机器人、纳米球和数据建模——波士顿大学冠状病毒检测计划背后的科学
机器人、纳米球和数据建模——波士顿大学冠状病毒检测计划背后的科学
波士顿大学的科学家如何准备实现每天检测6000人的“大胆目标”
在不列颠哥伦比亚省，冠状病毒采样点将于每天上午8点至晚上10点开放，每小时可收集约100次检测。
距离波士顿大学查尔斯河校区开始欢迎本科生和澳门威尼斯人注册网站研究生返校还有不到两周的时间，波士顿大学已经为其精心设计的冠状病毒检测项目的运作奠定了基础。
一些关键细节：
- 个人将在校园指定的采样地点进行自己的鼻腔拭子取样。
- 采样点每天开放，每小时总共采集500个样本。
- 一个人大约需要三到六分钟的时间来登记，做鼻拭子，并完成样本收集。
- 采样需要一个人在鼻孔内侧边缘摩擦棉签几秒钟。
- 采样点的观察员将驻守在有机玻璃屏障后面；每个车站将通过6英尺的空间和有机玻璃屏障与相邻的车站分开。
- 学生、澳门威尼斯人注册网站和澳门威尼斯人注册将在网上收到即将到来的测试预约通知。
- 学生、教职员工将在24小时内得知考试结果。
该计划是由波士顿大学精确诊断中心主任凯瑟琳·克拉珀里奇（Catherine Klapperich）牵头，开发和建设一个专门的冠状病毒检测实验室，即波士顿大学临床检测实验室，由波士顿大学运营，并设在波士顿大学。自5月以来，当冠状病毒大流行明显将持续整个夏季和秋季学期时，克拉珀里奇和来自波士顿大学各地的合作者一直在日夜工作，扩大一个临床验证的测试过程，能够监测波士顿大学整个校园社区的SARS-CoV-2的存在，这种病毒是导致COVID-19感染的病毒。
克拉珀里奇说：“这是我职业生涯中做过的最具挑战性的事情，尽管从科学上讲，这些都是科学家可以做的事情，也是我经常做的事情。”克拉珀里奇也是波士顿大学工程学院生物医学工程系的副主任，也是生物医学工程、材料科学工程和机械工程的教授。“然而，我们正在以前所未有的规模和时间来做这件事。”
她说，最终，测试实验室的目标很简单：“它有望帮助我们降低校园感染率。”
在报到并核实身份后，学生、教职员工将获得一个自我擦拭包。
在波士顿大学临床测试实验室内，该实验室已迅速在Rajen Kilachand综合生命科学与工程中心内装备好，8个机器人（其中7个是紧急订购的）最终将能够每天处理6000个冠状病毒测试。这个装置是在生物医学工程、电子和计算机工程的副教授道格拉斯·登斯莫尔（Douglas Densmore）的实验室里建立的，他从一开始就介入了。
Klapperich说：“Densmore教授是高通量生物学科学和技术方面的专家，他慷慨地提供了他的专业知识、空间和人力资源，以使实验室得以启动和运行。”Densmore的实验室成员专门澳门威尼斯人注册网站研究如何将实验协议转化为自动化过程，并将伴随它们的设计流程形式化。
用于测试的样本将从波士顿大学医学和查尔斯河校区的收集点流入波士顿大学临床测试实验室，在那里，大学住宿社区的成员和面向学生的教职员工将定期报告进行冠状病毒筛查。预计一个人从开始到结束大约需要三到六分钟，从到达、登记到完成鼻拭子。
至于波士顿大学测试背后的科学，克拉珀里奇说，实验室将利用金标准测试来检测冠状病毒的存在，即RT-PCR测试，它代表逆转录聚合酶链反应。这种测试的工作原理是将RNA转化为DNA。RNA是一种独特的遗传信息序列，存在于人类和病毒中。然后，DNA可以通过聚合酶链反应（PCR）快速繁殖。
经过两周的组装，波士顿大学临床测试实验室位于Kilachand综合生命科学与工程中心内。
聚合酶链反应的过程发生在一个被称为热循环器的实验室机器中，它将DNA扩增成数百万或数十亿的遗传物质拷贝。在这种情况下，它将冠状病毒中发现的独特遗传密码复制到足够高的数量，以检测SARS-CoV-2，即使采样拭子最初只捕获了微量的遗传密码。
波士顿大学社区成员将在校园指定的测试地点进行自己的拭子测试。与国家实验室、医院和医疗诊所广泛使用的深鼻拭子（称为鼻咽拭子）相比，布鲁里大学的鼻孔测试更容易，侵入性更小。鼻拭子将收集鼻腔粘液，以筛查冠状病毒。
