Kritiskā problēma — bioloģisko un ķīmisko apdraudējumu noteikšana

Bioloģisko un ķīmisko apdraudējumu konstatēšana ir mūsdienu nacionālās drošības, sabiedrības veselības un vides drošības stūrakmens. No dabiskām pandēmijām līdz apzinātām bioterorisma darbībām spēja ātri identificēt bīstamus patogēnus un toksiskas vielas tieši nosaka reaģēšanas pasākumu efektivitāti. Tomēr ceļš no sākotnējās izlaišanas vai uzliesmojuma līdz precīzai identificēšanai joprojām ir grūts ar tehniskām, loģistikas un darbības grūtībām. Šo šķēršļu izpratne nav tikai akadēmiskās nozīmes jautājums; tas ir būtiski, lai uzlabotu atklāšanas sistēmas, virzītu investīcijas pētniecībā un apmācītu pirmās paaudzes veselības aprūpes speciālistus. Šis raksts pēta daudzveidīgos uzdevumus, kas saistīti ar bioloģisko un ķīmisko apdraudējumu atklāšanu, pēta pašreizējos tehnoloģiskos sasniegumus un uzsver turpmākās darba virzienus.

Kāpēc noteikšana ir svarīgāka nekā jebkad

Starpsavienotā pasaulē, kur cilvēki un preces strauji pārvietojas pāri robežām, viens neatklāts patogēns vai toksīns var pāraugt globālā krīzē. COVID-19 pandēmija parādīja, cik ātri jauns bioloģiskais aģents var pārspēt veselības aprūpes sistēmas, kad agrīna atklāšana neizdodas. Līdzīgi, ķīmiskie draudi un mdash; vai nu no rūpnieciskiem negadījumiem, novecojošiem ķīmisko ieroču krājumiem vai teroristu zemes gabaliem un mdash;nepieciešami gandrīz nesteidzīgi identificēt, lai novērstu katastrofālu iedarbību. Noteikšana ir pirmais posms reaģēšanas ķēdē: tā informē par lokalizāciju, medicīniskiem pretpasākumiem un sabiedrības komunikāciju. Bez tā pat vislabāk aprīkotas valstis lido akli.

Tomēr atklāšanas sistēmām ir jācīnās ar daudzām raksturīgajām sarežģītības. Bioloģiskie aģenti ir dzīvi organismi, kas attīstās, slēpt iekšpusē saimnieka šūnas, un var būt klāt izzuduši mazos daudzumos. Ķīmiskie aģenti ir dažādas struktūras un reaģētspēja, bieži ātri degradē vai pārveidojas vidē. Abas kategorijas pieprasa sensori, kas ir jutīgi, īpašas, ātri, un nevainojami pietiekami, lai darbotos lauka apstākļos. Lai risinātu šos uzdevumus, ir nepieciešama daudzdisciplīnu pieeja, kas aptver mikrobioloģiju, ķīmiju, inženierzinātnes, datu zinātni, un sabiedrisko politiku.

Dziļi divi: bioloģisko draudu noteikšanas problēmas

Bioloģiskie draudi un mdash; tostarp vīrusi, baktērijas, sēnes un toksīni, ko ražo dzīvi organismi un mdash; radīt unikālus atklāšanas šķēršļus, jo tie ir dinamiski un var pastiprināt sevi pēc atbrīvošanas. Atšķirībā no ķīmiskiem aģentiem, kas parasti izkliedē vai degradējas laika gaitā, bioloģiskais aģents var vairoties saimniekorganisma iekšienē, padarot agrīnu atklāšanu vēl kritiskāku, bet arī neskaidrāku.

Latentā plaisa: klusi izplatās inkubācijas laikā

Viens no visgrūtāk risināmajiem uzdevumiem ir latentais periods starp iedarbību un simptomu parādīšanos. Daudziem bīstamiem patogēniem ir inkubācijas periodi no stundām līdz nedēļām. Šajā logā inficēts indivīds var būt lipīgs vai arī ceļot uz jaunām vietām, nerādot nekādas slimības pazīmes. Noteikšanas metodes, kas balstās uz klīniskiem simptomiem, neizbēgami izlaiž šo kritisko logu. Pat progresīviem molekulārajiem testiem, piemēram, PCR vai nākamās paaudzes sekvencēšanai, ir nepieciešams paraugs (asinis, deguna tampons, vides filtrs) un var paiet stundas, lai radītu rezultātu. Starpība starp iedarbību un novēršamu atklāšanu ir pats periods, kad draudi var izplatīties visklusāk.

