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《我国在台风动力诊断理论研究领域取得突破》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2023-05-04

  • 2023年4月28日消息，自然资源部第一海洋研究所学者在台风动力诊断理论研究领域取得突破性进展，将台风平衡动力学理论拓展到非平衡动力学，台风演变诊断精度得到大幅提升。

    台风是重要的自然灾害，对各国沿海居民的生产和生活甚至生命安全带来巨大威胁。因为台风是复杂的海洋与大气相互作用动力学过程，研究台风的演变过程既是世界科技前沿又是重大国家需求。

    从动力学角度来看，台风强度变化主要是由次级环流向台风内核输送角动量控制的，因此理解次级环流是理解台风强度变化的关键。Sawyer J S是英国皇家学会院士，Eliassen A是气象数值预报的国际先驱，他们基于梯度风平衡和静力平衡，建立了轴对称涡旋的次级环流Sawyer-Eliassen方程（简称SE方程），自上世纪80年代以来SE方程被广泛地应用于台风动力学研究，是经典的台风平衡动力学的理论基础。然而随着观测技术的进步和高分辨率台风数值模式的发展，越来越多的证据表明梯度风平衡在边界层区域不成立，而且由于次级环流向中心输送角动量主要发生在边界层附近，因此利用传统的SE方程来诊断台风强度演化受到根本性制约。

    自然资源部第一海洋研究所季冬博士和乔方利研究员引入摩擦力和非线性平流项，通过理论推导得到了一个推广的SE新方程，新方程能同时适用于台风中的自由大气和边界层。研究结果表明，新方程可以准确诊断出由WRF模拟的理想台风的次级环流，特别是对于边界层入射流诊断效果非常精准（偏弱仅4.5%）。相比常用的基于传统SE方程的“Smith方法”（偏弱56%）和“假平衡方法”（偏强35%）诊断精度具有明显提升。

    进而，通过在台风中引入回复力的概念及其数学表达式，从全新的角度严格推导出推广的SE方程，并给出了推广的SE方程直观的物理解释，夯实了所建立的非平衡台风动力学理论基础。指出次级环流是由回复力和质量守恒共同决定的，并基于此发展了一套分析非平衡过程如何影响次级环流的直观的定性分析方法。此外，对于台风边界层，除了传统的线性理论分析和边界层模式数值实验外，推广的SE新方程为研究边界层动力学提供了一个新的途径。

    上述结果近日以2篇文章连续发表于大气领域国际顶级期刊“大气科学（Journal of the Atmospheric Sciences, JAS）”，季冬博士为第一作者，乔方利研究员为通讯作者。

    文章链接：

    Ji, D., & Qiao, F. (2023). Does Extended Sawyer–Eliassen Equation Effectively Capture the Secondary Circulation of a Simulated Tropical Cyclone? Journal of the Atmospheric Sciences, doi: https://doi.org/10.1175/JAS-D-21-0320.1

    Ji, D., & Qiao, F. (2023). What are the Balanced and Unbalanced Dynamics of Tropical Cyclone? Journal of the Atmospheric Sciences, doi: https://doi.org/10.1175/JAS-D-22-0165.1

