疫苗的冷鏈安全為全球性問題,電子疫苗熱敏感標簽(eVVM)可對疫苗溫度進行實時監控,并進行“預警”提示。為綜合評價 eVVM 的監測效能,本研究在不同產品批次中隨機抽取 75 個 eVVM 標簽,將其與四種不同類型共 600 個疫苗溫度指示標簽(VVM)平均分配到不同的實驗環境中(2~8℃、?20℃ 以及 40℃),采用溫度記錄儀作為對照。結果顯示,eVVM 標簽、VVM 標簽在高溫溫度監測方面的精確度與溫度記錄儀具有很好的一致性(P = 0.195),且 eVVM 標簽在低溫異常和高溫異常的正確率均為 100%,優于 VVM 標簽。因此,我們認為 eVVM 標簽有較高的精確度,對于進一步提高冷鏈的監測效率及準確度均具有良好的應用前景。
引用本文: 陳小芳, 劉建忠, 姚千予, 陳賢義. 電子疫苗熱敏感標簽監測效果評價. 生物醫學工程學雜志, 2021, 38(1): 154-160. doi: 10.7507/1001-5515.202011038 復制
引言
疫苗是預防、控制傳染病傳播和流行的重要生物制品[1-2]。絕大多數疫苗在制造、運輸、儲存及運輸過程中均需要在 2~8℃ 的冷鏈中進行[3-4]。疫苗的儲存和冷鏈管理作為免疫規劃工作的重要內容,關系到疫苗的質量以及預防接種的效果和安全性[5-6]。2016 年 3 月曝光的“山東問題疫苗”事件曾引起了公眾的恐慌并對疫苗的信任大打折扣。為了更好地監控疫苗的冷鏈,確保疫苗的質量,避免疫苗資源浪費,中義(北京)健康研究院研發了電子疫苗熱敏感標簽(electronic vaccine vial monitor,eVVM)以實時監測冷鏈溫度異常現象。為評價 eVVM 的使用效果,本研究進行了三種不同溫度下的實驗,并將其監測結果與溫度記錄儀以及疫苗溫度指示標簽(vaccine vial monitor,VVM)[7]的檢測結果進行比較,以綜合評價 eVVM 的監測效能。
1 產品設計及工作原理
1.1 產品設計
eVVM 是由具有微電腦、近場通信(Near Field Communication,NFC)、存儲單元、加密電路、傳感器等五部分組成的單片機(見圖 1)加天線和電池組成(見圖 2)。


1.2 工作原理
芯片內置的微處理器按事先設定的時間間隔,定時給傳感器發指令,采集傳感器傳回的溫度數據,存儲數據,按事先設定的時間間隔,時鐘再次啟動傳感器,存儲數據,循環往復,直至收到停止采集數據的指令。
權限密鑰管理:授權的普通用戶有效讀取次數限 1 次,讀取數據后設備停止工作。
數據采集和存儲:標簽自帶二維編碼,具備 NFC 無線通信功能的手機通過掃描標簽上的二維碼,下載應用程序。啟動程序,讀取標簽唯一代碼及溫度數據,由手機程序用 WIFI 或 SIM 卡上傳數據,自動生成溫度-時間曲線 PDF 圖,發送到用戶指定的文件存儲位置待查。
2 方法
2.1 材料
eVVM 標簽由中義(北京)健康研究院研發提供,共 75 個;溫度記錄儀購買于深圳拓普瑞電子有限公司(型號:TP500V3.0),在實驗前已獲得國家頒發的校準證書,證書編號為 YC2027197560O10-07;VVM 標簽由 TEMPTIME 公司出品,有 VVM2、VVM7、VVM14 和 VVM30 四種類型,每種類型 150 個。eVVM 標簽和 VVM 標簽均通過隨機數字表法平均分配到 2~8℃ 冰箱、40℃ 烘箱、?20℃ 冰柜中,同時在實驗環境中放置溫度記錄儀。
2.2 溫度異常判斷
如圖 3 所示,eVVM 配套軟件掃描標簽后若界面顯示“預警”則提示標簽環境溫度異常,若界面顯示“通過”則表示標簽環境溫度符合要求;VVM 標簽正方形活性區域顏色與參照圓圈顏色相同或深于參照圓圈顏色時,熱敏標簽到達終點,提示環境溫度異常,若正方形顏色比圓圈淺則表示溫度符合要求,見圖 4。


2.3 統計學分析
采用 Excel 2007 建立數據庫,使用 SAS 9.4 統計軟件對數據進行描述及分析。因數據不服從正態分布,故溫度值均用中位數(四分位數間距)表示,eVVM 標簽記錄的數據及溫度記錄儀記錄的數據之間的差異用 Wilcoxon 符號秩和檢驗進行比較,P < 0.05 則認為差異有統計學意義。
3 結果
3.1 eVVM 監測的精準度評價
3.1.1 冷藏溫度(2~8℃)監測情況
對 eVVM 標簽監測冷藏溫度與溫度記錄儀監測冷藏溫度的結果繪制曲線并進行比較,eVVM 標簽監測的平均溫度、溫度最低值、溫度最高值均高于溫度記錄儀監測的溫度(W 值 = 29 126.5,P < 0.001),但仍然在規定范圍內(2~8℃)。需要提出的是,eVVM 標簽記錄數據的四分位數間距小于溫度記錄儀記錄數據的四分位數間距,從圖中也可看出標簽記錄數據的波動范圍小于溫度記錄儀記錄數據的波動范圍,提示標簽記錄溫度的穩定性良好。結果見圖 5 及表 1。