Lai novērstu šo latento plaisu, tiek izstrādātas reālā laika vai gandrīz reālā laika novērošanas sistēmas, kas nepārtraukti uzrauga notekūdeņus, gaisu vai lielas satiksmes virsmas, taču tās saskaras ar saviem ierobežojumiem: izmaksām, pārklājumu un nepieciešamību atšķirt nekaitīgus fona organismus no reāliem apdraudējumiem.

Nespecifiski simptomi un diagnostiskā apjukums

Kad simptomi tiešām parādās, tie bieži vien ir nenošķirami no daudz biežāk slimībām. Agrīna Sibīrijas mēra infekcija imitē sliktu saaukstēšanās vai gripa; tularēmija atgādina pneimoniju; baku izsitumi var sajaukt ar vējbakām. Šī klīniskā neskaidrība nozīmē, ka frontline veselības aprūpes sniedzējiem var nebūt aizdomas bioterorisma aģents līdz klasteris neparastu gadījumu parādās. Līdz tam laikam, logs profilaksei un ierobežošanai var būt slēgts. Uzlabot sindromiskā uzraudzība— izsekošanas modeļus simptomu visā neatliekamās nodaļās un klīnikās—var palīdzēt, bet tas prasa sarežģītu analītika un plašu dalību no medicīnas iekārtām.

Ierobežota diagnostikas infrastruktūra un piegādes ķēdes

Pat tad, ja klīnicistiem ir aizdomas par bioterapiju, kas apstiprina, ka tai ir nepieciešama specializēta laboratorijas jauda. Augstas kvalitātes bioloģiskā drošuma līmenis 3. vai 4. laboratorijas, apmācīts personāls un īpašie reaģenti nav vienmērīgi izkliedēti. Lauku apvidi, valstis ar zemiem resursiem un pat dažas pilsētas slimnīcas var nebūt spējīgas veikt galīgos testus. Liela uzliesmojuma laikā pieprasījums pēc testu komplektiem, ekstrakcijas reaģentiem un individuāliem aizsardzības līdzekļiem var ātri pārsniegt piegādes apjomu.2014. un gada sākumā Ebolas uzliesmojums Rietumāfrikā spilgti parādīja, cik vājas diagnostikas infrastruktūras aizkavējas identificēšana un degvielas pārnešana uz priekšu.

Evolūcija un ģenētiskā daudzveidība

Bioloģiskie aģenti nav statiski mērķi. Vīrusu mutācijas, baktēriju apmaiņas rezistences gēni, un patogēni var tikt izstrādāti, lai izvairītos no esošajiem noteikšanas testiem. Piemēram, gripas celmi pāriet un drift, pieprasot ikgadējus atjauninājumus diagnostikas grunts un vakcīnu. Bioweapons dizaineri varētu apzināti pārveidot aģentu, lai izdzēstu ģenētiskās sekvences, uz kurām attiecas kopīgi PCR testi. Tāpēc noteikšanas sistēmām jābūt gan plašām (var atpazīt patogēnu dzimtas) un pielāgojamām (var ātri iekļaut jaunus parakstus). Metagenomika sekvence, kas nolasa visas nukleīnskābes paraugā bez neobjektivitātes, piedāvā daudzsološu risinājumu, bet tas joprojām ir dārgs, skaitļošanas intensīvs un ierobežots lauka pārnesamība.

Dziļa stropu: ķīmisko apdraudējumu noteikšanas problēmas

Ķīmiskie draudi ietver milzīgu toksisko savienojumu diapazonu: nervu aģentus (piemēram, sarīnu, VX), bullu aģentus (piemēram, sēra sinepes), asins aģentus (piemēram, ūdeņraža cianīdu), aizrīšanās aģentus (piemēram, hloru) un rūpnieciskos toksīnus (piemēram, amonjaku, fosgēnu). Atšķirībā no bioloģiskajiem aģentiem daudzi ķīmiskie draudi darbojas dažu sekunžu līdz minūšu laikā, pieprasot atklāšanas laiku, kas bieži vien ir daudz īsāks par to, kas vajadzīgs bioloģiskajiem aģentiem.

