《npj Biosensing》：Multimodal sensing technologies for HPAI biosurveillance in poultry production systems
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本综述系统性地探讨了多模态传感技术在高致病性禽流感（HPAI）生物监测中的应用。文章首先概述了当前H5N1病毒对禽业、公共健康及经济的巨大威胁，并指出传统监测手段存在滞后性。核心内容比较了靶向生物传感与分子诊断（如RT-qPCR、CRISPR-Cas12a、电化学传感器）与非靶向异常检测（如声学监测、SERS光谱）两类技术路线的优缺点。作者提出，将两者整合到统一的“一体化健康”监测框架中，可实现更早、更可靠的早期预警，从而弥补现有生物安全措施的不足，为规模化家禽养殖系统提供动态、实时的监测解决方案。
高致病性禽流感（HPAI），尤其是当前流行的H5N1分支2.3.4.4b，对动物健康、食品安全和人畜共患病安全构成了持续演变的重大威胁。自2024年初以来，该分支内的新型基因变异已在美国禽类和乳制品生产系统中引发了广泛的动物流行病及人畜共患传播事件。截至2025年，美国已有超过70例确诊的人类H5N1病例，凸显了在畜牧-人类界面人畜共患溢出事件的风险。传统的农场生物安全措施和依赖临床症状或定期实验室采样的监测方法，在应对无症状感染、快速传播以及样品运输和处理延迟等方面存在明显瓶颈。为了实现对疫情的快速响应，发展互补、去中心化、实时的生物监测策略已迫在眉睫。
HPAI在动物与人类流感中的时空共现
监测数据显示，美国HPAI疫情与人类季节性流感活动存在并发趋势。美国农业部动植物卫生检验署（APHIS）的月度报告显示，家禽和奶牛中的HPAI检测高峰与季节性流感活动高峰并行出现。人类流感样疾病（ILI）负担，通过美国门诊流感样疾病监测网络（ILINet）捕获，同样在2024-2025流感季呈现年龄分层的季节性高峰。这些平行的流行强调了人畜共患流感爆发与人类呼吸道疾病活动重叠的风险格局。空间上，截至2025年8月，确诊的家禽疫情集中在加利福尼亚州、爱荷华州和俄亥俄州等主要生产州，而包括奶牛在内的牲畜疫情则最常在美国西部和中部各州报告。
AIV结构、致病性与宿主范围
禽流感病毒（AIV）是正粘病毒科甲型流感病毒属的成员，根据分子特征和对鸟类的疾病严重程度分为低致病性（LPAI）或高致病性（HPAI）。HPAI病毒（如H5N1）的血凝素（HA）蛋白具有多碱性裂解位点，使其能被普遍存在的细胞内蛋白酶裂解，从而促进系统性复制，导致感染禽类在暴露后48小时内死亡率接近100%。相比之下，LPAI毒株具有单碱性裂解位点，感染通常局限且轻微或无症状。甲型流感病毒主要感染人类、鸟类、猪、马和海洋哺乳动物，但最近的溢出事件证实H5N1也能感染奶牛，标志着宿主范围的扩大。病毒通过粪-口接触、气溶胶、飞沫和污染物传播，其分段的基因组结构促进了高突变率和频繁的基因重配，推动了快速进化、跨物种传播以及大流行潜力。
生物安全与诊断挑战
当前农场生物安全方法
商业家禽农场实施了一套完善的生物安全措施，旨在防止病原体进入并最大限度地减少农场间传播。这些措施包括限制设施准入、车辆和设备消毒、使用个人防护装备（PPE）、设置消毒脚盆的管控入口，以及全进全出鸡群管理和生产周期之间的休整期等规程。然而，尽管严格遵守了生物安全标准，HPAI疫情仍屡有发生，表明这些措施虽能降低风险，却无法完全消除风险。密集的饲养条件、漫长的供应链以及人类介导的污染物传播削弱了其有效性。至关重要的是，生物安全依赖于肉眼可见的临床症状，无法捕捉可能在鸡群内部和之间悄然传播的无症状或亚临床感染。
