的 - ベースのセンサー、検出ペイロードを備えた自律的なドローン)に向かって向けなければならない。 ]]:アレルギーおよび感染症のバイオ防衛研究の国立研究所は、歴史的に、主要な資金と主要な研究の進歩と、主要な研究の資金を、主に、主に、主に、研究の資金を、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、研究、および研究、研究、研究、および研究、研究、研究、研究、研究、研究、および研究、および研究、および研究、および研究、研究、研究、および研究、研究、および研究、研究、研究、および研究、研究、研究、および研究、および研究、および研究、および研究、および研究、研究
[国際共同は、境界線を尊重しない生物学的脅威にとって特に重要です。 グローバルヘルスセキュリティアジェンダと世界保健機関の共同外部評価プロセスは、国の検出能力を評価し、改善を優先するのに役立ちます。 生物学的武器条約は、協力的な脅威削減のためのフレームワークを提供しますが、その検証メカニズムは弱くなっています。 世界的な健康セキュリティを強化するには、ラボシステムに世界的な外交と投資を持続する必要があります。
行動への呼び出し:教育と公共意識の役割
専門家は、フィールド検出システムを開発し、フィールド検出システム、教育者および公共は準備の文化を築く上で重要な役割を果たしています。微生物学、化学、公衆衛生、および緊急管理におけるカリキュラムは、検出障害と成功の現実的なケーススタディを含める必要があります。学生は、バイオセンサーの基本的な原則、フィールドテストの制限を理解し、疑わしい病気や化学的暴露を報告することの重要性を理解しなければなりません。公共の意識キャンペーンは、人口の状況を把握したり、バイオセンサーの有効性を認識したり、バイオセンサーの有効性を把握したり、バイオセンサーの問題を報告したり、または科学的な影響を報告したりすることの重要性を認識したりすることができます。
さらに、脅威検出に専念する才能ある科学者やエンジニアのパイプラインを構築するには、実践的なトレーニングプログラム、競争上の優位性、そして卓越性のクロス・ディクトリニタリー・センターが必要です。 より多くの人々は、検出の課題の複雑さを理解し、それを克服するために必要な投資をサポートしている可能性が高い。
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生物学的および化学的脅威を検出することは、単一の問題ではなく、相互接続された課題と機能的遅延、化学的多様性、環境的干渉、インフラギャップ、および政策の断片化の観点から成り立っています。しかし、その点は決して高まっていない。気候変動、地政性不安定性、および二重使用技術の増加するアクセシビリティは、自然発生の発生または意図的なリリースが、それがあまりにも遅くなるまで検出されないリスクを発生させます。
進歩は、ポータブル分子診断、AIの強化データ分析、ネットワークセンサーシステム、およびプレ集中とキャプチャのための新しい材料の多くの前で作られています。 しかし、単一の画期的なことは、すべての問題を解決しません。 弾力性検出エコシステムには、基本的な研究、応用工学、労働力学的開発、国際協力、および公共の関与に関する持続的な投資が必要です。 ここに概説されている障害を理解することにより、利害関係者は、最も影響力のある戦略を優先し、脅威が生活保護するのに十分な十分な十分な十分な十分な状況を識別される将来の取り組みに取り組むことができます。