  • 原文来源：https://www.fio.org.cn/news/news-detail-11290.htm
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    • 体外诊断(In Vitro Diagnosis，IVD)技术在现代社会中扮演着越来越重要的角色，其在疾病预防、诊断、监测以及指导治疗的全过程中，发挥着极其重要的作用，是现代疾病与健康管理不可或缺的工具。目前临床上80%以上的疾病诊断都依靠体外诊断技术，也被人誉为了医生的“眼睛”。各种新技术、新方法的兴起和融合，促进了体外诊断（IVD）仪器、试剂的开发应用，从基因水平的基因测序、SNP筛查、点突变基因诊断，到蛋白水平的各种生物标志物(biomarker)检测，到细胞水平的循环肿瘤细胞检测（CTC）、液基薄层细胞学检测（TCT），再到组织水平上的PET/CT等，在肿瘤诊断、产前筛查、遗传性疾病、感染性疾病（包括细菌性感染、病毒性感染、寄生虫、真菌、人畜共患疾病等）、神经精神性疾病等多个领域，体外诊断向更简便，更快捷，非侵入性，多信息化的方向发展。 第一部分：体外诊断市场的现状 近几年，IVD在国内外医疗服务市场都得到了快速发展。据中商产业研究院统计，2016年全球IVD市场规模达到619亿美元，慢性病和感染病数量的增加以及技术的进步是驱动市场发展的主要因素。预计2020年时，全球IVD市场的规模将达到739亿美元。美国市场份额最大，占全球总市场的42%，其次是西欧，占25%；亚洲市场中，日本是占比最大的国家，占总市场份额的9%。 IVD在中国、印度等新兴国家市场的普及十分迅速。2016 年，我国体外诊断市场规模约 430 亿元人民币，根据中国医药工业信息中心发布的《中国健康产业蓝皮书（2016）》，到 2019 年，我国 IVD 市场规模将有望达到 723 亿 元，三年间年均复合增长率高达 18.7%，发展迅猛。目前国内市场较大的体外诊断的生产商品牌主要有罗氏、雅培、西门子等医学诊断，罗氏等5家国际公司约占国内体外诊断试剂市场份额的37%。 image.png 第二部分：肿瘤的体外诊断技术 肿瘤的体外诊断目前大致可分为两种，对肿瘤组织的病理检查以及通过血液样本进行的“液态活检”。 组织病理检查对肿瘤的筛查、分期、位置的确定有着极其重要作用。目前，大部分肿瘤诊断都依赖于组织为基础的肿瘤活检，为肿瘤的确诊和分析提供证据。近年来随着分子诊断整体需求的增长，肿瘤组织NGS的市场也急剧增长，预计将从2017年的约25万美元增长至2026年的380万美元。 然而在具体的临床操作中，使用组织活检样本评估肿瘤DNA的变异情况时，往往会出现一些不理想的结果，如样本中的异质性细胞过多，造成下游实验结果出现假阴性等。这些问题的主要原因是标本质量的控制，是否可以获得更纯的目标肿瘤细胞，对整个组织活检的结果起着关键的作用。 在组织检测样本采集的过程中，由于人体组织器官是多种细胞的复合，肿瘤组织的不均一性是肿瘤细胞的重要特征。为了克服肿瘤组织的不均一性，目前采用手工切割或者是激光捕获来挑选肿瘤细胞。手工方法虽然简单，但精密度欠缺，对于较小的目标区域无法准确获得，且无法进行质控；而激光显微切割技术，精密度高，能够有效减少污染，实现自动化操作，但技术要求复杂，通量、效率以及质控均有所欠缺，且仪器及其消耗品价格较昂贵，同时依据不同研究目的，必须考虑组织切片的固定和染色方式，才能获得切实可靠有意义的结果。因此市场上需求一种更简单、集效率与精密度为一身的显微切割技术。 2017年，罗氏推出的AVENIO Millisect System 全自动数字化组织切割系统是全球第一款全自动机械式组织切割系统，极大程度上减少了目标肿瘤细胞获取的风险。其能够满足福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）组织目标区域捕获的分子病理研究需求，能够以更少的时间从每个样本中获取最相关的信息。机器高精密切割，软件控制切割路径，大幅减少人为干预。在连续的组织切片中，自动将用户在参考切片上选定，允许在单个玻片上定义多个目标区域和自动实现连续切片与参考切片对齐，灵活、高速，可同时切割4张片子。切割后的组织可统一进行集中收集，从而获得高浓度的组织样本，避免异质性细胞存在，便于下游研究。全程无人为干预，最大程度降低了污染可能性。该系统还可以提供样本信息、定义信息、切告，可存档，全程可溯源，提高了下游研究结果准确性。同时，识别更多基因变异，减少假阴性可能。AVENIO Millisect系统完美摒除了现有目标细胞富集方法的弊端，极大地满足了临床实验室对于该市场的固有需求点。系统的自动化、数字辅助组织切割流程需要的手动操作步骤较少，减少人为干预同时并且能够提供更精密、更一致的结果。 image.png 除了活检组织之外，近年来进入市场的肿瘤“液态活检”技术也快速进入了大众的视线，该技术只需要血液样本来进行后续检测，其便利性将推动新型血液诊断的快速增长。 2015年10月底在《Nature Communications》杂志发表的一项新的研究中，科学家首次发现，肿瘤患者的血液及其他体液中的循环肿瘤DNA（ctDNA）是一种非常有潜力的生物标志物，可用于实时跟踪肿瘤的发展以及对治疗的响应。 ctDNA不仅仅是指标，还与“肿瘤负荷”有关，其含量水平随病灶的严重程度而升高。此外，在早期的肿瘤患者的血液中，也能检测到ctDNA，因此ctDNA不仅可用来监控现有的癌症，还能作为筛查工具。