CN115443099A

CN115443099A - 检测生命体排放到空气中的病毒性生物颗粒的系统

Info

Publication number: CN115443099A
Application number: CN202180030682.9A
Authority: CN
Inventors: 马可·德·安杰利斯
Original assignee: Ma KeDeAnjielisi
Current assignee: Ma KeDeAnjielisi
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-12-06
Also published as: WO2021214804A1; US20230204564A1; EP4138652A1; IT202000008701A1

Abstract

本发明涉及一种用于通过呼气体积(F)检测由生命体(E)排放到空气中的病毒性生物颗粒的系统(S)，所述系统(S)包括至少一个所述呼气体积(F)的检测和处理装置(1)，其能够检测所述呼气体积(F)的样本并将其冷凝为待分析的冷凝样本(L)，以及至少一个分析装置(2)，所述分析装置(2)与所述检测和处理装置(1)相连，能够接收所述冷凝样本(L)，检测与所述冷凝样本(L)相关的电信号并处理所述电信号，从而检测其中包含的病毒性生物颗粒。

Description

检测生命体排放到空气中的病毒性生物颗粒的系统

技术领域

本发明涉及一种检测生命体排放到空气中的病毒性生物颗粒的系统，特别是在空气样本中。

更详细地说，本发明涉及一种上述类型的系统，所述系统特别地被研究和实施用于检测由生命体排放到空气中的病毒性质的生物颗粒，但所述系统也可以用于有必要在气态流体样本中检测其存在的任何类型的生物颗粒。

在下文中，说明书将针对检测存在于生命体呼出的空气样本中的病毒性质的生物颗粒，但很明显，不应该认为本发明仅限于这一特定用途。

背景技术

众所周知，目前关于生物颗粒的搜寻，特别是当该颗粒被认为是危险的时，例如致病微生物(如病毒)的生物颗粒，通常是在被认为是所寻找的生物实体的潜在宿主的受试者体内通过各种方法进行，如对通过拭子从粘膜上取样或从血液中取样的样本进行的培养、血清学试验或众所周知的PCR-聚合酶链反应技术。

另外，为了评估受试者目前或以前与病原体的接触情况，还可以直接或间接地搜寻血液中的特定抗体。

这些已知的方法带来了各种问题，这些问题往往同时存在，例如：在取样和分析中都需要专业人员的介入；某些取样方法使受试者感到不适；将样本从取样地点转移到分析地点；可能对样本进行过滤和/或处理；进行分析所需的时间；试剂的使用；由于一个或多个前面提到的已知方法而产生的总成本。

这些关键因素会减少这些方法的使用，减慢响应时间，进而减慢干预(如隔离阳性受试者)的响应时间，从而促进感染源和传染病的传播。

在生物体被病原体感染的过程中，一个特别重要的变量是感染性负荷(infectious charge)，即生物体接触到的感染性颗粒的数量。

对于许多疾病，例如，流感病毒或类似疾病，在其他条件相同的情况下，大量的感染性颗粒与呼吸道粘膜接触，更有可能导致击垮生物体的抗体反应的疾病。

相反，与低数量的感染性颗粒的接触更可能导致缺乏典型症状的甚至无症状的传染病，因为在第一种情况下，抗体反应能够平衡接触的病因，或者在第二种情况下能够克服这些病因，但是，能够使受试者对感染源免疫。

因此，在其他条件相同的情况下，如健康受试者的健康状况、年龄、并存的或以前的病症、患病的概率和疾病的严重程度，传染性受试者释放的病毒载量和仍然健康的受试者引入的病毒载量是正相关的。

将感染过程视为一个整体，即视为两个生物体(感染者和必须保护自己免受感染的生物体)之间的斗争，在呼吸道病毒(需要物理条件才能复制，更高等的生物体需要化学和生物条件)的情况下，感染生物体的目标是入侵宿主生物体，克服其防御系统，以便最大限度地复制自己，一旦达到复制的最大数量，就转移到另一个受试者继续复制。