当前实验室方法
H5N1监测的实验室诊断策略主要基于分子扩增、免疫测定技术和传感器集成平台。实时荧光定量PCR（qPCR）因其高灵敏度和亚型特异性，仍是实验室条件下确认AIV感染和分子分型的基准方法。然而，该方法依赖专门的仪器、RNA纯化试剂和经过培训的技术人员，且样本运输、冷链物流和生物安全规程会加剧结果延迟，在快速爆发的疫情中制约了应对速度。
等温核酸扩增技术，如逆转录环介导等温扩增（RT-LAMP）和逆转录重组酶聚合酶扩增（RT-RPA），提供了无需热循环仪的替代方案，支持比色、浊度、荧光甚至侧流层析或智能手机兼容等多种检测模式，反应时间约30-60分钟，适合现场部署。
CRISPR-Cas12a诊断技术与等温扩增平台（如RT-RPA或RT-LAMP）功能耦合，能够以接近qPCR的灵敏度实现对AIV基因片段的序列引导检测，时间通常在60分钟以内，并支持便携式、低成本检测形式，具有模块化可编程性，可快速重新配置以追踪新出现的基因型。
血清学检测工具，如酶联免疫吸附试验（ELISA）、血凝抑制试验（HI）和侧向流动免疫测定（LFA），对于回顾性暴露评估、疫苗效力评价和区分感染与疫苗接种动物（DIVA）策略至关重要。它们主要检测针对HA、NA和NP等病毒抗原的宿主体液免疫反应。
病毒分离仍然是检测和表征AIV（包括H5N1等HPAI亚型）的权威参考方法，通过确认具有复制能力的病毒，可以进行全面的表型和基因型分析。但由于其耗时（通常需要2-7天）、需要高等级生物安全防护以及灵敏度受病毒滴度影响，其在快速疫情响应中的作用受到限制，已转向确认性和存档用途。
多模态禽流感传感的机遇
靶向生物传感与诊断
这一诊断类别提供基于序列或亲和力的确认和分型，包括等温核酸扩增、CRISPR-Cas检测、RT-qPCR以及靶向生物传感器（电化学阻抗/电容和表面等离子体共振（SPR）/光学平台）。在实践层面，CRISPR-Cas系统通过与等温扩增相结合，实现了小型化和现场部署。近期的“一体化”RT-RPA–Cas12a/Cas13a平台将扩增和检测整合在封闭式试剂盒内，减少了转移步骤和污染风险。冻干试剂延长了常温下的保存稳定性，而荧光、比色和侧向层析读数为无需专业设备的直观判读提供了可能。这类系统可实现低于10拷贝/微升的灵敏度，在45-60分钟内得到结果，其性能可与台式RT-qPCR相媲美。电化学阻抗和电容生物传感器可直接从擦拭或环境样本中检测病毒RNA或抗原，通常在1小时内完成。SPR适配体传感器可解析较宽的病毒载量范围，耗时约1.5小时。这些工具可作为分子检测的补充，整合到靶向检测路径中。
非靶向异常检测
这一路径在无需预先知晓病原体的情况下，标记与感染相关的扰动，包括对空气/粉尘/冷凝物进行无标记的表面增强拉曼光谱（SERS）分子指纹分析，以及对呼吸/发声异常进行声学监测。在攻毒和田间研究中，声学特征能在出现明显临床症状前约48小时提示呼吸窘迫，从而实现早期隔离和针对性的后续检测。SERS则增加了无需探针的分子指纹图谱，可通过机器学习进行分类，从而在检测到广泛异常时提示启动靶向检测。
融合与分流
将两条路径结合，可实现对分子特征和鸡群行为两个层面的时空异常进行实时、非侵入式、物种非依赖性的监测。在实际操作中，非靶向警报（SERS/声学）会触发靶向确认检测（等温扩增 ± CRISPR、RT-qPCR、电化学/SPR），一致阳性的结果将升级应对措施（隔离、更换个人防护装备、确认性采样）。将这一逻辑嵌入统一的“一体化健康”监测架构中，通过实现跨动物、人类和环境健康领域的早期检测和协同响应，从而加强了前瞻性和适应性的生物安全。
