《npj Biosensing》：Multimodal sensing technologies for HPAI biosurveillance in poultry production systems
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本綜述系統性地探討了多模態傳感技術在高致病性禽流感（HPAI）生物監測中的應用。文章首先概述了當前H5N1病毒對禽業、公共健康及經濟的巨大威脅，并指出傳統監測手段存在滯后性。核心內容比較了靶向生物傳感與分子診斷（如RT-qPCR、CRISPR-Cas12a、電化學傳感器）與非靶向異常檢測（如聲學監測、SERS光譜）兩類技術路線的優缺點。作者提出，將兩者整合到統一的“一體化健康”監測框架中，可實現更早、更可靠的早期預警，從而彌補現有生物安全措施的不足，為規模化家禽養殖系統提供動態、實時的監測解決方案。
高致病性禽流感（HPAI），尤其是當前流行的H5N1分支2.3.4.4b，對動物健康、食品安全和人畜共患病安全構成了持續演變的重大威脅。自2024年初以來，該分支內的新型基因變異已在美國禽類和乳制品生產系統中引發了廣泛的動物流行病及人畜共患傳播事件。截至2025年，美國已有超過70例確診的人類H5N1病例，凸顯了在畜牧-人類界面人畜共患溢出事件的風險。傳統的農場生物安全措施和依賴臨床癥狀或定期實驗室采樣的監測方法，在應對無癥狀感染、快速傳播以及樣品運輸和處理延遲等方面存在明顯瓶頸。為了實現對疫情的快速響應，發展互補、去中心化、實時的生物監測策略已迫在眉睫。
HPAI在動物與人類流感中的時空共現
監測數據顯示，美國HPAI疫情與人類季節性流感活動存在并發趨勢。美國農業部動植物衛生檢驗署（APHIS）的月度報告顯示，家禽和奶牛中的HPAI檢測高峰與季節性流感活動高峰并行出現。人類流感樣疾病（ILI）負擔，通過美國門診流感樣疾病監測網絡（ILINet）捕獲，同樣在2024-2025流感季呈現年齡分層的季節性高峰。這些平行的流行強調了人畜共患流感爆發與人類呼吸道疾病活動重疊的風險格局。空間上，截至2025年8月，確診的家禽疫情集中在加利福尼亞州、愛荷華州和俄亥俄州等主要生產州，而包括奶牛在內的牲畜疫情則最常在美國西部和中部各州報告。
AIV結構、致病性與宿主范圍
禽流感病毒（AIV）是正粘病毒科甲型流感病毒屬的成員，根據分子特征和對鳥類的疾病嚴重程度分為低致病性（LPAI）或高致病性（HPAI）。HPAI病毒（如H5N1）的血凝素（HA）蛋白具有多堿性裂解位點，使其能被普遍存在的細胞內蛋白酶裂解，從而促進系統性復制，導致感染禽類在暴露后48小時內死亡率接近100%。相比之下，LPAI毒株具有單堿性裂解位點，感染通常局限且輕微或無癥狀。甲型流感病毒主要感染人類、鳥類、豬、馬和海洋哺乳動物，但最近的溢出事件證實H5N1也能感染奶牛，標志著宿主范圍的擴大。病毒通過糞-口接觸、氣溶膠、飛沫和污染物傳播，其分段的基因組結構促進了高突變率和頻繁的基因重配，推動了快速進化、跨物種傳播以及大流行潛力。
生物安全與診斷挑戰
當前農場生物安全方法
商業家禽農場實施了一套完善的生物安全措施，旨在防止病原體進入并最大限度地減少農場間傳播。這些措施包括限制設施準入、車輛和設備消毒、使用個人防護裝備（PPE）、設置消毒腳盆的管控入口，以及全進全出雞群管理和生產周期之間的休整期等規程。然而，盡管嚴格遵守了生物安全標準，HPAI疫情仍屢有發生，表明這些措施雖能降低風險，卻無法完全消除風險。密集的飼養條件、漫長的供應鏈以及人類介導的污染物傳播削弱了其有效性。至關重要的是，生物安全依賴于肉眼可見的臨床癥狀，無法捕捉可能在雞群內部和之間悄然傳播的無癥狀或亞臨床感染。
