检测生物和化学威胁的重大挑战

发现生物和化学威胁是现代国家安全、公共卫生和环境安全的基石。从自然发生的流行病到蓄意的生物恐怖主义行为,迅速发现危险的病原体和有毒物质的能力直接决定了应对努力的有效性。然而,从初次释放或爆发到准确识别的道路仍然充满技术、后勤和业务困难。 理解这些障碍不仅仅是学术问题;它对于改进检测系统、指导研究投资、培训下一代第一反应人员和公共卫生专业人员至关重要。 本条审查了在发现生物和化学威胁方面所涉及的分层挑战,探讨了当前的技术进步,并突出了未来工作的方向。

为什么侦测比以往更重要

在一个人和货物迅速跨界流动的相互关联的世界中,单一的未被发现的病原体或毒素可能升级为全球危机。COVID-19大流行显示了当早期检测失败时,新型生物剂能够很快地覆盖医疗系统。 同样,化学威胁和mdash;无论是工业事故、老化的化学武器储存,还是恐怖分子的近距离识别以防止灾难性接触。 检测是反应链中的第一环节:它为遏制、医疗对策和公共沟通提供信息。 没有它,即使是装备最精良的国家也盲目飞行。

然而,探测系统必须面对一系列固有的复杂因素。 生物剂是生物体,它们进化、隐藏在宿主细胞内,并且可以消失在数量很小的地方。 化学剂在结构和反应上各不相同,在环境中往往迅速降解或转化。 这两种物质都需要敏感、具体、快速和崎岖的传感器,以便在实地条件下运作。 应对这些挑战需要跨越微生物学、化学、工程学、数据科学和公共政策的多学科方法。

深潜:生物威胁探测挑战

生物威胁和mdash; 包括生物体和mdash产生的病毒、细菌、真菌和毒素,因为其具有动态性,在释放后可以自我放大,所以具有独特的检测障碍。 与化学剂(通常随时间而消散或降解)不同,生物剂可能在宿主体内繁殖,使早期检测更加关键,但也更加难以捉摸。

延迟差距:孵化期间的静态扩散

最为严峻的挑战之一是接触和症状出现之间的间隔期。 许多危险的病原体的孵化期从几小时到几周不等。在这个窗口中,感染者可以传染,或者可以前往新的地点,而不会显示出任何疾病的迹象。依赖临床症状的检测方法将不可避免地错过这一关键窗口。即使是高级分子测试,如PCR或下一代测序,都需要一个样本(血液、鼻水、环境过滤),并可能需要几个小时才能产生结果。 接触和可操作检测之间的差距就是威胁能够最无声地扩散的时期。

正在开发实时或接近实时监测系统,持续监测废水、空气或高流量表面,以解决这一暂时性差距,但它们面临自身的制约因素:成本、覆盖面以及区分无害背景生物与真正威胁的必要性。

非特定症状和诊断性困惑

当症状出现时,它们往往与更常见的疾病无法区分。 早期的炭疽感染模仿了坏的感冒或流感; 舌状贫血类似肺炎;天花疹可以与鸡瘟混淆。 这种临床模糊性意味着,在出现一组异常病例之前,前线的医护人员可能不会怀疑生物恐怖剂。 到那时,预防和遏制的窗口可能已经关闭。 改善综合监控和mdash;跟踪各急诊部门和诊所的症状模式,需要尖端分析,需要医疗设施的广泛参与。

有限的诊断基础设施和供应链

即便临床医生怀疑存在生物威胁,也需具备专门的实验室能力。 高控制生物安全水平的三、四级实验室、受过培训的人员和特定试剂分布不均。 农村地区、资源匮乏的国家,甚至一些城市医院可能缺乏进行确定性测试的能力。 在大规模疫情期间,对测试包、提取试剂和个人防护设备的需求可能很快超过供应。 2014年和Ndash;2016年西非埃博拉疫情凸显出诊断基础设施薄弱如何拖延识别和燃料继续传播。 建设弹性分散的测试网络是一个长期挑战,需要持续投资。

进化与遗传多样性

生物剂不是静态目标。病毒变异、细菌交换阻抗基因和病原体可以被设计来逃避现有的检测检测。 比如,流感菌株转移和漂移,需要每年更新诊断试样和疫苗。 生物武器设计者可以有意修改一种剂,删除常见PCR测试所针对的基因序列。 因此,检测系统必须既广泛(能够识别病原体的家族),又能够适应性(能够快速加入新的签名 ) 。 将所有核酸都放在样本中,这提供了一种很有希望的解决方案,但是它仍然昂贵,在计算上很密集,而且限于实地可移植性。

深潜:化学威胁探测挑战

化学威胁包括了巨大的有毒化合物:神经剂(如沙林,VX),水泡剂(如硫芥),血液剂(如氰化氢),窒息剂(如氯),工业毒素(如氨,磷),不同于生物剂,许多化学威胁在数秒到数分钟内发生,要求检测时间往往比生物剂需要的时间短得多.