在这条途径上，粘膜是病毒进入身体的潜在通道，也是身体所需的更强的防御能力的结构，由于上呼吸道结构对进入的空气产生的湍流，粘膜在病毒到达身体最深处和最脆弱的结构之前阻挡病毒，并可能通过粘膜处存在的抗体和物质消灭病毒。

因此，粘膜中存在病毒物质不一定是受试者具有传染性的信号，因为它们可能是吸入过程中沉积在那里的颗粒，特别是吸入富含病毒的空气，或者是已经被局部免疫防御系统破坏的病毒，因此不再具有活性，但仍然可以被检测为与活性病毒无法区分的遗传或抗原物质。

因此这意味着，例如，通过已知方法所使用的拭子检测的物质可能涉及已经灭活的病毒，因此可以提供假阳性结果。

因此，粘膜拭子的阳性受试者实际上可能处于不同的阶段：既可能是第一次接触病毒，又可能是无症状的病人，也是可能尚未有症状的病人，既可能是有症状的病人，也可能是粘膜上刚刚沉积了尚未中和或已经中和的病毒的已经治愈和免疫的病人。

另一方面，当病毒真正感染了生物体，也就是说，当它已经到达其呼吸树的最深处，在从细胞到细胞的历程中复制自己时，它必然要离开被感染的身体，去寻找其他身体，在那里继续复制。

由于肺泡缺乏可以通过的防御性的粘膜层，这一次，在相反的方向上，病毒直接从细胞传到肺泡空气中，并且由于宿主生物体受益于尽可能层状的向外的气流，为了不对向外的气流产生不必要的阻力，所述向外的气流必须不影响粘膜，因此病毒随着呼出的空气大量地离开身体。

在任何情况下，如果病毒已经进入气管和支气管，那么病毒已经侵入相应呼吸道的粘膜细胞并破坏了它们(使它们失去了粘膜屏障)，可以向外穿过呼吸道，从而在呼气时被输送到体外。

因此，当病毒已经能够复制到足以损害呼吸道或多或少的深部粘膜细胞并直接进入肺部时，并且因此当受试者真正具有传染性时，呼出的空气中含有离开身体的病毒。

呼出的空气中的病毒载量，即病毒性颗粒的密度，也表明受试者的传染性水平，因此可以根据这种传染性水平对受试者进行分类，最后只对那些真正有传染性的受试者进行更好的隔离。

因此，与粘液和血液相比，呼出的空气是衡量一个人的传染性状态和传染性程度的更好指标。

第二个问题更进一步为人所知。

许多针对人类的致病病毒可以在包括家养动物在内的其他动物物种中从无症状转移至有症状。

对所有家养动物的粘液或血液拭子进行检查是一种极其昂贵且不切实际的程序，因此失去了识别病毒和跟踪其流行性传播的可能性。

另一个问题涉及到这样一个事实，即受试者很容易通过呼吸密布着由其他传染性受试者排出的病毒性颗粒的封闭空气而被感染。

测定每体积环境空气中病毒性颗粒的密度是家养动物健康性的可靠指标，即在没有病毒性颗粒的情况下，或是不健康的指标，即在存在病毒性颗粒的情况下，并且在存在病毒的情况下，也是其产生其他病人的风险的指标。

因此，这种测定可以是，例如，用于调节传染性受试者运送或被收容的医疗机构中的通风系统的系统。

发明内容

因此，鉴于上述，本发明的一个目的是提供一种系统，用于检测病毒性生物颗粒，并测量其在生命体呼气过程中呼出的空气体积样本中的密度。

本发明的另一个目的是提供一种可靠和经济的系统，用于检测病毒性生物颗粒和测量它们在周围空气中的密度。

因此，本发明的具体目的是一种用于通过呼气体积检测由生命体排放到空气中的病毒性生物颗粒的系统，所述系统包括至少一个所述呼气体积的检测和处理装置，该装置能够检测所述呼气体积的样本并将其冷凝为待分析的冷凝样本；以及至少一个分析装置，所述分析装置与所述检测和处理装置相连，能够接收所述冷凝样本，能够检测与所述冷凝样本相关的电信号并处理所述电信号，以便检测其中包含的病毒性生物颗粒。