當前實驗室方法
H5N1監測的實驗室診斷策略主要基于分子擴增、免疫測定技術和傳感器集成平臺。實時熒光定量PCR（qPCR）因其高靈敏度和亞型特異性，仍是實驗室條件下確認AIV感染和分子分型的基準方法。然而，該方法依賴專門的儀器、RNA純化試劑和經過培訓的技術人員，且樣本運輸、冷鏈物流和生物安全規程會加劇結果延遲，在快速爆發的疫情中制約了應對速度。
等溫核酸擴增技術，如逆轉錄環介導等溫擴增（RT-LAMP）和逆轉錄重組酶聚合酶擴增（RT-RPA），提供了無需熱循環儀的替代方案，支持比色、濁度、熒光甚至側流層析或智能手機兼容等多種檢測模式，反應時間約30-60分鐘，適合現場部署。
CRISPR-Cas12a診斷技術與等溫擴增平臺（如RT-RPA或RT-LAMP）功能耦合，能夠以接近qPCR的靈敏度實現對AIV基因片段的序列引導檢測，時間通常在60分鐘以內，并支持便攜式、低成本檢測形式，具有模塊化可編程性，可快速重新配置以追蹤新出現的基因型。
血清學檢測工具，如酶聯免疫吸附試驗（ELISA）、血凝抑制試驗（HI）和側向流動免疫測定（LFA），對于回顧性暴露評估、疫苗效力評價和區分感染與疫苗接種動物（DIVA）策略至關重要。它們主要檢測針對HA、NA和NP等病毒抗原的宿主體液免疫反應。
病毒分離仍然是檢測和表征AIV（包括H5N1等HPAI亞型）的權威參考方法，通過確認具有復制能力的病毒，可以進行全面的表型和基因型分析。但由于其耗時（通常需要2-7天）、需要高等級生物安全防護以及靈敏度受病毒滴度影響，其在快速疫情響應中的作用受到限制，已轉向確認性和存檔用途。
多模態禽流感傳感的機遇
靶向生物傳感與診斷
這一診斷類別提供基于序列或親和力的確認和分型，包括等溫核酸擴增、CRISPR-Cas檢測、RT-qPCR以及靶向生物傳感器（電化學阻抗/電容和表面等離子體共振（SPR）/光學平臺）。在實踐層面，CRISPR-Cas系統通過與等溫擴增相結合，實現了小型化和現場部署。近期的“一體化”RT-RPA–Cas12a/Cas13a平臺將擴增和檢測整合在封閉式試劑盒內，減少了轉移步驟和污染風險。凍干試劑延長了常溫下的保存穩定性，而熒光、比色和側向層析讀數為無需專業設備的直觀判讀提供了可能。這類系統可實現低于10拷貝/微升的靈敏度，在45-60分鐘內得到結果，其性能可與臺式RT-qPCR相媲美。電化學阻抗和電容生物傳感器可直接從擦拭或環境樣本中檢測病毒RNA或抗原，通常在1小時內完成。SPR適配體傳感器可解析較寬的病毒載量范圍，耗時約1.5小時。這些工具可作為分子檢測的補充，整合到靶向檢測路徑中。
非靶向異常檢測
這一路徑在無需預先知曉病原體的情況下，標記與感染相關的擾動，包括對空氣/粉塵/冷凝物進行無標記的表面增強拉曼光譜（SERS）分子指紋分析，以及對呼吸/發聲異常進行聲學監測。在攻毒和田間研究中，聲學特征能在出現明顯臨床癥狀前約48小時提示呼吸窘迫，從而實現早期隔離和針對性的后續檢測。SERS則增加了無需探針的分子指紋圖譜，可通過機器學習進行分類，從而在檢測到廣泛異常時提示啟動靶向檢測。
融合與分流
將兩條路徑結合，可實現對分子特征和雞群行為兩個層面的時空異常進行實時、非侵入式、物種非依賴性的監測。在實際操作中，非靶向警報（SERS/聲學）會觸發靶向確認檢測（等溫擴增 ± CRISPR、RT-qPCR、電化學/SPR），一致陽性的結果將升級應對措施（隔離、更換個人防護裝備、確認性采樣）。將這一邏輯嵌入統一的“一體化健康”監測架構中，通過實現跨動物、人類和環境健康領域的早期檢測和協同響應，從而加強了前瞻性和適應性的生物安全。