我们可以使用基于血液的DNA测试，来实时跟踪肿瘤的进展。 ctDNA是一种具有特征性的肿瘤生物标记物，并且可以被定性、定量和追踪。在临床应用中，医生可以基于这些肿瘤基因信息，来评估抗肿瘤药物的选用、疗效、以及预后，甚至早期发现和早期诊断。但由于ctDNA含量低（<1.0%），片段短，半衰期短（<2小时），检测十分困难，并且二代测序背景噪声很高，用常规建库测序方法会使肿瘤信号完全淹没在背景噪声中。故对核酸提取纯化技术提出了全新的挑战。 目前，罗氏MagNA Pure 24 全自动核酸纯化仪能减少用户干预和提取间产生的变异，从多种样本类型中分离基因组DNA、病原核酸甚至游离核酸，同时接受原始样本管上机，并兼容10个不同样本类型同时提取。 实验室中对于游离DNA的提取过程容易发生提取DNA的纯度不够，含有残留酒精蛋白等杂质，提取量少，DNA降解等情况，对后续反应结果产生影响。 MagNA Pure 24可以提供游离DNA自动化解决方案，其纯化得到的核酸，具有良好的纯度和可重复性。 MagNA Pure 24配备了严谨的安全措施，如：液面监测功能、紫外灯配备等，减少人为误差和交叉污染；设立了冷藏模块，预防洗脱产物降解和蒸发；并能自动检测样本及试剂体积、耗材是否缺失，样本是否有凝块等。 MagNA Pure 24系统还可以实现洗脱产物的自动分液，满足额外保存及PCR体系构建双重需求，并且具有先进的样本和试剂条码追踪管理。同时，该系统拥有已编制的多种核酸纯化实验方案，兼容多种外部细胞裂解液，扩大应用范围 ，安全，灵活，高效。 对于游离核酸的提取和纯化往往决定了接下来的实验成果，自动化平台的不断引进，会为目前液体活检上游技术的品质提供更好的保障。 第三部分：无创产前基因检测市场 随着分子诊断的持续升温，无创产前基因检测（NIPT）技术越来越受到市场的追捧。NIPT是利用新一代高通量测序检测胎儿染色体异常的新一代产前检测技术，通过采集孕妇外周血，对母体外周血血浆中的游离DNA片段（包括胎儿游离 DNA）进行测序，结合生物信息分析，计算胎儿患染色体非整倍体的风险。 从检测的技术来看，目前提供NIPT服务的公司主要分为两类： 1）采用高通量全基因测序的方法对样本进行检测 2）采用靶向区域测序的方法对染色体多倍性进行分析。 国外NIPT市场主要为4家公司所覆盖，分别为Sequenom， Verinata Health (2013年被Illumina收购)， Ariosa Diagnostics 和Natera。其相应NIPT产品登陆市场时间也集中在2011年底到2012年底，在此期间NIPT商业化模式正式拉开帷幕。 我国NIPT市场主要为两家公司所垄断，分别为华大基因（BGI）和贝瑞和康。检测产品从2012年底陆续开始上市，其所采用的检测技术路线为高通量全基因组测序的方法，其中BGI对11263个样本进行检测，使用GAIIx和HiSeq2000完成检测。 贝瑞和康进行两期临床实验，第一期完成435个样本的检测，第二期完成了1916个样本的检测。其技术路线及测序数据量与BGI类似，也采用高通量全基因组测序的方法，使用HiSeq2000平台一个Lane完成12对样本的检测。 2017年初，达安基因旗下的爱建生物采用Themo Fisher的Proton测序平台完成前期样本的测试，在其相应的研究论文中提到，已完成2275个样本的检测，每个样本需要的数据量约为5.6M reads。我国NIPT市场正处于市场规范化程度不断提升的过程中，随着正在申请的试点逐步开放，我国NIPT行业将迎来爆发性的增长。 结语：新成果涌现，IVD市场依然可期 体外诊断领域不断出现新的进展，发表在2017年12月的《ACS Chemical Neuroscience》期刊上的研究显示，正电子发射计算机断层扫描（简称PET）造影剂可以被适于诊断阿尔茨海默症。这种造影剂优于其它同类试剂，能够更加准确地检测基因突变。年龄段（60岁之前）患病与家族遗传的常染色体显性突变有关。大脑中的蛋白改变诱发突变，进而导致患病。使用特定放射性造影剂通过PET可观察到上述突变，这对于疾病诊断而言至关重要。 另一篇发表在国际杂志Scientific Reports上的研究称，乔治亚州立大学的研究人员利用红外光谱法开发了一种新型血液检测技术，能同时对淋巴瘤和黑色素瘤进行诊断。研究者利用中红外光谱法分析了来自实验小鼠机体的血清，随后将非霍奇金淋巴瘤和黑色素瘤小鼠同健康小鼠成功进行了区分；电磁波谱的中红外光谱区通常用来在分子水平下对生物性样本进行特性分析。研究者表示，红外光谱法能检测由非霍奇金淋巴瘤和皮下黑色素瘤诱发的生化改变，这种技术有望作为一种新型的癌症筛查手段。 除了不断有新的研究成果推出，国内的政策监管也在助力行业的发展。众所周知，2016年监管部门正式取消高通量测序临床应用试点，在经过一年的试点后，无创产前基因检测逐步放开。2017年，华大基因等企业与全国诸多地方政府合作，共同推进基因检测在产前诊断方面的应用，降低出生缺陷。 一个行业的高速发展，需要成熟的技术和临床应用的认可。不难看出，不论是在技术层面还是政策监管层面，分子层面的体外诊断技术正逐渐受到重视，并且正在慢慢摆脱“辅助诊断”的地位。相信在几年后，包括产前、肿瘤监测在内的一系列分子诊断技术，一定会对临床医疗决策起到决定性的作用，市场也一定会越来越大。
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