Автономные системы обнаружения (ADS) , также называемые системами обнаружения биологических опасностей или автономными системами обнаружения патогенов , предназначены для мониторинга воздуха или воды в окружающей среде и обнаружения присутствия переносимых по воздуху или воде химикатов , токсинов , патогенов или других биологических агентов , способных вызвать болезнь или смерть человека. Эти системы непрерывно контролируют воздух или воду и в режиме реального времени отправляют оповещения соответствующим властям в случае акта биотерроризма или биологической войны .
В США после атак сибирской язвы в 2001 году для Почтовой службы США была разработана система ADS (BDS) . Первые системы обнаружения в почтовых службах США были установлены в 2006 году. Чтобы противостоять подобным проблемам в будущем, федеральное правительство США создало программу под названием BioWatch , которая действует более чем в 21 городе США.
В Канаде биотехнологическая компания Kraken Sense разработала автономную систему обнаружения патогенов для Управления аэропортов Большого Торонто (GTAA) во время пандемии COVID-19 .
Программа BioWatch финансируется и контролируется Министерством внутренней безопасности (DHS). Программа BioWatch состоит из трех основных компонентов: отбор проб, анализ и реагирование. Каждым из этих компонентов занимаются три разных агентства. Агентство по охране окружающей среды (EPA) занимается компонентом отбора проб: датчиками, которые собирают частицы в воздухе. Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) координируют анализ и лабораторные испытания образцов. Местные власти несут ответственность за реакцию общественного здравоохранения на положительные результаты. Федеральное бюро расследований (ФБР) назначается ведущим агентством по реагированию правоохранительных органов в случае обнаружения акта биотерроризма. (Ши и Листер, 2003 г.)
Используя автономное устройство для количественной ПЦР KRAKEN , компания Kraken Sense отслеживала сточные воды аэропорта на наличие вариантов SARS-CoV-2 , таких как Omicron и Monkeypox , чтобы действовать в качестве системы раннего предупреждения об инфекционных заболеваниях, проникающих в страну. Эта программа частично финансировалась Программой помощи промышленным исследованиям Национального исследовательского совета Канады (NRC IRAP). [1]
APDS контролирует воздух и воду на наличие трех типов биологических угроз: бактерий, вирусов и токсинов. Автономная система обнаружения способна (1) быстро обрабатывать и точно анализировать пробы аэрозоля или воды с высоким уровнем достоверности; (2) автоматизация и интеграция основных функций системы в детектор, включая сбор проб, подготовку, анализ и отчетность о результатах анализа; (3) эксплуатация в предполагаемых внутренних и внешних условиях; и (4) распространение и архивирование результатов анализа и операционных данных системы через сеть C3, известную как Служба поддержки операций BioWatch Gen-3.
APDS работает непрерывно; система может обнаруживать низкие концентрации биоагентов , которые могут остаться незамеченными системой, которая срабатывает только тогда, когда общее количество частиц в воздухе велико. APDS собирает образцы, готовит их к анализу и тестирует на наличие нескольких биологических агентов. Эта автоматизация снижает затраты и количество персонала, необходимого для ручного анализа проб.
Когда APDS собирает образцы воздуха или воды, он сначала пропускает их через детектор иммуноанализа . Если этот детектор дает положительный результат, APDS выполняет второй анализ, основанный на амплификации и обнаружении нуклеиновых кислот . Наличие двух разных систем анализа повышает надежность системы и сводит к минимуму возможность ложноположительных результатов.
Детектор иммуноанализа включает в себя жидкостные матрицы — мультиплексный анализ, в котором используются полистироловые шарики малого диаметра (микрошарики), покрытые тысячами антител . Каждая микрогрануля окрашена уникальной комбинацией красителей, излучающих красный и оранжевый цвета. Количество агентов, которые можно обнаружить в образце, ограничено только количеством наборов цветных шариков. Когда образец подвергается воздействию гранул, биоагент , если он присутствует, связывается с гранулами с помощью соответствующего антитела. Затем к образцу добавляют второе флуоресцентно-меченое антитело, в результате чего получается высокофлуоресцентная мишень для проточного анализа. Подготовка образца и проведение первого анализа занимает менее 30 минут.
