特约分享|Chem. Soc. Rev.|2023| 现场空气传播病原体检测以降低感染风险

        本期特约分享上海交通大学邱广宇副教授在Chemical Society Reviews发表了题为On-site airborne pathogen detection for infection risk mitigation（基于生物传感技术的现场空气病原体检测和传染病风险评估）的综述。论文通讯作者为上海交通大学邱广宇副教授、苏黎世联邦理工学院Jing Wang教授和Andrew deMello教授。

        导致 COVID-19 大流行的严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 2（SARS-CoV-2）在过去几年中以前所未有的方式影响了全世界。尽管COVID-19新冠疫情的阴霾正在消散，但在处理含有病原体的气溶胶方面，全球该领域的科学家都吸取了一个相同的经验，“通过空气传播的人类感染病原体对公共健康可以构成重大威胁”，甚至一直以来空气病原体传播的风险可能被严重低估。从生物分析化学的角度来看，现场空气传播病原体检测可以成为一种有效的非药物干预（NPI）策略，通过现场空气传播病原体检测和早期感染风险评估，可以减少疾病传播并做出挽救生命的决定。有鉴于此，本篇发表于Chemical Society Reviews的综述论文总结了高效病原体气溶胶采样方法、生物分析传感技术的最新进展，以及空气传播病原体暴露测量和循证传播干预的发展前景。同时，邱广宇、Jing Wang教授等作者还在文中讨论了一般生物气溶胶检测所面临的挑战，如处理复杂气溶胶样本、提高空气传播病原体定量的灵敏度，以及建立具有高时空分辨率的风险评估系统以降低空气传播风险。本综述从多学科角度展望了改进现场空气传播病原体检测的未来机遇。

图1:病原体生物气溶胶

1.  分析与整理了可在空气中传播的典型病原体（包括病毒、细菌和真菌），以及其主要特征、感染剂量（ID50）、和气溶胶传播特性（图1）；

2.  比较了通过直接方法（病原体暴露点检测）和间接方法（流行病的数学模型预测）进行风险评估的优势，并提出生物传感器在传染病预警中的潜在作用；

3.  归纳整理了传统方法和新兴方法在病原体生物气溶胶收集过程中的理论和技术方法；

4.  分析总结了基于生物传感的病原体气溶胶检测方法，并通过拟议"SARSVAC"标准 （图2），评估生物传感系统的检测灵敏度、准确型、时效性、功能性、自动化和物联网连接性等关键指标，实现有效的现场空气传播病原体检测和实时传播风险评估领域应用；

5.  展望生物气溶胶收集系统、生物传感系统、病原体传播早期预警领域现有的技术挑战和关键科学问题，推动该领域的跨学科研究发展。

图2. 生物传感的SARSVAC标准

病原体气溶胶收集：

         尽管关于呼吸道病原体如何在宿主之间传播仍存在许多争议和未知数，但必须承认，此次新冠疫情揭示了在空气传播病原体方面存在的关键知识：生物气溶胶的存在可能比以前认识到的更为普遍，并且可能是呼吸道等感染疾病传播的主要途径之一。尽管普遍认为个体感染筛查可减轻病原体传播，但在学校、医院和公共交通等拥挤的室内环境中，由于存在大量无症状感染，空气传播病原体和感染无法完全消除。为此，许多研究和实践工作都集中在实现现场空气传播病原体检测和快速感染传播风险评估方面。

        对于现场病原体检测来说，有效收集生物气溶胶是一个关键的先决条件，即采样效率最高，且对生物功能或分子结构的损害最小。用于现场空气传播病原体检测的理想生物气溶胶采样系统应：(1) 快速高效地处理大量空气，实现实时或准实时检测；(2) 保持采样病原体颗粒的完整性，通过生化作用实现定量分析；(3) 易于集成，实现快速的后续化学处理和生物分析测试。因此，作者重点讨论了快速和可生物集成的病原体采样设备的开发，尤其是那些能满足上述要求的设备（图3）。

图3：生物气溶胶的采集与预处理

痕量病原体气溶胶传感

        病原体的高灵敏检测是实现传染病预警的关键。与个体感染筛查和疾病诊断的视角不同，作者在本综述中重点关注和分析可现场快速检测微量空气中病原体颗粒的新型生物传感系统。理想情况下，现场生物传感设备应满足前述的 "SARSVAC "标准：(1) 灵敏，检测限高，可定量检测空气中的痕量病原体；(2) 准确、特异，可提供可靠的病原体暴露信息，避免复杂气溶胶基质的背景干扰；(3) 鲁棒性，可在不同环境下现场操作；(4) 快速，可提供快速的定量生化分析结果；(5) 多用途，可在各种情况下检测多种或不同的病原体目标；(6) 自动化，只需最少的人工操作即可实现连续监测；(7) 可连接，可通过边缘计算、远程监测、电信和网络接入物联网（IoT）进行数据分析。本综述的另一部分内容专门探讨了新型"即插即用"生化扩增策略，这些策略有助于提高现场空气传播病原体检测的灵敏度、准确性、功能性和稳健性（图4）。

图4：病原体生物气溶胶传感方法

病原体气溶胶感染风险评估模型

        通过生物传感器得到空气传播病原体的高分辨率时空接触信息，有望实现针对个人和特定室内环境的风险评估。现场空气传播病原体生物传感系统原则上可以提供高空间分辨率的实时病原体暴露信息；结合流行病学的剂量-反应关系（dose-response nodel）和风险等级评估，可以建立时空精确的风险警报系统，以实施更有效的流行病干预措施。这一目标对现场病毒气溶胶生物传感技术提出了极高的要求。因此，作者就现场空气传播病原体检测面临的挑战分享了自己的见解，如处理复杂的气溶胶样本、提高检测痕量空气传播病原体的灵敏度，以及建立高时空风险评估系统以降低空气传播病原体的传播风险（图5）。作者希望本综述中的跨学科展望能为不同研究领域的研究人员提供启发，从而进一步完善现场空气传播病原体定量和风险评估的准备工作。

        近年来，研究人员在了解空气传播途径和开发生物传感技术方面取得了重大进展，尤其是在需求点（point-of-need）检测和生物安全监测领域。然而，在整合快速生物气溶胶采样器和空气传播病原体现场风险评估方面，仍有相当大的改进空间。如前所述，这篇综述文章仅提供了现场生物气溶胶评估漫长科学征程早期阶段的一个缩影，期待着现场病原体传感技术的进步及其在早期风险评估中更多的研究成果。希望这篇综述文章能为确定现有研究重点和有目的地推进现场生物传感技术提供一个路线图；更重要的是，综述整理的病原体气溶胶采样技术和生物传感技术还能为进行关键的生物气溶胶风险评估和公众卫生安全检测提供一种参考，例如在飞机或游轮的登机口监测高风险病原体、防御武器化病原体气溶胶、筛查医院或其他医疗机构流感变种以及在不同工作场所监测病态建筑综合征。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D3CS00417A

撰稿人：上海交通大学 邱广宇

责任编辑：四川大学分析仪器研究中心/机械工程学院测控系 罗泽伟