速度的必要性:秒可以拯救生命

对于神经毒剂来说,即使是短暂的接触也可能造成不可逆的损害或死亡。因此,检测系统必须实时运行,在几秒钟内发出警报。这对于微量检测来说是特别具有挑战性的。 大多数的现场检测器都使用离子移动光谱、火焰光度测定或色度计纸。 这些工具可能很快,但容易受到干扰,数量有限,而且可能无法可靠地识别具体的毒剂。 持续的环境空气监测,如果进行质谱检测,可以实现高度的特异性,但这类仪器是大宗的、昂贵的,需要熟练的操作者。

微型化和自动化是研究的关键方向. 手持基于微流体的化学探测器,表面增强的拉曼光谱仪,或电化学传感器的功能正在增强,但还没有一个能与第一反应器可以穿戴的包件中的长凳顶仪器的性能相匹配.

多样性需要协调一致的方法

化学威胁空间广阔,没有单一的传感器可以检测出所有可能的有毒化学品。不同的类别需要不同的检测原理:神经剂胆碱酯酶抑制、某些毒素的免疫测定、挥发性化合物的气体色谱学。单一的检测器通常只覆盖威胁谱的狭小片段。第一反应器可能需要携带多种装置或依赖大量组合仪器。此外,制剂往往被部署在混合物中,或者与溶剂、油类或能够遮盖或改变其特征的增厚剂结合。

开发通用检测方法和mdash;或至少为不同的化学家族和mdash进行重组的模块化平台,仍然是活跃的研究领域。 美国国土安全部和国防威胁减少局已经为这些平台投入了大量资金,但实地的“准备”解决方案仍然要等多年。

环境干扰和虚假警报

化学传感器必须在复杂的环境基质中运行:城市空气中含有车辆废气,工业环境中含有溶剂蒸汽,农业地区中含有农药漂移,以及地下或封闭空间中湿度和温度可变性。 所有这些背景化学品都会导致虚假的正读,导致资源浪费、不必要的疏散或对检测系统丧失信心。 相反,干扰也可以掩盖真正的威胁(假负作用 ) 。 比如,某些有机磷酸酯农药引发了与神经毒剂相同的胆碱酯酶测试,从而迫使人们采取乏味的确认步骤。

使用模式识别和机器学习的高级算法正在接受训练,以区分威胁签名和背景噪声。传感器聚变和mdash;从多个探测器类型和mdash;合并数据,可以减少模糊性,但可以增加系统成本和复杂性。确保探测器在现实世界条件下既敏感又具体,是化学威胁探测中最难解决的工程问题之一。

取样和集中前的伤害

许多化学剂在极低浓度下是危险的(每10亿分之一或更低的浓度)。为了检测这些化学剂,传感器必须具有惊人的敏感性,或者必须包含一个预先浓缩步骤,从大量的空气或水中收集该剂。浓缩会增加延迟和mdash;在取样员运行和mdash时必须暴露某些物剂;需要有效捕获多种化学品而不会过早释放这些化学品的材料。吸附物材料(如金属有机框架)的进展显示有希望,但融入便携式电池动力装置仍然是一个技术挑战。

塑造侦测未来的进展

尽管面临这些艰巨的挑战,过去十年中出现了一些引人注目的创新,这些创新正在推动可能实现的目标的界限。 以下各小节突出了最具影响力的技术和战略。

可移植和可穿戴传感器

分析仪器的微型化已经加快。手持PCR机器(例如来自BioFire,Abbott ID Now)可以在不到一小时的时间里识别出多种病原体。新的可穿戴的补丁和智能观察设备可以持续监测汗、间歇液或呼吸,以用于化学或生物签名。国防高级研究项目局(DARPA)已经资助开发传感器的方案,以检测各种威胁,并实时将数据传送到指挥中心。这些设备虽然仍然很早,但保证将探测从实验室转移到需要的地方。