克拉珀里奇说：“我不会说我们永远不会做从鼻子一直到喉咙后面的拭子测试，但主要是鼻子测试。”尽管深鼻拭子能够到达鼻道和喉咙之间的地方，在你开始感到恶心之前，冠状病毒首先进入并停留在那里，但澳门威尼斯人注册网站研究表明，冠状病毒主要是通过从口腔和鼻子呼出的含有病毒的飞沫传播的，这使得鼻孔测试能够充分检测出感染者。
克拉珀里奇说：“我们知道它存在于我们的唾液和鼻子的粘液中，这就是飞沫悬浮在空气中并感染下一个人的原因，比如如果你和某人面对面交谈（没有戴口罩）。”“理论上说，传播病毒的人的口腔和鼻孔里的病毒含量很高。”
学生、澳门威尼斯人注册网站和澳门威尼斯人注册将通过在线门户网站收到即将到来的测试预约通知。在到达预约的样本采集点之前，每个人都要填写一份表格，证明他们没有任何冠状病毒的症状，也没有接触过冠状病毒感染者。有症状的人，或与冠状病毒感染者接触过的人，将在指定的检测无症状人群的采样点之外的另一个采样点接受检测。
在登记并核实每个人的预约时间和身份后，鼻孔测试将要求个人在鼻孔内侧边缘擦拭几秒钟。观察员将帮助确保每个人正确拭子和足够的时间，然后将他们的拭子放入充满液体生理盐水的无菌试管容器中。
每个人都将使用棉签包完成样本收集，该棉签包内装有标有与其唯一学生证或其他识别号码相关联的条形码的试管。然后将密封的含有完整鼻拭子的试管放入收集盒中，这些收集盒将被包装和储存，直到它们被带到波士顿大学临床检测实验室。一个人的整个过程只需要几分钟。
在获得自拭检测试剂盒后，每个人将前往采样站，在那里观察员将提供如何擦拭鼻孔的说明。
这种棉签是由泡沫塑料制成的，它有很大的表面积，可以从鼻孔内部抓住细胞。克拉珀里奇说，他们能够捕获样本，当使用RT-PCR筛选时，检测冠状病毒的准确率可以达到80%到90%。
波士顿大学的测试站点将每天开放。医学校园的检测站位于东康科德街72号，目前正在开放并试行波士顿大学的冠状病毒检测项目。查尔斯河校园检测站将设在基拉坎德综合生命科学与工程中心、808画廊、阿加尼斯竞技场大厅，对于那些报告有冠状病毒症状的人，位于阿加尼斯竞技场后面的联邦大道后925号。这些考点将于8月15日开始运营，开放采集时间为上午7点至晚上8点，或上午8点至晚上9点，具体取决于考点，所有考点平均每小时采集约500份试卷。
虽然最初将有能力每天收集和筛选数千个测试，但如果有必要，这个数字可能会增加。医疗快递员将每天四次到达测试地点，将集装箱运送到位于基拉昌德中心的波士顿大学临床测试实验室。
波士顿大学的测试方法得到了由拉菲克·b·哈里里计算与计算科学与工程澳门威尼斯人注册网站研究所所长、艺术与科学学院数学与统计学教授埃里克·科拉奇克领导的密集建模工作的支持，将确保对个人进行足够频繁的筛查，以防止感染者未被发现。Kolaczyk和他的合作者开发了一种模拟方法，模拟人们在波士顿大学如何相互作用，以找出哪种测试策略最有效地控制任何疫情。
他说：“这个模型的结构捕捉到了学生、澳门威尼斯人注册网站和员工通过宿舍和课堂进行互动的方式。”
在波士顿大学指定的冠状病毒检测层的第1类和第2类中，面向学生的教职员工将每周接受一次检测。生活在密集社会环境中的人——住在宿舍的本科生——每周将接受两次测试。
在波士顿大学的临床测试实验室，实验室技术人员将把由医疗快递员从测试地点送来的试管装入8个机器人中，这些机器人将准备样本并进行冠状病毒筛查。
一旦试管进入机器人体内，酒精和磁珠就会被注入每个试管。这些磁珠被包裹在二氧化硅中，在酒精（一种脱水液体）存在的情况下，二氧化硅会与病毒和人类的遗传物质结合。相比之下，这些珠子不会与构成人体细胞的其他分子（如脂肪和蛋白质）结合。
然后用磁铁把这些小珠子吸到试管的一边，多余的酒精、脂肪和蛋白质就会被吸走。加入水，使珠子重新水化，并使遗传物质——rna和dna——从珠子的二氧化硅表面分离。然后提取RNA和DNA，产生遗传物质样本，然后使用RT-PCR扩增。
与所有冠状病毒检测一样，如果鼻孔中不存在病毒，或者没有收集足够的样本，RT-PCR检测确实有可能无法检测出冠状病毒感染者。除了筛查冠状病毒外，每次RT-PCR检测还将筛查核糖核酸酶P (RNase P)，这是一种在人体细胞内发现的酶。它的存在表明鼻拭子成功地捕获了足够的人体细胞进行有效的测试。