进一步根据本发明，所述检测和处理装置包括所述呼气体积的输送元件，所述输送元件可以放在所述生命体的头部，能够在入口处接收所述呼气体积并在出口处送出；以及冷凝元件，所述冷凝元件与所述输送元件连接，能够接收所述呼气体积并使其冷凝成冷凝样本。

优选地根据本发明，所述冷凝元件为一次性使用型和/或单向型。

还是根据本发明，所述检测和处理装置包括能够对所述呼气体积检测进行定时或能够测量所述生命体的呼吸的测量构件。

始终根据本发明，所述测量构件被安置在所述输送元件的内部或外部。

进一步根据本发明，所述检测和处理装置包括声音和/或视觉信号传导元件，能够发出达到进行采样的最小呼气体积或达到所述体积的最小时间或最小呼吸数的信号。

优选地根据本发明，所述检测和处理装置包括所述冷凝样本的处理单元。

还是根据本发明，所述输送元件是能够放在人或动物生命体的脸部或头部上的气密性面罩。

始终根据本发明，所述输送元件是可以放入生命体口中的接口管(mouthpiece)。

进一步根据本发明，所述输送元件是吸气装置，具有进口，所述呼气体积进入其中，和出口，所述呼气体积从其中出来，并且内部包括空气移动装置，能够促进所述呼气体积通过所述进口进入。

优选地根据本发明，所述分析装置包括检测模块，其依次包括冷凝样本可以放在上面的支撑物，该支撑物上有生物传感器或纳米传感器或纳米孔类型的多个传感器，以及处理模块，其与所述检测模块相连，包括多个处理通道和一个处理器，其中所述多个处理通道与所述多个传感器相连，能够检测电信号并将所述电信号发送到所述处理器，用于检测所述病毒性生物颗粒。

附图说明

出于说明但不是限制性的目的，现将根据本发明的优选实施方案并特别参考所附附图来描述本发明，其中:

图1显示了用于检测由生命体排放到空气中的病毒性生物颗粒的系统(本发明的对象)的示意图；

图2显示了图1所示系统的一个部件的侧面示意图；

图3显示了图2所示部件的第二个实施方案的侧面示意图；以及

图4显示了图2所示部件的第三个实施方案的示意性正视图。

在不同的图中，类似的部分将用相同的数字编号表示。

具体实施方式

参照附图，用于检测生命体E排放到空气中的病毒性生物颗粒的系统S(本发明的对象)基本上包括用于检测和处理在生命体E呼气时排放的待分析的空气或空气体积样本F的装置，以及被检测空气样本的分析装置2。

所述检测和处理装置1能够对生命体E呼出的一定量的空气体积F进行采样。

所述装置1包括用于输送空气体积F的元件11、用于测量所述空气体积F的构件12、用于分散在所述采样的空气体积F中的液体内含物的冷凝元件13以及冷凝样本的处理单元14。

特别是，参照图2，所述输送元件11是密封的面罩，能够放在生物体E的面部或头部，以便将其与外部环境密封隔离。

所述面罩11既可用于人类也可用于动物类型的生命体E，适当地使外部结构适应生命体E的身体结构。

所述输送元件11包括在单向阀(图中未显示)内，用于将所述空气体积F从生命体E的口中向检测和处理装置1的后续元件输送。

所述输送元件11优选是一次性的，以避免生命体E相互之间连续测试的传染风险。

在已经生病的生命体E通过封闭回路进行通风的情况下，所述呼出的空气体积F的提取直接在收集这些生命体E的呼出的空气的回路中进行。

因此，在生命体E与封闭回路相连的情况下，测量的某一时刻随呼出的气体排放的病毒颗粒的数量或在收集的呼出的空气中的病毒颗粒的数量以及这一数量的变化(大概在该数量的偏高和偏低范围内)，也可以构成跟踪疾病发展的标准。