人工智能和数据分析

AI正在以两种方式改变检测。 首先,机器学习模型可以分析复杂的传感器读数,以识别那些对基于规则的算法来说是看不见的威胁信号。第二,AI的动态合成监视可以挖掘电子健康记录、社交媒体和环境监测网络,以检测传统方法之前的几天或几周的爆发。 CDC的国家协同监测方案[和健康地图平台是数据聚合如何改善生物威胁预警的例子。 对于化学威胁,AI可以帮助校准飞行中的仪器,并过滤环境噪声。

美图组序列和基于CRISPR的工具

下一代测序(NGS)已成为探测未知生物威胁的有力工具。NGS不是在样本中查找特定的病原体,而是将所有遗传物质与已知数据库进行比较。这可以检测新颖或工程的物剂。牛津纳诺波雷敏量仪等平台足够小,可以用于实地。此外,基于CRISPR的诊断(例如SHERLOCK、DETETR)可以检测具有原子敏感性的特定核酸序列,它们只需要简单的设备。这些工具正在被改造,以同样筛选环境样本和临床样本。

传感器网络和IOT集成

将许多低成本传感器连接到网络中可以提供广泛的化学或生物威胁覆盖区域。智能城市开始部署空气质量传感器,这些传感器可以重新用于检测有毒工业化学品甚至生物粒子。国土安全部科技局[正在探索分布式传感器网络,以保护关键基础设施。 离散传感器(声学、化学、生物)的数据集聚可以减少虚假警报,并提供地理位置的威胁地图。然而,确保数据安全、隐私和互操作性仍然是一个挑战。

政策、培训和准备考虑

光靠技术是不够的。 有效的检测取决于熟练人员、明确的规程和持续的政治意愿。 许多国家在分散的体系下运作,公共卫生、执法、环境机构和军队各自拥有自己的检测能力和数据仓。 机构间协调往往很薄弱,而信息共享可能因分类或官僚主义障碍而受到阻碍。

训练第一反应器[正确使用高级检测设备是不可或缺的,由于应急人员缺乏信心或熟悉,昂贵的传感器经常坐着,模拟生物和化学情景的现实主义钻头可以帮助建立肌肉记忆,并找出检测工作流程中的漏洞.

研发资金必须保持稳定,并面向近期改进(试剂、更强健的实地试验)和长期转化技术(基于合成生物学的传感器、带有探测有效载荷的自主无人机)。 国家过敏和传染病生物防御研究所[历来是进步的主要驱动力,但为公众关注的节奏和流动提供资金。

”“全球健康安全议程”和世界卫生组织的“联合外部评估”进程评估了各国的检测能力,并帮助确定改进的优先次序。 《生物武器公约》也为合作减少威胁提供了一个框架,但其核查机制依然薄弱。 强化全球健康安全需要持续的外交和对全世界实验室系统的投资。

行动呼吁:教育和公众意识的作用

专家开发和实地检测系统,教育者和公众在培养防范文化中发挥着至关重要的作用。 微生物学、化学、公共卫生和应急管理课程应包括对检测失败和成功进行现实的案例研究。 学生应当理解生物传感器的基本原则、实地检测的局限性以及报告可疑疾病或化学品暴露的重要性。 公共宣传活动可以教导社区在发生化学品泄漏或生物威胁时如何行动,强化快速检测取决于了解如何识别和报告异常情况的人群。

此外,建设一支专门研究发现威胁的有才华的科学家和工程师的管道需要实践的培训方案、竞争性赠款和跨学科的英才中心。 人们越了解发现挑战的复杂性,就越有可能支持克服挑战所需的投资。

结论

发现生物和化学威胁并不是一个单一的问题,而是一系列相互关联的挑战和mdash;生物延缓性、化学多样性、环境干预、基础设施缺口和政策分散。 但利害攸关的却从未如此。 气候变化、地缘政治不稳定以及两用技术日益普及,都增加了自然爆发或有意释放的风险,直到为时已晚。

在许多方面正在取得进展:便携式分子诊断、AI ⁇ enned数据分析、网络传感器系统以及预聚和捕捉的新材料。 但没有任何一项突破能够解决所有问题。 具有弹性的检测生态系统需要持续投资于基础研究、应用工程、劳动力发展、国际合作和公众参与。 通过理解本文概述的障碍,利益攸关方可以优先制定最有影响力的战略,并努力建设一个能够迅速发现威胁以保护生命和生计的未来。