Ātruma nepieciešamība: sekundes var glābt dzīvības

Nerva aģentam pat īslaicīga iedarbība var izraisīt neatgriezeniskus bojājumus vai nāvi. Noteikšanas sistēmām tāpēc jādarbojas reālā laikā, nodrošinot brīdinājumus dažu sekunžu laikā. Tas ir ārkārtīgi grūti mikrolīmeņu noteikšanai. Vairums pašreizējo lauka detektoru izmanto jonu mobilitātes spektrometriju, liesmas fotometriju vai kolorimetrisko papīru. Šie instrumenti var būt ātri, bet tie var būt pakļauti traucējumiem, tiem ir ierobežotas kvantitātes noteikšanas spējas, un tie var nebūt droši identificējami. Nepārtraukta apkārtējā gaisa novērošana ar masas spektrometriju var sasniegt augstu specifiskumu, bet šādi instrumenti ir lielgabarīta, dārgi un tiem ir vajadzīgi kvalificēti operatori.

Galvenie pētniecības virzieni ir miniaturizācija un automatizācija. Rokas ķīmiskie detektori, kuru pamatā ir mikrofluidika, virsmas uzlabota Ramana spektroskopija vai elektroķīmiskie sensori, kļūst arvien spējīgāki, bet neviens vēl neatbilst soldtop instrumentu darbībai komplektā, ko var valkāt pirmais atbildētājs.

Aģents dažādība prasa saskaņotas metodes

Ķīmiskā apdraudējuma telpa ir plaša. Nav viena sensora, kas varētu noteikt visas iespējamās toksiskās ķīmiskās vielas. Dažādas klases prasa dažādus noteikšanas principus: holīnesterāzes inhibēšana nervu aģentiem, noteiktu toksīnu imūntesti, gaistošo savienojumu gāzu hromatogrāfija. Viens detektors bieži vien aptver tikai šauru apdraudējuma spektra šķēlumu. Pirmais, kas reaģē uz to, var būt nepieciešams, lai pārvadātu vairākas ierīces vai paļauties uz lielgabarīta kombinētiem instrumentiem. Turklāt, aģenti bieži tiek izvietoti maisījumos vai tiek kombinēti ar šķīdinātājiem, eļļām vai biezinātājiem, kas var maskēt vai mainīt to parakstu.

Izstrādāt universālas noteikšanas metodes un mdash;vai vismaz modulāru platformu, ko var pārkonfigurēt dažādām ķīmiskām ģimenēm un mdash; tā joprojām ir aktīva pētniecības joma. ASV Iekšlietu drošības departaments un Aizsardzības draudu samazināšanas aģentūra ir ieguldījusi lielus līdzekļus šādās platformās, taču uz vietas gatavi risinājumi vēl ir gadiem.

Vides traucējumi un viltus trauksmes

Ķīmiskie sensori ir jādarbojas sarežģītās vides matricās: pilsētas gaisā ar transportlīdzekļa izplūdes gāzēm, rūpnieciskajos apstākļos ar šķīdinātāju tvaikiem, lauksaimniecības teritorijās ar pesticīdu nonesi, un pazemes vai slēgtās telpās ar mainīgu mitrumu un temperatūru. Visas šīs fona ķīmiskās vielas var radīt viltus pozitīvus rādījumus, kas noved pie izšķērdētiem resursiem, nevajadzīgas evakuācijas vai uzticības zuduma noteikšanas sistēmai. Pretēji, traucējumi var arī maskēt reālus draudus (viltus negatīvus). Piemēram, daži organofosfāta pesticīdi izraisa tādu pašu holīnesterāzes testu kā nervu aģenti, liekot nogurdinošus apstiprināšanas soļus.

Progresīvi algoritmi, kas izmanto modeļu atpazīšanu un mašīnmācīšanos, tiek apmācīti, lai atšķirtu briesmu signālus no fona trokšņa. Sensoru saplūšana un mdash; datu apvienošana no vairākiem detektoru tipiem un mdash;var mazināt neskaidrību, bet tas palielina sistēmas izmaksas un sarežģītību. Nodrošināt, ka detektori ir gan jutīgi, gan specifiski reālos apstākļos, ir viena no smagākajām inženiertehniskajām problēmām ķīmisko apdraudējumu noteikšanā.

Paraugu ņemšana un pirmskoncentrācija

Lai noteiktu, vai viela ir ļoti jutīga, vai arī ir nepieciešams tāds materiāls, kas efektīvi uztver plašu ķīmisko vielu klāstu, neizlaižot tās priekšlaicīgi. Priekšievirzes sorbentu materiālos (piemēram, metāla-organiskajās sistēmās) liecina par apsēstību, bet integrācija portatīvās ierīcēs, kas darbojas ar baterijām, joprojām ir tehniska problēma.