用于测量空气体积F的所述构件12在其入口处接收从所述输送元件11流出的所述空气体积F。

在不脱离本发明的保护范围的情况下，所述测量构件12也可以插入所述输送元件11内部。

所述测量构件12可以是流量计，或计时器，或呼吸次数仪表。

所述测量构件12具有声学和/或视觉信号传导元件121，以便向负责使用所述系统S的操作者发出信号，表明已达到所需采样的空气体积F的最小量，或者，达到该空气体积F的最短时间或最小呼吸数。

所述测量构件12优选是一次性的，以确保医疗安全。

或者，所述测量构件12是单向的，以确保空气体积F不能从外部向生命体E倒流。

所述冷凝元件13与所述测量构件12连接。

在所述测量构件12包含在所述空气输送元件11中的实施方案中，所述冷凝元件13直接连接到所述输送元件11。

所述冷凝元件13能够接收呼出的空气体积F，并将所述呼出的空气体积F中自然含有的水蒸气冷凝在液相中，因此所述呼出的空气体积F成为冷凝样本L。

然后，所述冷凝样本L被传送到后续分析阶段。

所述冷凝元件13通过已知的方法进行水蒸气的冷凝。

特别是，冷凝通过直接冷却呼出的空气体积F而发生，或通过呼出的空气体积F与允许其冷凝的材料(例如，可能被冷却的金属板)接触而发生。

所述冷凝元件13是一次性的，或者说，它必须保证空气体积F不可能倒流，以进一步减少传染给下一个被测生命体E的可能性。

所述冷凝液处理单元14与所述冷凝元件13相连，它能够在入口处接收冷凝样本L并对其进行处理。

特别是，可以对所述冷凝液L进行化学和/或物理和/或微生物处理，以使其更容易在后续阶段进行分析。

举例来说，处理可以包括过滤和/或用抗体处理，以识别微生物颗粒并使微生物颗粒更加明显。

然而，所述处理单元14在所述检测和处理装置1中的存在是可选的。

参照图3，在第二个实施方案中，所述输送元件是接口管11'，可插入人E的口中或与之接触。

上述关于所述输送元件11的描述也不变地适用于所述接口管11'。

参照图4，在第三个实施方案中，所述输送元件是吸气装置11"。

所述吸气装置11"是空心容器，优选具有圆柱形，但也可以有不同的形状和尺寸。

所述吸气装置11"具有进口111和出口112。

所述空气体积F流入所述进口111，同时所述空气体积F从所述出口出来。

所述进口111和出口112中的每一个都可以是密封的。

此外，所述进口111和出口112中的每一个都可以手动或自动关闭。

加湿器113被安置在所述吸气装置11"内，该加湿器能够用已知的每体积空气中的水蒸气浓度对所述进入的空气体积F进行加湿，以便实现形成最小的冷凝量，用于分析每体积周围空气的颗粒密度。

在所述吸气装置11"内还有空气处理装置114，特别是风扇114，能够促使空气体积F通过所述进口111进入。

所述空气移动装置114以及所述吸气装置11"的进口可以手动操作或通过计时器操作，或基于某些因素，例如：存在于特定环境中的生命体E的数量，气体到达特定浓度，这是对存在于环境中的生命体E呼出的气体的间接测量，和/或在环境中进行的身体活动类型。

