美国生物监测预警科研部署情况分析及启示

田德桥，叶玲玲，李晓倩，程瑾，郑涛

1.军事医学科学院 生物工程研究所，北京 100071；2.解放军医学图书馆，北京 100039

感染性病原体及毒素构成的生物威胁可以是自然发生的，如新发、突发传染病，也可以是人为制造的，如生物恐怖、生物武器等。无论哪种情况，生物威胁的早期监测与准确检测都至关重要。早期监测与检测可以为尽早采取有针对性的防控措施赢得时间，可以大幅度降低人群感染与死亡。根据美国国土安全部的分析，对于炭疽生物袭击，环境生物传感器如果能够及时发现袭击可以降低伤亡98%，症状监测如果可以及时发现袭击可以降低伤亡71%，而临床诊断发现生物袭击仅仅可以降低伤亡12%[1]。在2001 年美国炭疽邮件恐怖袭击事件，2003 年SARS 暴发流行，以及近几年发生的H5N1 禽流感、H7N9 禽流感、西非埃博拉疫情应对中，都凸显出生物监测预警及检测鉴定的重要性。

生物监测预警是监测与预警技术的结合。监测是通过有计划地收集、分析相关资料，提供有决策价值的信息来帮助采取应对措施；预警是采用专门的预警分析技术对监测的信息进行分析，以及早识别生物威胁。监测预警可以分为基于病例监测的预警、基于事件监测的预警、基于实验室监测的预警和症状监测预警等4 种类型[2]。监测预警对生物威胁起到警示作用，而检测鉴定可以最终确定生物威胁的种类。常规检测鉴定包括血清学及免疫学检测技术，如免疫荧光技术、酶联免疫吸附试验（ELISA）、免疫胶体金技术，同时也包括一些分子生物学技术，如聚合酶链反应（PCR）、核酸序列分析技术、生物芯片技术等[3]。

生物监测与检测技术包括非特异性和特异性两大类[4]。非特异性监测与检测技术所需时间短，但不能提供详细信息，主要技术包括激光、红外紫外生物探测技术等。特异性监测与检测技术包括以下几类：一是序列基础的检测，通过检测病原微生物DNA或RNA中的遗传信息来检测病原微生物；二是结构基础的检测，通过分子识别技术来探测病原体或毒素一些特征性的表面生物分子，如免疫测定方法；三是化学基础的检测，检测一些分子特性，包括蛋白质、亚基、脂质、碳水化合物等，如质谱技术等；四是功能基础的检测，通过生物体、整个细胞或细胞的一部分来检测生物活性，如酶活性等。以上技术各有优缺点：光谱生物气溶胶监测可以探测所有生物剂，包括已知的或未知的、自然发生的或基因改造的，但不能确定是何种生物剂；核酸基础的检测可以检测并且能鉴定已知的细菌或病毒，但不能检测毒素，因为其不含有核酸成分；结构基础的检测可以检测已知的生物剂，只要其存在免疫学可识别的成分；化学基础的检测技术具有发展快速、廉价传感器的潜力，但这种方式具有较高的假阳性率；功能基础的检测技术是惟一可以检测到未知生物剂的技术，如基因改造生物剂等。

美国高度重视生物监测预警能力，2004年发布了《21 世纪生物防御（Biodefense for 21st Century）》，提出了美国生物防御的重点目标，包括威胁探知、预防和保护、监测和检测、应对和恢复，其将监测和检测单独列为一个重点目标。美国军队生物防御能力构成基于4 个方面，即感知（Sense）、防护（Shield）、恢复（Sustain）和集成（Shape）[5]，其中感知主要是监测与检测。2012年发布了《美国生物监测战略（National Strategy for Biosurveillance）》，进一步强调了生物监测的重要性。该战略确定的4个核心功能包括环境监测、确定和整合重要的信息、预警和告知决策者、潜在影响的预测和建议。同时，美国根据生物监测战略，部署了一系列科研项目来实现其目标。在本研究中，我们对美国生物监测预警与检测鉴定相关科研部署情况进行了分析，以对我国相关科研部署起到一定的参考作用。