Panākumi, kas paver iespējas atklāt nākotni

Neskatoties uz šiem grūti risināmajiem izaicinājumiem, pēdējā desmitgadē ir pieredzētas ievērojamas inovācijas, kas ir bīdījušas robežas tam, kas ir iespējams. Turpmākajās sadaļās ir izceltas visefektīvākās tehnoloģijas un stratēģijas.

Pārnēsājami un nolietojami sensori

Analītisko instrumentu miniaturizācija ir paātrinājusies. Rokas PCR mašīnas (piem., no BioFire, Abbott ID Now) var identificēt vairākus patogēnus, kas atrodas zem stundas. Jauni valkājami ielāpi un viedpulksteņi var nepārtraukti uzraudzīt sviedru, intersticiālo šķidrumu vai ieelpu ķīmisko vai bioloģisko parakstu. Aizsardzības Advanced Research Projects Agency (DARPA) ir finansējusi programmas, lai izstrādātu sensorus, kas var atklāt plašu apdraudējumu klāstu un pārsūtīt datus reāllaikā uz komandcentriem. Kamēr vēl agri, šīs ierīces sola pāriet atklāšanu no laboratorijas uz vietu, kur nepieciešams.

Mākslīgā intelekta un datu analītika

Pirmkārt, mašīnmācīšanās modeļi var analizēt sarežģītus sensoru rādījumus, lai noteiktu, kādi briesmu paraksti nebūtu redzami, lai uz noteikumiem balstīti algoritmi. Otrkārt, AI-iedarbīga sindromiskā uzraudzība var rakt elektroniskos veselības ierakstus, sociālos medijus un vides monitoringa tīklus, lai noteiktu uzliesmojumus dienas vai nedēļas pirms tradicionālajām metodēm. CDC Nacionālā sindromiskā uzraudzības programma un Veselības karte] ir piemēri tam, kā datu saplūšana var uzlabot agrīno brīdināšanu par bioloģiskiem draudiem.

Metagenomikas sekvencēšana un uz CRISPR balstīti rīki

Nākamās paaudzes sekvencēšana (NGS) ir kļuvusi par spēcīgu līdzekli nezināmu bioloģisku draudu konstatēšanai. NGS nevis meklē konkrētu patogēnu, bet gan izlasa visu ģenētisko materiālu paraugā un salīdzina to ar zināmām datubāzēm. Tas ļauj atklāt jaunus vai inženierijas aģentus. Platformas, piemēram, Oksfordas nanoporu MinION ir pietiekami mazas, lai to varētu izmantot šajā jomā. Turklāt CRISPR diagnostika (piemēram, SHERLOCK, DETECTR) var atklāt specifiskas nukleīnskābju sekvences ar attomolu jutību, un tām ir nepieciešams tikai vienkāršs aprīkojums. Šie instrumenti tiek pielāgoti vides paraugu un klīnisko paraugu pārbaudei.

Sensoru tīkli un IoT integrācija

Daudzas zemo izmaksu sensorus savienojot tīklā, var nodrošināt plašu pārklājumu ķīmiskiem vai bioloģiskiem apdraudējumiem.Viedās pilsētas sāk izvietot gaisa kvalitātes sensorus, kurus varētu izmantot toksisku rūpniecisko ķīmisko vielu vai pat biodaļiņu atklāšanai. Mājzemes drošības zinātnes un tehnoloģiju direktorāta nodaļa pēta izkliedētus sensoru tīklus kritiskās infrastruktūras aizsardzībai. Datu saplūšana no atšķirīgiem sensoriem (akustiskiem, ķīmiskiem, bioloģiskiem) var samazināt viltus trauksmes un nodrošināt ģeolokācijas draudu kartes. Tomēr datu drošības, privātuma un sadarbspējas nodrošināšana joprojām ir problēma.

Politika, apmācība un gatavības apsvērumi

Ar tehnoloģiju vien nepietiek, jo efektīva atklāšana ir atkarīga no kvalificēta personāla, skaidriem protokoliem un noturīgas politiskās gribas. Daudzas valstis darbojas sadrumstalotās sistēmās, kur sabiedrības veselības, tiesībaizsardzības, vides aģentūru un militāro iestāžu ziņā katrai ir savas atklāšanas spējas un datu blēdības. Starpaģentūru koordinācija bieži vien ir vāja, un informācijas apmaiņu var kavēt klasifikācija vai birokrātiski šķēršļi.

