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模擬豬流感傳播的病毒診斷芯片浮出水面!

2009-05-05
作者:來源:電子工程專輯

據美國弗吉尼亞理工大學網絡動態與模擬科學實驗室(NDSSL)的計算機模塊的模擬結果顯示,人類應該能在豬流感在全美范圍內大面積爆發之前對其進行有效控制。

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與此同時,CombiMatrix公司宣布意法半導體公司為其生產的流感芯片能在4個小時之內檢測出豬流感病毒。NDSSL是弗吉尼亞理工大學生物信息學院的一個內部組織,他們開發了世界上最強大的傳染病分析工具。目前,這套工具已經被美國健康與社會服務部(Department of Health and Human Services,HHS)所采用,HHS將豬流感命名為“2009 H1NI流感病毒”。


NDSSL的Chris Barrett稱,“我們對包括關閉學校、工廠以及其它用于減少個體之間大量接觸的疫情隔離措施做了詳細的模擬研究。”


“研究表明針對兒童的社交隔離措施將是最有效的。這種隔離所起到的效果甚至能與預先研制高效的流感疫苗起到同等的作用。因此關閉學校是防止流感疫情進一步擴大的重要措施。不過,如果我們只是關閉單所學校,那么其效用便會降低大半。”


本周早些時候,紐約一家學校在確認發現豬流感疫情后被迫關閉,另外兩家學校獲知消息后也自覺停課。不過該地區其它的學校則照常上課。世衛組織已經將豬流感疫情的威脅等級調高到僅次于全球流行病的等級。


“NDSSL的副主任Stephen Eubank表示,“到目前為止,只有有部分學校因為發現流感疫情而被迫訂課,但我們的模型工具不僅可以模擬出關閉一間學校的結果,還可以分析出關閉多所學校的結果”。美國健康部目前還沒有準備進一步采取應該可以有效控制流感疫情在美國傳播的社交隔離措施。不過,如果美國所有學校都實施停課,而美國政府也關閉邊境的話,那么別的國家將不得不采取同樣的措施以防止流感疫情的全球性蔓延。


Barrett表示,“如果病毒在其它的國家失去了控制,那么即使我們關閉邊境也僅能延緩它的蔓延速度”。“不過,如果我們能有效減緩病毒的蔓延速度,比如拖住6個月,那么我們也許就有足夠的時間能研發出有效的流感疫苗。”


但科學家目前對豬流感病毒仍然知之甚少,不足以在短期內開發出有效的流感疫苗。我們現在只知道H1N1流感病毒中具備人、豬以及禽流感病毒的成分。這樣NDSSL便只能采用近似禽流感的模型進行模擬。豬流感H1N1的代號表示病毒通過一類血凝素(H)進入健康細胞,并在健康細胞內部復制病毒本體,復制成功后再通過一類神經氨酸酶(N)離開該細胞以便感染下一個健康細胞。


Barrett表示,“截止當前,我們還沒有搞清楚豬流感病毒的潛伏期是多久也不知道患者的傳染性將持續多長時間”。“不過我們知道在美國發現的H1N1病毒相較在墨西哥發現的已經致人死亡的H1N1病毒表現更為溫和。”


NDSSL宣稱由于目前豬流感病毒的一些未知特性使模擬過程變得更復雜,“我們不得不嘗試各類與人口相關的變量值,包括每一天有多少人被傳染,他們具體接觸了一些什么人以及人數的統計。“因此模擬的結果包含多種不同的可能性,計算機模擬給出了針對不同情況所能最有效地防止疫情擴散的措施。”


目前為止美國已經確認了100多例感染豬流感的病患,其中有一名患者已經死亡。


NDSSL模擬工具中包含的Simfrastructure模型用于仿真各種隔離措施對疫情控制所能起到的效用,方便決策者們按模擬情況作出決定。工具中的另一個模型Simdemics則負責模擬環境參數,它可以通過計算機網絡進行分布式計算


Barrett稱,以前只有在氣象、海洋研究以及核工業領域才會使用到這類高級計算機工具。


使用實驗室目前的計算機模擬一座具備兩千萬個(社交)結點的美國大城市只需要約1秒的時間。Simfrastructure和Simdemics模塊分布在8個超級計算機群組上運行,包含了1200顆處理器,內存總容量達到了200GB,而硬盤總容量則接近1 PB(1 PB=1024 TB=1024*1024 GB)。若是更大型的仿真,這一軟件還可以運行于美國國家科學基金會的TeraGrid主機或Argonne National Labs的"Urgent Computing/緊急計算"資源。


Simfrastructure和Simdemics模塊使用并行超級計算機陣列來模擬美國大都市中每一位市民的移動狀況,并可以與其它上千萬市民個體的數據進行互動,模擬出每位美國公民如何接觸和散播病毒的潛在可能。


“我們不僅模擬病毒的散播,還模擬包括人們如何反應、如何適應、他們的行為會發生什么變化在內的實際社交情形”,另一位NDSSL副主管Madhav Marathe表示。“我們模擬人們的行為以及隨著病毒在城市范圍內散播后他們反應,包括他們的社交接觸圈、病毒動態和人個的行為”。


美國健康與社會服務部(HHS))正使用這一模擬工具計算各種不同的疫情傳播結果,以便決定采取何種措施降低疫情的影響。隔離措施包括使用口罩、藥物治療、強制檢疫、關閉學校和取消公眾活動等。


為了防止流感疫情的進一步擴散,弗吉尼亞理工學院已經向美國健康與社會服務部以及其它政府部門提供了這款模擬工具。這套工具不但能模擬病毒傳染過程,還可以對政府的防疫干涉措施對經濟造成的影響進行評估。


流感檢測芯片浮出水面


盡管疾病控制與預防中心已經發布了用于診斷豬流感病毒的軟件工具,但在傳統的病毒實驗室中,這種工具需要經過整晚的長期運行才能給出豬流感病毒的診斷結果。還好流感芯片制造公司在短時間內推出了可縮短診斷時間的診斷工具。


意法半導體公司正攜手其合作伙伴Veredus Laboratories對其VereFlu病毒檢測工具的升級,新流感芯片在經擴展后能診斷出豬流感病毒(H1N1)。“我們的診斷平臺可從多方位檢測流感病毒,”該公司發言人稱,“在對導致當前豬流感爆發的H1N1病毒進行基因序列分析的基礎上,我們正在與Veredus公司協力研制用于豬流感的診斷設備,預計數周內這種設備就可以被開發出來。”


CombiMatrix公司則宣稱已經成功研制出可在4個小時內診斷出豬流感病毒的芯片。


“我們可以在24小時內將芯片定制用于檢測任何一類可確認的新病毒,并且我們已經將最近幾次爆發病毒的基因信息在芯片中進行了更新”。 CombiMatrix公司的CEO Amit Kumar表示, “我們的芯片可以識別出包括豬流感、季節性流感等在內的多種流行病毒樣本。”


傳統的流感檢測用芯片售價不到100美元,而這款CombiMatrix的流感芯片售價約在300美元。不過這款芯片的檢測速度更快,并可以提供有關病毒的更多詳細內容。


美國五角大樓為這一用于防止大面積爆發豬流感的CombiMatrix流感芯片提供了研發基金。該芯片的客戶多為研究實驗室。


這款CMOS芯片由意法半導體為CombiMatrix生產,采用類似存儲器陣列的可尋址電極隊列結構,據稱可以在4小時內識別出大多數已知的流行性病毒樣本。

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