1 方法

美国疾病预防控制中心BioSense相关科研项目检索来源于http://www.usaspending.gov，检索关键词为“BioSense”。美国国立卫生研究院（NIH）相关科研项目检索来源于http://projectreporter.nih.gov，检索关键词为“surveillance OR warning OR monitor OR detect OR detecion”，检索范围为“项目名称”，机构选择“NIAID”。美国生物医学高级研究与发展局（BARDA）所支持项目检索来源于http://www.medicalcountermeasures.gov。美国国防部化学生物防御项目科研部署来源于国防部化学生物防御项目年度预 算（http://www.globalsecurity.org/military/library/budget/index.html）。

2 结果

2.1 卫生与公众服务部

美国卫生与公众服务部（HHS）是生物防御，尤其是医学生物防御的主要机构。美国疾病预防控制中心（CDC）、国立卫生研究院、食品与药品监督管理局（FDA）均隶属于卫生与公众服务部。在生物监测预警方面，卫生与公众服务部的主要作用包括病例监测、症状监测，以及发展实验室检测鉴定技术等。

2.1.1 BioSense计划 美国CDC建有一些传染病监测信息系统，包括122 城市死亡率报告系统（122 Cities Mortality Reporting System）、虫媒疾病监测系统（Arboviral Surveillance System，ArboNet）、新发感染性疾病项目（Emerging Infections Program，EIP）、食源性疾病紧急监测网络（Foodborne Disease Active Surveillance Network，FoodNet）、实验室检测网络（Laboratory Response Network，LRN）、国家食源性疾病分子分型（National Molecular Subtyping Network for Foodborne Disease Surveillance，PulseNet）等[6]，这些传染病监测信息系统对于传染病的早期监测预警发挥着重要的作用。

2002年美国发布了《公共卫生安全与生物恐怖准备和应对法（Public Health Security and Bioterrorism Preparedness and Response Act of 2002）》，该法案要求卫生与公众服务部与其他联邦机构合作应对生物恐怖的威胁。为了提高国家快速监测公共卫生紧急事件，特别是生物恐怖事件的能力，2002年，美国CDC 开始实施生物传感计划（Project Bio-Sense）[7-8]。生物传感计划获得和分析医院就诊数据，并实时传输到地方、州和联邦公共卫生机构。生物传感计划主要有3方面的数据来源：国防部、退伍军人事务部和美国实验室协会。2004 年6 月，美国CDC发展了一个生物信息中心来支持州和地方的早期监测。生物传感计划的症状监测范围包括11 种症状组，即肉毒毒素中毒症状、出血性疾病、淋巴腺炎、局部皮肤损伤、胃肠道症状、呼吸系统症状、神经系统症状、皮疹、发烧、感染造成的严重疾病等。

BioSense 的经费预算每年保持在几千万美元（表1），2010 年后，BioSense 的管理并入CDC 的准备和应对能力（Preparedness and Response Capability，PRC），PRC 包括BioSense 2.0、实验室应对网络（LRN）以及选择性病原体计划（Select Agent Program）等。

最初的BioSense 信息系统存在一些缺陷，其不能很好地满足州和地方的需求。这使得CDC 更新了原有系统，发展BioSense 2.0 系统[10]。BioSense 2.0 在2011 年12 月开始实施，其症状监测不仅针对生物恐怖，而且可以针对各种威胁。

自BioSense 实施始，CDC 就支持一些机构进行相关研究工作，包括数据与信息处理技术、症状分类、对系统有效性进行评估等（表2）。

2.1.2 NIH研发部署 美国NIH过敏与感染性疾病研究所（NIAID）与生物监测预警相关的科研项目主要针对实验室检测技术，所支持项目包括杜克大学的实时定量PCR 技术研究、Indevr 公司的芯片技术研究、加州大学戴维斯分校的定量多蛋白免疫分析等（表3）。

