不挑毒株 靈敏度提升10倍氣溶膠新冠病毒監(jiān)測系統(tǒng)上崗冬奧會

劉蘇雅

2022年1月4日，習(xí)近平總書記在北京考察2022年冬奧會、冬殘奧會籌辦備賽工作時(shí)強(qiáng)調(diào)，當(dāng)今世界，科技在競技體育中的作用越來越突出。建設(shè)體育強(qiáng)國，必須實(shí)現(xiàn)高水平的體育科技自立自強(qiáng)。要綜合多學(xué)科、跨學(xué)科的力量，統(tǒng)籌推進(jìn)技術(shù)研發(fā)和技術(shù)轉(zhuǎn)化，為我國競技體育實(shí)現(xiàn)更大突破提供有力支撐。

2022年北京冬奧會和冬殘奧會，既是冬奧健兒展示風(fēng)采的頂級舞臺，也是先進(jìn)科技的全球展示平臺。在后冬奧時(shí)期，“科技冬奧”新技術(shù)、新成果和新應(yīng)用也將成為一筆豐厚遺產(chǎn)，為北京國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)提供重要助力。

即日起，北京日報(bào)推出“科技賦能 助力冬奧”專欄，聚焦“雙奧之城”科技新變化，全方位展現(xiàn)科學(xué)精神、科技成就與冬奧賽場的碰撞融合和產(chǎn)出的豐碩成果。

氣溶膠直徑小于100微米，可以被人直接吸入肺部，是新冠肺炎病毒傳播的重要途徑之一。2021年廣州發(fā)生的新冠肺炎疫情中，就出現(xiàn)了氣溶膠傳播現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)針對氣溶膠進(jìn)行新冠病毒檢測的有效手段尚未出現(xiàn)。

清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原生物學(xué)研究所、昌平實(shí)驗(yàn)室等科研人員開展緊急攻關(guān)，聯(lián)合研制出公共空間生物氣溶膠新型冠狀病毒監(jiān)測系統(tǒng)，并已在北京冬奧測試賽中成功應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ嬖谟诳諝庵械纳餁馊苣z進(jìn)行收集檢測，靈敏度可達(dá)常規(guī)方法的10倍。

實(shí)現(xiàn)全自動一體化檢測

為了解決氣溶膠檢測難題，2020年10月，在北京市委市政府的部署和北京市科委的直接領(lǐng)導(dǎo)下，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系研究員劉鵬聯(lián)合昌平實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)等多家單位，經(jīng)過8個(gè)月的努力，順利完成了科研攻關(guān)。

劉鵬介紹，用于公共空間的生物氣溶膠新型冠狀病毒監(jiān)測系統(tǒng)分為兩部分：便攜式生物氣溶膠采樣器作為前端收集裝置，將在需要檢測的場所內(nèi)工作，開展空氣樣本采樣；自動化全集成高靈敏病毒核酸檢測系統(tǒng)則設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室，分析采集到的樣本并生成檢測報(bào)告。

此前，氣溶膠采樣器已經(jīng)由北京大學(xué)教授要茂盛初步研發(fā)成功，隨后又經(jīng)過多次改進(jìn)升級，更加便攜易用。打開生物氣溶膠采樣器，中間是一個(gè)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的空腔，吸入的空氣會在其中形成“旋渦”。儀器啟動后以每分鐘超過400升的流量，將空氣氣旋引導(dǎo)至裝有試劑的檢測管中。

“純空氣會被溶液彈開，但空氣中包含著的氣溶膠、灰塵等物質(zhì)則會被收集。就像一顆沙粒進(jìn)入水中，會迅速沉到水底?！北本┐髮W(xué)環(huán)境學(xué)院博士生李心月介紹，該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)氣體和氣溶膠的分離，讓氣溶膠在采樣管中富集。同時(shí)，收集試劑對病毒能起到滅活作用，保證收集到的病毒樣本不再具備傳染性。

而在檢測端，劉鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大半年的攻關(guān)，一個(gè)磁帶大小的核酸捕獲及原位擴(kuò)增檢測芯片被研發(fā)出來。芯片采用全封閉設(shè)計(jì)，采集到樣本后，核酸捕獲及原位擴(kuò)增濾膜可從1毫升樣本中捕獲到80%以上的病毒核酸。隨后，實(shí)驗(yàn)人員只需將芯片整齊地插入分子診斷檢控一體機(jī)，儀器便可自動進(jìn)行核酸擴(kuò)增及分析，直接生成檢測結(jié)果，全程不需要人工參與。

靈敏度提升一個(gè)數(shù)量級

2021年4月，劉鵬和團(tuán)隊(duì)帶著氣溶膠新冠病毒監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)入地壇醫(yī)院，開展新冠病毒樣本實(shí)地采集，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。劉鵬團(tuán)隊(duì)采集了病人的鼻咽拭子、唾液、呼出的氣體和病房中的氣溶膠樣本，并將樣本一分為二，同步進(jìn)行氣溶膠檢測和常規(guī)檢測。結(jié)果顯示，兩種檢測方式的吻合度很高，且氣溶膠系統(tǒng)的檢出率是現(xiàn)有PCR體系的三倍。

劉鵬說，氣溶膠新冠病毒監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)每毫升20拷貝的靈敏度，而常規(guī)方法需要每毫升200至500拷貝才能檢出，“可以說，檢測靈敏度比現(xiàn)有技術(shù)提升了一個(gè)數(shù)量級”。同時(shí)，這套系統(tǒng)也不挑毒株，在進(jìn)行擴(kuò)增檢測時(shí)，劉鵬選擇的是新冠病毒不會發(fā)生變異的保守序列，即使是最新突變的奧密克戎毒株，同樣逃不過系統(tǒng)的檢測。

每臺采樣器在現(xiàn)場工作30分鐘，就可以采集到12立方米內(nèi)的氣溶膠顆粒，再經(jīng)過45分鐘的自動化一體檢測，即可得出檢測結(jié)論。從采樣開始到將最終結(jié)果反饋至防疫部門，全程不超過4小時(shí)。

落地冬奧場館

2021年10月起，這套系統(tǒng)已經(jīng)在5個(gè)冬奧場館及主媒體中心等場地進(jìn)行了系統(tǒng)測試驗(yàn)證，并在冬奧測試賽上實(shí)現(xiàn)了348例采樣。劉鵬說，如果在檢測中發(fā)現(xiàn)了弱陽性或陽性樣本，實(shí)驗(yàn)室將立即與防疫部門溝通，盡快啟動環(huán)境消殺及人員檢測、追蹤等一系列防疫流程。

按照計(jì)劃，項(xiàng)目組在冬奧會多個(gè)場館布置氣溶膠采樣器，并設(shè)置臨時(shí)檢測站，為冬奧會提供全面氣溶膠新冠病毒檢測保障。

“我們的技術(shù)應(yīng)用，相當(dāng)于賽事防疫體系中的一環(huán)，起到補(bǔ)充和預(yù)警的作用?！眲Ⅸi說，防疫體系包括了日常防控、采樣檢測、環(huán)境消殺等一系列監(jiān)測手段，空氣環(huán)境檢測屬于整體防疫體系的一部分。如果在檢測中出現(xiàn)異常，實(shí)驗(yàn)室將會及時(shí)與防疫部門溝通并采取一系列后續(xù)措施。

劉鵬表示，開展新冠病毒監(jiān)測必然是一個(gè)長期過程，他期待這套系統(tǒng)今后能在醫(yī)院、車站、機(jī)場等人流密集的場所落地，及時(shí)發(fā)現(xiàn)疫情線索。