清华大学刘鹏等团队合作最新Nature子刊

高度敏感的空气传播病毒监测对于预防和控制流行病至关重要。然而，由于缺乏超灵敏的方法和易于部署的设备，超低浓度空气传播病毒的检测仍然具有挑战性。

2024年10月10日，清华大学刘鹏，北京大学王贵强，温州医科大学Xiang Guangxin共同通讯在Nature Communications在线发表题为“Multi-scenario surveillance of respiratory viruses in aerosols with sub-single-copy spatial resolution”的研究论文，该研究提出了一个集成的微流体盒，可以准确检测SARS-COV-2，流感A, B和呼吸道合胞体病毒，灵敏度为10拷贝/mL。

当与高流量气溶胶采样器集成时，微装置可以实现0.83拷贝/m3的亚单拷贝空间分辨率，空气流速为400 L/min，采样时间为30分钟。然后，研究设计了一系列气溶胶中病毒监测系统(RIAMs)，包括针对不同应用场景的多站点采样RIAMs (M-RIAMs)、固定实时RIAMs (S-RIAMs)和漫游实时RIAMs (R-RIAMs)。利用M-RIAMs对来自COVID-19患者病房的210个环境样本进行了综合评估，其中包括30个气溶胶样本。气溶胶样品的最高阳性检出率（60%）证明基于气溶胶的SARS-CoV-2监测是一种有效的空间风险评估方法。S-RIAMs在实际环境中对78个气溶胶样本的检测证实了其超灵敏和连续空气传播病毒监测的可靠性。因此，RIAM显示出作为降低空气传播病毒风险的有效解决方案的潜力。

2019冠状病毒病（COVID-19）引发的前所未有的危机，给全球公共卫生蒙上了巨大的阴影。令人信服的流行病学数据强调，SARS-CoV-2的空气传播对COVID-19大流行起了重要作用。感染者呼气、说话、唱歌等活动都会产生携带病毒的飞沫，这些飞沫会迅速凝聚成直径小于5 μm3的气溶胶颗粒。这些微小的SARS-CoV-2颗粒可以传播到10米外，平均半衰期为1-3小时（其他常见的呼吸道病毒，半衰期相似或可能更长），大大增加了附近人群感染的风险。在过去的几年里，已经证明SARS-CoV-2可以通过气溶胶在医院、社区环境、公共交通、学校、酒吧和体育馆等不同地点传播，甚至引起所谓的“超级传播事件”。因此，在高度拥挤的地方部署用于监测传染性生物气溶胶的快速和敏感的监测设备已逐渐被视为在不中断正常社会活动的情况下控制疾病传播的有效和非侵入性手段。

目前，空气中病毒的监测通常采用两步分析方案：首先使用生物气溶胶采样器现场收集气溶胶中的病毒，然后将收集到的样本运送到集中实验室，使用传统的逆转录-定量聚合酶链反应（RT-qPCR）进行分析。虽然使用该方案已经广泛研究了空气传播病原体的特征，但它仍然没有体现气溶胶监测最佳方法的精髓。一个理想的空气传播病毒监测系统应该同时具备两个关键属性：超高灵敏度和短周转时间，最好能够实现对气溶胶的超灵敏度和连续实时监测，以便以高时空分辨率进行早期风险评估和及时干预。对不同医院地点SARS-CoV-2浓度的开创性临床调查显示，医院外气溶胶浓度最低可降至3拷贝/立方米。目前的RT-qPCR检测限为~200-500拷贝/mL，由于这些气溶胶病毒在空气中可以认为是被无限稀释的，因此不能有效满足气溶胶中呼吸道病毒精确检测的需要。如果没有更灵敏的技术，目前对个人和环境的风险评估只能基于理论预测。理想系统的第二个考虑因素围绕着实现及时的循证反应，以破坏空气传播的病原体传播链。然而，许多高度依赖集中实验室的气溶胶检测方法具有固有的局限性，包括无法进行现场和大量的人工操作。尽管已有连续气溶胶检测设备的报道，但这些系统仍然面临着同时协调超高灵敏度和特异性的挑战。

S-RIAMs和R-RIAMs的结构和工作原理（图源自Nature Communications）

此前，研究开发了一种SARS-CoV-2气溶胶监测系统（SIAMs），它可以提供20拷贝/mL的令人印象深刻的灵敏度。然而，在随后的各种场景部署中，研究发现由于等温扩增生化，SIAMs在定量和多靶点检测能力方面仍然存在不足，并且由于无法将试剂有效地储存在双面带阀微流控盒上，因此无法实现连续和自动化监测。此外，气溶胶收集和分析仍然是在两个分开的设备上进行的，人工转移样品是不可避免的。为了克服这些限制，研究提出了一种将原位PCR化学集成到一个全新设计的、全封闭的微流控试剂盒中，用于超灵敏核酸检测，实现了10拷贝/mL（0.01拷贝/μL）的显著灵敏度，比商业检测试剂盒提高了一个数量级以上。

当与高容量400升/分钟（lpm）气溶胶采样器集成时，呼吸道气溶胶中病毒监测系统（RIAMs）可实现无与伦比的0.83拷贝/立方米的空间分辨率，并可同时检测SARS-CoV-2和其他三种常见呼吸道病毒。为了满足不同的场景，研究开发了三种不同版本的气溶胶监测系统，包括多站点采样RIAMs (M-RIAMs)，固定式实时RIAMs （S-RIAMs）和漫游实时RIAMs （R-RIAMs）。使用不同环境下的临床环境样本对这些系统进行了全面评估。这些结果突出了载病毒气溶胶检测作为一种面向环境的方法比传统方法的优越性。同时，为了验证系统在现实世界中的可行性，成功地在几个典型的地点部署了S-RIAMs来分析气溶胶样品。结果表明，该方法具有良好的临床适用性，是气溶胶监测的首选方法。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53059-x