所有这些因素都可能与或多或少存在的潜在的有害生物颗粒有关，这些颗粒随着患病的生命体的呼吸排放出来，因此具有传染性。

所述输送元件11的描述对于所述吸气装置11"的第三种实施方案也保持不变，仅在以下特征方面有所不同。

所述测量构件12，如果是内部安置，可以安置在所述进口111的附近或所述出口112的附近，以便测量每单位时间内通过的空气体积。

此外，所述输送元件11"可以直接连接到所述信号传导元件121，如图4所示。

所述分析装置2通过处理单元14与所述检测和处理装置1连接，否则，在没有所述处理单元14的情况下，它直接与所述冷凝元件13连接。

在第三种实施方案的情况下，所述分析装置2可以直接连接到所述出口112。

所述分析装置2可以是各种基本上已知的类型，优选的类型将被描述。

所述分析装置2优选是包括传感器、生物传感器或纳米传感器在内的类型，通过所述类型可以对离子通道进行检测和后续分析，所述离子通道负责细胞内和细胞外环境之间的跨膜蛋白交换。

因此，离子通道能够对化学-物理刺激作出响应。

所述分析装置2基本上包括检测模块21和与所述检测模块21连接的处理模块22。

特别是，所述检测模块21包括无机类型材料(优选SiO₂或SiN_x)的支撑物或板，上面的纳米传感器或生物传感器或人工纳米孔的尺寸为纳米级，从几纳米到几百纳米，例如10^- ⁹m，与要检测的所述冷凝样本L接触。

所述处理模块22包括多个与所述检测模块21相连的处理通道，特别是与所述纳米孔支撑物和处理器相连。

当所述冷凝样本L与所述支撑物接触时，由于微流变现象，所述冷凝样本L与所述纳米孔接触。

因此，合适的电信号可由所述多个处理通道检测，这些通道将所述电信号发送到所述处理器以处理所述电信号。

特别是，所述纳米孔检测与其相互作用的纳米级颗粒。

例如，相互作用模式可以如下所示。

具有所需尺寸的纳米孔的所述支撑物可以作为两个含有电解溶液的隔间的分离元件被安置，能够维持电流，所述电流的通量变化可以被测量。

如果含有要检测的纳米颗粒(如病毒颗粒或对其特性进行了修饰的病毒颗粒)的材料被引入两个隔间中的一个，它们穿过特定尺寸的纳米孔，可以改变电流的流动。

这些改变可以与纳米颗粒的特性如质量、形状和大小相关，可以由所述处理模块22实时测量。

所述处理模块22以数字的和/或模拟的形式和/或当越过阈值时，提供流体样本L的定性和定量分析结果，显示所研究的颗粒是否存在(大概超过某个最低阈值)，在肯定的情况下，显示例如每单位体积的样本中存在的数量，以及确定流体样本和空气体积(采样的每单位体积空气)的比例。

由于纳米孔的存在，这些颗粒可以通过各种已知技术进行检测。

对两种优选的方法进行了实质性的描述。

第一种方法是纳米孔中的蛋白质-蛋白质相互作用类型。

检测原理是基于附着在纳米孔表面或功能化的抗体与待检测颗粒上的蛋白质(例如，就2019冠状病毒(Corona Virus 19)而言，其外壳上的S1刺突)之间的相互作用。

由于存在于所述冷凝样本L中的病毒颗粒的电位被纳米孔中的抗体拦截，所测得的电流会减少，这取决于仍然附着在纳米孔上的有助于纳米孔部分闭塞的颗粒的数量。

这种技术的优点是能够直接用于冷凝样本L，而不需要通过所述处理单元14对所述冷凝样本L进行预处理以使其敏化。

此外，能够只与搜寻到的颗粒结合的特异性抗体的存在确保了它们对样本中存在的具有非常类似特征的其他可能的颗粒的选择性。

第二种模式是电阻式脉冲感应型。

这项技术是基于对所寻求的特定颗粒穿过纳米孔时产生的电流信号特性的分析。

例如，如果病毒的平均直径(不包括刺突)在82至94nm之间，就像冠状病毒的情况一样，使用尺寸为300nm的纳米孔，并分析病毒在其中转移产生的脉冲，就有可能将电流脉冲的特征与特定的病毒联系起来。