2.1.3 BARDA 研发部署 2006 年12 月，美国卫生与公众服务部成立了生物医学高级研究与发展局（BARDA）。BARDA 支持研发药物、疫苗以及其他与国家健康安全相关的产品，同时负责生物盾牌计划的管理。BARDA 生物监测与检测相关的科研部署包括2010 年9 月批准的Northrop Grumman 公司的PCR技术相关研究（960万美元）、2013年8月批准的MRI Global 公司的PCR 芯片相关研究（1196.47万美元）、2014 年9 月批准的NanoMR 公司的临床样品自动浓缩技术（2150万美元）（表4）。

2.2 国土安全部

美国国土安全部（DHS）于2002 年12 月成立。2003年，DHS 实施了国家应对生物恐怖袭击的早期监测计划——生物监测计划（Project BioWatch）。该计划每年投入经费几千万美元，有些年度达到上亿美元（表1）。生物监测计划的目的是监测空气中病原体的释放，提供政府和公共卫生机构潜在生物恐怖事件的早期预警。监测设备安装在环境保护总局的空气监测点，过滤空气，通过PCR方法分析潜在生物袭击。该计划包括3 个主要组成部分，每一部分由不同的联邦机构完成，其中环境保护局负责取样，疾病预防控制中心负责实验室样品检测，联邦调查总局负责恐怖袭击的应对[11]。

为了进一步提高监测预警能力，2009 年10 月DHS通过了发展第三代生物监测技术（BioWatch）的计划。该计划总经费58亿美元，主要目标是提高现有技术手段，以达到自动收集和分析空气样本的能力。与当前的系统相比，其可以缩短潜在暴露到确定袭击之间的时间，同时降低人工收集与分析样品的费用。第一代生物监测系统主要监测室外环境；第二代生物监测系统可以提供室内监测，提供大型体育活动、会议的保障。当前，36 h 的监测时间包括24 h 的样品收集时间、4 h 样品处理时间和8 h实验室检测时间。第三代生物监测系统可以自动收集空气样品，每4～6 h自动产生PCR结果，并且将结果自动传输到公共卫生部门，不需要人工操作[12]。

表1 BioSense计划和BioWatch计划年度经费投入（百万美元）[9]

表2 美国CDC支持的BioSense科研项目

表3 NIAID生物监测预警相关项目

表4 BARDA生物监测预警相关项目

BioWatch 最初的技术来源于生物气溶胶哨兵和信息系统（Biological Aerosol Sentry and Information System，BASIS）。BASIS 基于PCR 技术，由美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室联合研制[13]，其相关产品在“9.11”事件后被部署在一些地点，并被用于2002年的盐湖城冬奥会。

国土安全部确定了BioWatch 3 的2 个候选产品，一个是Next Generation Automated Detection System（NG-ADS），另外一个是Microfluidics-based Bioagent Networked Detector（M-BAND）[12]。NGADS 由Northrop Grumman 公司研制，该公司研发的另外一种生物监测系统Biohazard Detection System（BDS）被美国邮政署所使用。NG-ADS 来源于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Autonomous Pathogen Detection System（APDS），APDS 的前身是BASIS。2012月11月，NG-ADS成功地进行了现场测试。MBAND 是PositiveID 公司研制的一种自动探测装置，包括实时定量PCR技术和基于单克隆抗体的毒素免疫分析技术。

对BioWatch 的实施效果及第三代生物监测计划在美国国内存在很多争议。2012年7月，《洛杉矶时报》发表了一篇对于BioWatch 的评论文章[14]。文章指出，该监测系统至少在洛杉矶、底特律、圣路易斯、菲尼克斯、圣迭戈、旧金山等城市报告了56次错误的阳性监测结果，其中主要是土拉菌的错误预警。同时，该文章认为，目前的监测系统不能监测到真正的袭击，除非是在病原体的空气浓度非常高的情况下。针对国会对生物监测计划技术能力和发展下一代新的监测技术的疑问，国土安全部请美国科学院对生物监测计划进行评测。2011 年美国科学院的研究报告指出，对于第三代生物监测系统，监测能力的提高需要有效克服科学和技术上的一些障碍，应当更好地评测和认识第二代生物监测装置的效果[13]。

