通过智能手机的应用程序测试和跟踪传染病
通过智能手机的应用程序测试和跟踪传染病
智能手机的普遍性、强大性和便携性使其成为病原体监测和指导公民科学的宝贵工具。
Debojyoti Chakraborty仅用了几个月就在他的实验室中开发出了一种针对COVID-19的有效诊断测试，但其挑战在于如何优化这种测试，以使其适用于现场检测。
如果存在病毒的RNA，这个采用基因编辑技术CRISPR的测试系统就会在纸条上产生一个条带。但是在新德里的基因组学和综合生物学研究所（Institute of Genomics and Integrative Biology）的Chakraborty（带领一个RNA生物学小组）等人表示，他们对一条微弱的条带是否能算作阳性信号的意见并不总是一致。他们需要的是一个客观的，而且最好是便携的定量工具。随后，Chakraborty意识到他其实已经有一个这样的工具：他的智能手机。
研究人员开发了一个应用程序，用于拍摄条带、使用机器学习识别和量化条带，并将结果导出到云端。他们的应用程序被称为TOPSE1，这为一个现在已经被印度药品监管总局（Drugs Controller General）批准的测试奠定了基础。Chakraborty表示，实际上可以在资源有限地区的当地病理实验室进行这种测试。也许有一天，它甚至可以在家里完成。
正如Chakraborty所了解的那样，全世界正在使用的数十亿部智能手机为疾病追踪、诊断和公民科学提供了前所未有的机会。这方面的例子包括使手机用户能够监测COVID-19症状、计算携带疾病的蚊子数量和检测微小病原体的应用程序。它们甚至可以帮助世界为下一次大流行疾病做准备。
马萨诸塞州波士顿儿童医院（Boston Children’s Hospital）的计算流行病学家John Brownstein认为，这些工具的部署成本非常低廉，它们可以直接从当地人那里获得实时信息。这种数据可以超过传统监测所提供的数据。
便携式流行病学
智能手机科学并不是从COVID-19开始的。但这一流行病刺激了研究人员快速开展公民科学工作，利用智能手机收集有关该疾病的信息。志愿者可以通过应用程序或网站定期记录有关他们的症状、测试状态和位置的细节。例如，来自Brownstein的流感和COVID-19众包追踪器（crowdsourced tracker）的500万用户的数据（称为“我附近的爆发”，Outbreaks Near Me）提供了佩戴口罩的益处的早期证据。Brownstein表示，可以得到这些令人印象深刻的信息，而这些信息很难从传统的医疗保健中迅速收集。
这样可以快速部署的项目，在迅速蔓延的公共卫生危机中是一个优势。加州大学（University of California）旧金山分校的心脏病专家Gregory Marcus能够在一年内将他的团队的COVID-19公民科学应用程序（COVID-19 Citizen Science app）从设计构想发展到5万名参与者。他表示，这在传统的研究中是不可能的。而且，由于用户通过下载一个应用程序注册，这种研究很容易扩大规模以及进行调整：例如，研究人员可以增加有关新疫苗或病毒变体的问题。
在伦敦国王学院（King’s College London）研究老龄化问题的Claire Steves分析了英国COVID症状研究应用程序（United Kingdom’s COVID Symptom Study app）的数据，该应用程序已被约450万人下载。她和她的团队利用该应用程序的数据开发了一个预测模型，发现嗅觉丧失（被称为“无嗅症”，anosmia）是COVID-19检测阳性的一个预测因素。该团队还利用该应用程序的数据确定了英国的COVID-19发病热点地区，并确定在患病的第一周报告经历过五次以上COVID-19症状的应用程序用户更有可能出现长期COVID（人们经历的持续症状）。
Steves等人发现，通常没有智能手机的幼儿和老年人在COVID症状研究中的代表性不足。她表示，但周到的宣传、统计分析和与其它研究的交叉验证可以消除这些偏倚。通过将他们的结果与采用传统设计的英国COVID-19追踪研究的结果进行比较，该团队能够验证其模型。Steves表示，已经能够表明，他们的数据在很大程度上反映了来自[那些]大型人口研究的数据。
智能手机也可以追踪其它疾病，如疟疾（malaria）、寨卡（Zika）和登革热（dengue），这些疾病通过蚊子传播。位于阿德莱德的南澳大利亚大学（University of South Australia）的公共和环境健康科学家Craig Williams没有派技术人员去诱捕和收集蚊子，而是将诱捕器贴在澳大利亚南部的126名志愿者身上，并要求他们将诱捕到的昆虫照片通过邮件发给他。