Анализы нуклеиновых кислот требуют амплификации одной или нескольких целевых последовательностей нуклеиновой кислоты. Короткие нити одноцепочечной ДНК синтезируются в известных последовательностях и прикрепляются к пятнам в массиве заранее определенным способом [2]. Обнаружение этих пятен, содержащих гибридизованную целевую ДНК, позволяет определить последовательность ДНК в неизвестной мишени. РНК легко гибридизуется с образованием двухцепочечных структур, комплементарных ее последовательности (AT, CG, GC, UA). Таким образом, массивы одноцепочечной ДНК можно использовать для обнаружения РНК посредством гибридизации.
ТАБЛИЦА 1.1 Приоритетный список агентов биологической угрозы Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC) a
Research Internationals продает автономные и портативные системы для использования в почтовых отделениях под названием ASAP II. ASAP II обеспечивает обнаружение в режиме реального времени биологических агентов, химических агентов и токсичных промышленных химикатов, взрывчатых веществ в форме частиц и паров, а также ядерных материалов. Систему можно настроить в соответствии с потребностями почтового отделения.
ASAP II — это автоматизированная система химического, биологического и ядерного обнаружения и идентификации. Система способна обнаруживать и идентифицировать от четырех (модуль RAPTOR) до восьми (модуль BioHawk) биоагентов в режиме реального времени. Периодически или по требованию в модули отправляется концентрированная проба, и в течение пятнадцати минут эти системы идентифицируют наличие каких-либо биоагентов и уведомляют оператора в случае обнаружения опасного агента.
Системы должны находиться в помещении с отрицательным давлением на вытяжном столе, опускающемся вниз. Модуль отбора проб воздуха внутри системы забирает воздух в нижний вытяжной стол для анализа. Отбор проб осуществляется непрерывно до тех пор, пока партия почты не будет завершена, что может занять несколько минут, часов или дней. Системы способны обрабатывать тысячи почтовых отправлений в час. [3]
Систему можно адаптировать для ситуаций, когда требуется мониторинг экологических или клинических патогенов. Например, APDS может проверять наличие плесени или спор грибков в зданиях или распространение инфекционных материалов по воздуху в больницах. Он также может выявить вспышки заболеваний в центрах транспортировки скота или на откормочных площадках. В воде APDS может обнаруживать патогены в сточных водах, сельскохозяйственных ирригационных линиях, пищевых комбинатах, рыбных фермах и пляжах.
Research International производит и продает систему обнаружения частиц TacBio. Система непрерывно отбирает пробы воздуха и контролирует уровень аэрозольных частиц или биочастиц.
Он не определяет тип обнаруженных биочастиц, но уведомляет сотрудника почтового отделения, если присутствуют избыточные частицы или биочастицы. Это система раннего предупреждения , которая дает начальнику почтового отделения достаточно времени, чтобы заметить потенциальную угрозу и проверить наличие биологических агентов или угроз, передающихся по воздуху, прежде чем почта будет доставлена получателю.
Система химического обнаружения ChemPRO 100 — это портативный химический детектор для обнаружения и классификации боевых отравляющих веществ в полевых условиях. Если приходит почта с неопознанным веществом, этот ручной детектор можно использовать для немедленной идентификации этого химического вещества.
Усиленный мобильный метод обнаружения взрывчатых частиц для широкого спектра взрывчатых веществ и наркотиков за считанные секунды. Система будет идентифицировать взрывчатые вещества в упаковках или конвертах, которые зачастую невозможно обнаружить с помощью рентгеновских аппаратов. Этот портативный детектор расширяет диапазон целевых взрывчатых веществ, которые вы можете идентифицировать в одном образце, для более быстрого и комплексного анализа. Как отмечается, эта система также обнаруживает широкий спектр наркотиков. Система проверяет на наличие взрывчатых веществ и наркотиков одновременно в одном образце для более быстрого и комплексного анализа. [3]
Kraken Sense производит автономную систему обнаружения патогенов KRAKEN. Устройство непрерывно отбирает пробы воды из любого источника в режиме реального времени, предоставляя результаты всего за 60 минут и предупреждая о потенциальном загрязнении. Если загрязнение обнаружено, например, в сельскохозяйственных источниках воды или на предприятиях по производству пищевых продуктов, операторы могут удалить зараженную партию до того, как продукт поступит на рынок, предотвращая заболевания пищевого происхождения . Кроме того, использование KRAKEN в сточных водах может действовать как система биологического надзора, которая дает органам общественного здравоохранения больше времени для подготовки к возможной вспышке инфекционного заболевания. [4]