美国政府在2014年4月宣布取消发展新的第三代生物监测系统的计划，主要原因是其庞大的支出，另外一个原因是国会对该项目有效性的怀疑[15]。取消第三代生物监测计划后，国土安全部仍然保留现有的第二代生物监测设施，并仍然发展缩短时间和降低运行费用的生物探测技术。例如，巴特尔研究所研发的资源有效型生物监测系统（Resource Effective Bioidentification System，REBS）[16]。REBS 是一个通过电池就可运行的系统，相对较小，重量轻，容易运输和安装，运行费用很低，不需要液体试剂。REBS使用拉曼光谱技术提供快速和自动监测，并且其分析是一种非破坏性的分析，收集到的样品可以进一步确证分析。

2.3 国防部

美国国防部（DOD）在生物监测预警能力建设中发挥着重要的作用，相关研究机构包括美国陆军传染病医学研究所（USAMRIID）、埃基伍德化生中心（ECBC）、美国海军医学研究中心（NMRC）等。

美国国防部化学和生物防御项目（Chemical and Biological Defense Program，CBDP）于1994年建立，主要目的是将国防部化学与生物防御集中于统一管理之下，加强统筹协调，提高研发效率。CBDP计划中感知（sense）占有较大比重，如其2007财年总预算为15.04 亿美元，其中感知占23.7%，集成（shape）占4.9%，防护（shield）占45.9%，恢复（sustain）占4.4%[17]。在其预算中，与生物监测预警与检测鉴定相关的项目经费，2013年为1.5亿美元，2014年为1.41亿美元，2015年为1.52亿美元。

美国国防部生物侦检装备研发是其生物监测与检测能力建设的重要方面，其与地方一些机构合作开展了不同用途的侦检装备研发。美国国防部联合生物点源探测系统（Joint Biological Point Detection System，JBPDS）采用激光诱导荧光技术探测生物剂。该技术最初来源于Biological Agent Warning Sensor（BAWS），由麻省理工学院的林肯实验室在1996开始研发，1999年应用于JBPDS。联合生物远程探测系统（Joint Biological Stand-Off Detection System，JBSDS）使用红外和紫外激光来探测（5 km）和鉴别（1 km）气溶胶云团。JBSDS第一批设备在2009 年8 月交付美军。联合生物战术探测系统（Joint Biological Tactical Detection System，JBTDS）为一种轻便的通过电池供电的系统，其检测采用下一代诊断系统（Next Generation Diagnostic System，NGDS）的一些技术进展。联合生物鉴定和诊断系统（Joint Biological Agent Identification and Diagnostic System，JBAIDS）由Idaho Technology 公司（即现在的BioFire Diagnostics 公司）研发，采用实时定量PCR技术[18]。2014年，BioFire公司与国防部签署2.4亿美元合同用于发展NGDS，合同期8 年。NGDS 将代替JBAIDS，其后续发展包括与一些生物监测系统的无线联接等[19]。

另外，国防高级研究计划局（DARPA）正在支持发展高能量的激光技术来探测化学和生物威胁。其只有现有JBSDS设备的1/300，而有效性是现有设备的10倍[20]。

除此以外，美国国防部此前还有一些生物侦检系统的研发，如空军基地港口探测系统（Airbase/Port Detector System，Portal Shield）。该系统提供空军基地及港口等地区的早期生物威胁预警，通过激光技术分析生物剂的释放[21]。Ruggedized Advanced Pathogen Identification Device（R.A.P.I.D.）由BioFire公司研制，基于PCR技术[22]。