这种技术的主要局限性是特异性较低，这是由于如果样本中存在其他大小相似的颗粒(无论是否病毒)，则对颗粒类型(例如某一病毒的病毒颗粒)的区分不太精确。

然而，因其步骤较少和复杂性较低以及时间较短和成本较低的优势，这种技术可以用于评估某一类型的所有颗粒(例如，某一家族的所有病毒)的存在的第一步，以便最终能够在后续通道中区分出它是哪种类型。

从上述描述中可以看出，所述检测系统S能够快速、可靠地检测生命体呼出的空气样本中是否存在病毒性生物颗粒，既可以直接从生命体上取样，也可以间接从几个受试者在特定时间内所处的环境中取样。

根据本发明的优选实施方案，本发明已被描述为说明性而非限制性的目的，但应理解的是，本领域的技术人员可以在不脱离所附权利要求书中界定的相关范围的情况下引入修改和/或改变。

Claims

1.一种系统(S)，其用于通过呼气体积(F)检测由生命体(E)排放到空气中的病毒性生物颗粒，所述系统包括：

至少一个所述呼气体积(F)的检测和处理装置(1)，其能够检测所述呼气体积(F)的样本并能够将其冷凝为待分析的冷凝样本(L)，以及

至少一个分析装置(2)，其与所述检测和处理装置(1)相连，能够接收所述冷凝样本(L)，检测与所述冷凝样本(L)相关的电信号并处理所述电信号，从而检测其中包含的病毒性生物颗粒。

2.根据前一项权利要求所述的系统(S)，其特征在于，所述检测和处理装置(1)包括：

所述呼气体积(F)的输送元件(11、11'、11")，其可以放在所述生命体(E)的头部，能够在入口处接收所述呼气体积(F)并在出口处将其送出，和

冷凝元件(13)，其与所述输送元件(11、11'、11")连接，能够接收所述呼气体积(F)并使其冷凝为冷凝样本(L)。

3.根据前一项权利要求所述的系统(S)，其特征在于，所述冷凝元件(13)为一次性使用型和/或单向型。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(S)，其特征在于，所述检测和处理装置(1)包括能够对所述呼气量(F)的检测进行定时或能够测量所述生命体(E)的呼吸的测量构件(12)。

5.根据前一项权利要求所述的系统(S)，当引用权利要求2或3中任一项时，其特征在于，所述测量构件(12)被安置在所述输送元件(11、11'、11")的内部或外部。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统(S)，其特征在于，所述检测和处理装置(1)包括声音和/或视觉信号传导元件(121)，能够发出达到进行采样的最小呼气体积(F)或达到所述体积的最小时间或最小呼吸数的信号。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的系统(S)，其特征在于，所述检测和处理装置(1)包括所述冷凝样本(L)的处理单元(14)。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的系统(S)，其特征在于，所述输送元件(11)是能够放在人或动物生命体(E)的面部或头部的气密性面罩。

9.根据权利要求2-7中任一项所述的系统(S)，其特征在于，所述输送元件(11')是可以放入生命体(E)口中的接口管。

10.根据权利要求2-7中任一项所述的系统(S)，其特征在于，所述输送元件(11")是具有以下部件的吸气装置：

进口(111)，所述呼气体积(F)进入其中，

出口(112)，所述呼气体积(F)从其中出来，并且

内部包括空气移动装置(114)，能够促进所述呼气体积(F)通过所述进口(111)进入。

11.根据前述权利要求中任一项所述的系统(S)，其特征在于，所述分析装置(2)包括：

检测模块(21)，其依次包括冷凝样本(L)可以放在上面的支撑物，该支撑物上有生物传感器或纳米传感器或纳米孔类型的多个传感器，和

处理模块(22)，其与所述检测模块(21)相连，包括多个处理通道和一个处理器，其中所述多个处理通道与所述多个传感器相连，能够检测电信号并将所述电信号发送到所述处理器，用于检测所述病毒性生物颗粒。