在每个样本中，机器人寻找rna酶P和SARS-CoV-2病毒的存在。荧光染料被添加到样本中，与两种不同的病毒片段结合。另一种染料与RNase P结合，如果存在病毒或RNase P，染料就会发出发光的颜色，从而使计算机程序根据样品中出现的颜色返回阳性、阴性或不确定的测试结果。
Klapperich说：“在样品运行结束时，计算机会告诉你样品中颜色变化的速度，并使用数学逻辑来决定这是积极的、消极的还是不确定的。”
克拉珀里奇说，检测RNase P而不是冠状病毒存在的分析表明结果为阴性，这意味着收集了足够的细胞进行有效筛查，而且这些细胞没有感染SARS-CoV-2。
如果分析没有检测到RNase P，但检测到SARS-CoV-2，则被认为是阳性结果，因为这表明即使棉签没有捕获足够的人体细胞，病毒也可能存在于人的鼻子内。Klapperich说，如果一项测试没有检测到这两种情况，则表明结果不确定——这意味着没有捕获足够的人体细胞来确定一个人没有被感染。不确定的结果将需要重复测试以确认结果。
测试完成后，学生、教职员工可以在24小时内通过在线门户网站得知测试结果，如果测试结果为阳性，则可以通过电话得知测试结果。Kolaczyk表示，快速测试周转时间至关重要。他说：“人们可以在24小时内收到结果通知，这真是太棒了——这比许多专业公司目前承诺的一周周转时间要快得多。”
拭子擦拭鼻孔后，将拭子放入充满生理盐水的试管中，并通过窗口递给采样观察者，后者将其放置在安全的储存处。医疗快递员将每天四次将完整的试剂盒送到波士顿大学临床检测实验室进行处理和检测。
检测呈阳性的人将在单独的地点重新检测，如果他们开始出现症状，将接受治疗。测试结果不确定的人将返回一般测试点之一完成另一个鼻拭子。
科拉奇克说，结合接触者追踪，检测过程将在管理冠状病毒传播方面产生协同作用。“追踪接触者对家庭来说非常重要。如果你能从室友、家庭、宿舍、教室结构中追踪到感染，你就可以进行干预。”
测试数据将收集在一个数字仪表板中，该仪表板将提供给波士顿大学社区，并由波士顿大学管理部门仔细审查，以寻找社区传播的任何指标。
“如果宿舍或楼层有感染？每个人都将被检测或隔离，”克拉珀里奇说。波士顿大学临床测试实验室留出了缓冲带宽，以便冠状病毒筛查工作可以迅速锁定可能含有感染的特定校园宿舍和建筑物。她说：“我们可以进入这些环境，对每个人进行测试。”
波士顿大学临床测试实验室是目前波士顿唯一的此类实验室。东北大学将把他们社区的样本送到自己的生命科学测试中心和第三方测试机构。哈佛大学、麻省理工学院和塔夫茨大学都将所有的测试工作外包给布罗德澳门威尼斯人注册网站研究所。
克拉珀里奇说：“就我们正在实施和做的事情而言，我们比其他学校领先了大约一个月，但我们远非唯一在解决这个问题的人。”她开设了一个Slack频道，回答有关波士顿大学测试实验室和协议的问题——每天都有来自美国各地大学的询问。
登斯莫尔的实验室设有波士顿大学临床测试实验室，他还表示，他和他的团队已经准备好帮助将波士顿大学的整个过程传播给其他希望开始自己的冠状病毒测试工作的组织。他说，整个经历“提醒了我，我们做澳门威尼斯人注册网站研究的初衷是为了帮助社会。”
上周，当波士顿大学医学院的采样点开门营业时，所有的计划都变成了现实。克拉珀里奇说，他们的目标是对该系统进行压力测试，以确定在8月中旬本科生开始到校之前出现的问题。
克拉珀里奇说，过去的几个月就像一阵旋风，许多澳门威尼斯人注册网站研究生都暂停了他们的论文工作，以便全天候提供帮助。“他们一直在澳门威尼斯人注册网站研究这个，把软件和测试分析结合起来……他们从无到有建立了整个实验室。”她还表示，波士顿大学设施部的澳门威尼斯人注册以闪电般的速度帮助布置实验室空间，安装机器人，波士顿大学采购部以极快的速度进行采购和交付。
她说：“与大家一起解决这个问题，看到大家都以积极、坚定的态度来解决这个问题，真的很有意义。”“这是一个大胆的目标，我们正在接近这个目标，这一切都是因为人们在自组织团队中共同努力实现了这一目标。有很多精力，很多人采取主动，很多人说‘天哪，我们需要完成这件事，让我们做吧。’”
评论与讨论
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