Rapid Agent Aerosol Detector（RAAD）技术由麻省理工学院的林肯实验室研发，其将取代Biological Agent Warning Sensor（BAWS），用于JBPDS，可以降低费用和错误报警率[23]。其他包括驻韩美军的整合生物威胁识别设施（Portal and Integrated Threat Recognition，JUPITR），以加强朝鲜半岛的生物监测能力。JUPITR 结合一些新的技术发展，如NGDS、JBTDS等[24]。

3 启示与思考

3.1 技术创新促进产品更新换代

美国高度重视监测预警和检测鉴定技术创新，技术创新促进产品的更新换代。从美国疾病预防控制中心的BioSense、国土安全部的BioWatch 以及国防部的侦检装备的不断更新，都可以看出技术创新的重要性。BioSense 的技术创新可以使其更好地满足不同群体的需要；BioWatch 的技术创新使检测时间缩短，并且提高自动化能力；国防部的侦检系统不断改进和更新，以降低运行费用和提高准确性。

美国生物监测技术创新具有广泛的来源。美国国土安全部的BioWatch，最初的技术来源于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，国防部的联合点源检测系统来源于麻省理工学院林肯实验室。美国国防高级研究计划局也是生物监测技术一个重要的创新来源，例如其发展的新的远程探测技术等。美国HHS、DHS、DOD 部署的生物监测预警相关科研项目的承担机构包括一些科研机构，同时也包括大量企业。美国的企业在生物监测预警技术创新中，无论是在国土安全部的生物监测计划还是国防部的侦检装备研发中都发挥着重要的作用。

3.2 多样化需求牵引不同技术发展

美国的科研项目通过不同部门进行管理，如医学相关的科研项目通过NIH，其他一些部门，如国土安全部、能源部、农业部及国防部等都有各自的科研经费。不同部门对科研项目的管理更能密切结合自身的需求。美国疾病预防控制中心对BioSense计划的更新，可以根据自身的需求来分配研究任务；国土安全部的BioWatch 计划可以根据自身生物监测的技术要求确定支持的研发机构；美军生物侦检装备研发也是根据战场环境的需要部署研究计划。

多样化需求决定了不同技术手段的发展。如HHS 根据实验室检测的需要，科研项目部署的重点是基于核酸、免疫学等的实验室检测技术，CDC主要是数据分析与处理方面的研发部署。国土安全部基于环境病原体的监测需求，重点针对自动化和缩短检测时间的产品研发。国防部生物侦检装备研发考虑到远程威胁的监测，包括发展激光探测技术等。

3.3 监督评估保证经费的有效使用

总体上，美国一些科研部署的公开程度还是比较高的，如美国CDC 的BioSense 项目、BARDA 所支持的项目、NIH所支持的项目，都能够通过互联网获得较为详细的信息。项目的公开透明可以避免一些重复研究，同时可以接受外界监督。即使是军队的一些科研项目，如CBDP项目也公开公布年度预算，每年向国会提交进展报告等。

美国生物监测预警科研项目投入，既包括一些小项目，也包括一些上亿美元的大项目。美国对于这些项目都有完善的监督机制，特别是对于一些大的研究计划，如国土安全部的BioWatch 项目、卫生与公众服务部的BioSense 项目等，美国审计署有大量的调查评估，美国科学院也有相关的研究报告。有效的监督与评估可以保证经费的有效使用。

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[20]DARPA Advances Laser Technology for Chem-Bio Detection[EB/OL].http://globalbiodefense.com/2014/03/05/darpa-advances-laser-technology-for-chem-bio-detection.

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[22]R.A.P.I.D.LT BioThreat Detection System[EB/OL].http://www.biofiredx.com/pdfs/RAPIDLT/RAPIDLT-BioDetection-InfoSheet-0056.pdf.

[23]Rapid Agent Aerosol Detector(RAAD) Design Transition and Production[EB/OL].http://www.dgmarket.com/tenders/np-notice.do?noticeId=5570580.

[24]JUPITR Biosurveillance Program Takes Shape on Korean Peninsula[EB/OL].http://globalbiodefense.com/2014/03/12/jupitr-biosurveillance-program-takes-shape-on-the-korean-peninsula.