Pirmās atbildes apmācības pareizai izmantošanai ir ļoti svarīgi. Pārāk bieži dārgu sensoru izmantošana netiek izmantota, jo neatliekamās palīdzības personālam trūkst pārliecības vai iepazīšanas. Reālistiski treniņi, kas simulē gan bioloģiskos, gan ķīmiskos scenārijus, var palīdzēt veidot muskuļu atmiņu un noteikt nepilnības darba plūsmu noteikšanā.

Finansējumam pētniecībai un izstrādei jābūt stabilam un vērstam gan uz gandrīz īslaicīgiem uzlabojumiem (labāki reaģenti, stabilāki lauka testi), gan uz ilgtermiņa transformācijas tehnoloģijām (sintētiskie sensori, autonomie droni ar detektēšanas slodzi). Nacionālais Alerģijas un infekcijas slimību biodefenses pētniecības institūts vēsturiski ir bijis galvenais progresa virzītājspēks, taču finansējums ir ebbs un plūsma ar sabiedrības uzmanību.

Starptautiskā sadarbība ir īpaši svarīga bioloģisko apdraudējumu gadījumā, kas neievēro robežas. Globālā veselības drošības programma un Pasaules Veselības organizācijas Kopīgais ārējās novērtēšanas process novērtē valstu noteikšanas spējas un palīdz noteikt prioritātes uzlabojumiem. Bioloģisko ieroču konvencija arī nodrošina pamatu sadarbības apdraudējuma samazināšanai, bet tās pārbaudes mehānismi joprojām ir vāji. Globālās veselības drošības stiprināšanai ir nepieciešama ilgstoša diplomātija un ieguldījumi laboratorijas sistēmās visā pasaulē.

Aicinājums rīkoties: izglītības un sabiedrības informētības nozīme

Lai gan speciālisti izstrādā un lauka noteikšanas sistēmas, pedagogiem un sabiedrībai ir būtiska loma sagatavotības kultūras veidošanā. Mācību programmā mikrobioloģijā, ķīmijā, sabiedrības veselības un ārkārtas situāciju pārvaldībā jāiekļauj reāli gadījumu izpēte par atklāšanas kļūdām un panākumiem. Studentiem ir jāsaprot biosensoru pamatprincipi, lauka testu ierobežojumi un ziņošanas par aizdomīgām slimībām vai ķīmisko iedarbību nozīme. Sabiedrības informēšanas kampaņas var mācīt kopienām, ko darīt ķīmiskās noplūdes vai bioteāta gadījumā, pastiprinot, ka ātra atklāšana ir atkarīga no informētas sabiedrības, kas zina, kā atpazīt un ziņot anomālijas.

Turklāt, lai izveidotu talantīgu zinātnieku un inženieru tīklu, kas paredzēts draudu atklāšanai, ir vajadzīgas praktiskas apmācības programmas, konkurētspējīgas dotācijas un starpdisciplināri izcilības centri. Jo vairāk cilvēki izprot atklāšanas problēmas sarežģītību, jo lielāka ir iespēja atbalstīt ieguldījumus, kas vajadzīgi, lai to pārvarētu.

Secinājums

Bioloģisko un ķīmisko apdraudējumu konstatēšana nav viena problēma, bet gan savstarpēji saistītu problēmu un problēmu kopums, bioloģiskā latentība, ķīmiskā daudzveidība, vides iejaukšanās, infrastruktūras nepilnības un politikas sadrumstalotība. Tomēr šīs problēmas nekad nav bijušas lielākas. Klimata pārmaiņas, ģeopolitiskā nestabilitāte un arvien pieaugošā divējāda lietojuma tehnoloģiju pieejamība rada risku, ka dabiskais uzliesmojums vai apzināta noplūde paliks nepamanīta, līdz būs par vēlu.

Progress ir panākts daudzās jomās: pārnēsājamā molekulārā diagnostika, AI uzlabotā datu analīze, tīklā savienotās sensoru sistēmas un jauni materiāli priekškoncentrēšanai un uztveršanai.Taču neviens sasniegums neatrisinās visas problēmas.Spēcīgai noteikšanas ekosistēmai ir nepieciešami ilgstoši ieguldījumi fundamentālajā pētniecībā, lietišķajā inženierijā, darbaspēka attīstībā, starptautiskajā sadarbībā un sabiedrības iesaistē. Izprotot šeit minētos šķēršļus, ieinteresētās personas var noteikt prioritārākās stratēģijas un strādāt pie tā, lai nākotnē tiktu konstatēti draudi, kas pietiekami ātri aizsargā dzīvību un iztikas līdzekļus.