这个被称为Mozzie Monitors的项目提供了大规模的蚊子监测数据，其成本只有类似的专业监测方案的20 %。Williams团队中从事该项目的研究生Larissa Braz Sousa表示，令人惊讶的是，公民科学家能够在同一时期通过一个低成本的项目从他们的后院收集到比专业项目更多的蚊子数量。
此后，Williams为澳大利亚的志愿者增加了一个选项，即放弃诱捕器，使用第三方应用程序iNaturalist来拍摄和识别昆虫。这引领了2月份的全国性试验，被称为蚊子月（Mozzie Month）。Williams表示，他们希望能有第一个全国性的公民科学蚊子监测计划。而智能手机是该计划的中心。
通过智能手机进行诊断
智能手机科学归结为三个特点：计算能力、连接性和摄像头。
伊利诺伊大学（University of Illinois）香槟分校的生物工程师Rashid Bashir表示，在过去的十年里，手机上的摄像头变得越来越灵敏，以前他需要用显微镜做的事情，现在用手机就能做到。2017年，Bashir和他的团队在一个使用血液样本检查病毒感染的医疗测试点中利用了智能手机摄像头。这些相机可以发现由扩增的病毒RNA产生的点状荧光信号，从而能够检测寨卡、登革热和另一种名为基孔肯雅（chikungunya）的蚊子传播的病毒。他现在已经更新了该测试，以检测COVID-19。
在某些情况下，基于智能手机的诊断方法可以在速度和准确性方面与昂贵而笨重的实验室设备相媲美，同时又能保持足够的便携性，以适应现场环境。图森亚利桑那大学（University of Arizona）的生物医学工程师Jeong-Yeol Yoon将智能手机与一些现成的显微镜组件和MATLAB Mobile应用程序结合起来，检测诺如病毒（norovirus），这种病毒每年在美国造成约2000万例胃肠道疾病。Yoon表示，他们模拟了台式荧光显微镜，这种显微镜可以很轻松地达到5万美元，而他们只花费了不到40美元，他目前正在为诺如病毒和COVID-19版本的测试建立临床试验。
加州旧金山格拉德斯通病毒学和免疫学研究所（Gladstone Institute of Virology and Immunology）的病毒学家Melanie Ott与加州大学伯克利分校（University of California）的生物工程师Daniel Fletcher共同开发了一种基于智能手机的COVID-19诊断测试。据Fletcher称，该测试比标准的实验室平板阅读器更敏感，而且比SARS-CoV-2的黄金标准：反转录PCR测试更快。基于智能手机的测试还可以量化一个人携带多少病毒，这可能有助于预测疾病传播的风险和严重程度。Ott表示，手机可以做一切事情：它是实际获取结果的摄像头，分析结果的计算机，它还可以将结果发送到云端存储。
确保信任
智能手机是一种强大的科学方式，但如果一个应用程序要被广泛使用并提供良好的数据，获得用户的信任是至关重要的。开发人员和其他专家可以帮助解决这个问题，以及技术上的障碍。应用程序的开发往往很棘手，但收集健康数据的应用程序需要额外的隐私、安全、支持和监管合规。同样，公民科学项目必须注意对用户的数据进行匿名和加密。Brownstein表示，如果他们不把这些事情做好，那么就不可能建立信任并让人们使用这些工具，所以这对他们来说是一个优先事项。
这类工具也会产生大量的数据。例如，COVID症状研究应用程序是与位于伦敦的数据科学公司Zoe合作开发的，该公司帮助进行了应用程序设计和数据分析。Steves表示，每天可能有来自450万人的回应，所以这是非常大的数据，而且可能相当复杂。
Marcus帮助创建了一个名为“Eureka”的研究平台，该平台由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）资助，包括使科学家能够为健康研究建立和部署移动应用程序的基础设施。Eureka承载着COVID公民科学研究，以及其它30多个研究。他表示，重点是帮助研究人员利用移动技术，而不需要具备技术专长，这样他们就可以专注于他们的临床研究和医学专长。
这也可以帮助用户和公共卫生工作。Yoon设想的未来是，消费者将非处方药包与他们手机上的应用程序配对，进行方便和定期的测试，这可能有助于控制未来的大流行病。他表示，需要识别被感染的人，如果能在家里真正做到这一点，他相信这可以大大减少疾病的传播。我们需要为下一次大流行病做好准备。
原文检索：
Sandeep Ravindran. (2021) Smartphone apps test and track infectious diseases. Nature, 593: 302-303.
郭庭玥/编译