3.1.2 冷凍溫度(?20℃)監測情況
如圖 6 及表 2 所示,eVVM 標簽監測的平均溫度、溫度最低值、溫度最高值均高于溫度記錄儀監測的溫度,統計分析顯示二者間具有顯著差異(W 值 = 28 476.5,P < 0.001)。與前述結果類似,eVVM 標簽記錄數據的四分位數間距小于溫度記錄儀記錄數據的四分位數間距,且在曲線圖中也可看出 eVVM 標簽監測數據的波動范圍小于溫度記錄儀,提示標簽記錄溫度的穩定性良好。


3.1.3 高溫溫度(40℃)監測情況
對 eVVM 標簽監測高溫溫度與溫度記錄儀監測高溫溫度的結果繪制曲線并進行比較,兩種測量手段所記錄的最低值和最高值均很接近,統計分析結果顯示兩組之間無明顯差異(W 值 = 2 322.5,P = 0.195)。說明 eVVM 標簽在高溫溫度監測方面精確度與溫度記錄儀一致,結果見圖 7 及表 3。


3.2 eVVM 標簽及 VVM 標簽的環境溫度監測結果比較
3.2.1 eVVM 標簽異常事件(標簽異常、溫度記錄時間不足、標簽無響應)的發生情況及環境溫度監測結果
eVVM 標簽每 20~30 min 自動記錄上傳一次環境溫度信息,共模擬了三個環境溫度,每個環境模擬一周。在 75 個標簽中出現了 5 個標簽異常的情況,概率為 6%,其他可能出現的設備異常事件如溫度時間記錄不足、標簽無響應等均未發生。在設定正常溫度為 2~8℃ 的條件下,辨別出低溫異常和高溫異常的正確率均為 100%,結果見表 4。

3.2.2 VVM 標簽的環境溫度監測結果
VVM2、VVM7、VVM14 及 VVM30 四種類型的疫苗熱敏標簽 37℃ 下理論失效時間分別為 2、7、14、30 天,如表 5 所示,在冷藏溫度下,四種標簽均 100% 分辨正確;在冷凍溫度下,四種標簽均未能識別環境溫度的異常;在高溫溫度下,除了 VVM30,其余三種標簽均正確識別出了環境溫度的異常。

4 討論
傳染性疾病傳播性強,傳播途徑多樣,一旦暴發,嚴重影響人民群眾的健康與生活,造成的危害不可估量。2019 年底,新冠肺炎疫情暴發,該疫情的全球風險級別在短短兩個月內就被世界衛生組織(World Health Organization,WHO)上調到了“非常高”,并于 2020 年 3 月 12 日被定義為“大流行”[8-9]。面對緊張的疫情防控形勢,雖然各國采取了“阻隔”作為短期防控措施,但從長遠角度來講,一種安全有效的疫苗對于控制疫情和防止再次暴發具有重要意義[10-11]。據 WHO 的統計顯示,截至 2020 年 3 月 21 日,全球進行新冠疫苗的研發項目已有 50 個疫苗,幾乎涵蓋了目前疫苗研究的所有形式,包括滅活疫苗、重組蛋白疫苗、病毒載體疫苗等[12-13]。作為一種對溫度敏感的生物制劑,過冷或過熱均可能降低疫苗效價,增加人體接種的風險[14-15],因此,對疫苗冷鏈監測系統的研究及改良,不僅是疫苗領域的研究熱點,也是疫情防控下的當務之急。2008 年,李偉松團隊[16]提出了運用信息化手段建設疫苗冷鏈監測系統來完善疫苗流通監管的設想。隨后,越來越多的監測手段被研發出來用于監測疫苗的質量,其中 WHO 制定的 VVM2、VVM7、VVM14 與 VVM30 最為常用[17]。VVM 通過熱敏變色標簽使工作人員通過觀察標簽顏色判定疫苗是否可繼續使用[18],但該類非電子型疫苗溫度監測標簽僅能監測疫苗累積的超溫暴露結果,無法識別低溫暴露,且對于超溫暴露的環節和時間及高風險因素無法知曉,無法為提高冷鏈運轉效率提供證據[19-20]。此外,VVM 不能做到實時監測,在發生溫度異常時,不能報警。中義(北京)健康研究院研發了 eVVM 電子疫苗熱敏感標簽,該產品可以記錄具體的溫度數值,不僅可以監測疫苗冷鏈環境溫度是否存在高低溫異常,還能夠定量監測溫度,追溯整個疫苗冷鏈運輸過程中出現的薄弱環節而加以改善。
為了綜合評價 eVVM 的溫度監測效果,本文首先比較了 eVVM 標簽與溫度記錄儀記錄的數據,結果顯示,在冷藏溫度(2~8℃)及冷凍溫度(? 20℃)下,eVVM 標簽所記錄的溫度均略高于溫度記錄儀,但冷藏環境所記錄的溫度波動均在規定范圍內。高溫溫度下,eVVM 標簽所記錄的數據和溫度記錄儀相比,差異無統計學意義,說明 eVVM 標簽在高溫溫度監測方面具有良好的精確度。
本文還對 eVVM 標簽可能出現的設備異常情況進行了評判,在實驗所使用的 75 個標簽中,僅 5 個(6%)出現了標簽異常情況。與此同時,eVVM 標簽對于低溫溫度及高溫溫度的正確辨別能力均為 100%。而相比之下,四種 VVM 標簽在冷凍環境下均未正確辨別環境異常,在高溫環境下,VVM30 也未正確判斷環境異常。因此,我們認為 eVVM 標簽不僅適用于普通環境,也適用于氣溫較為嚴峻的環境,因此在提高冷鏈監測效率及準確度方面具有良好的應用前景。
綜上所述,eVVM 標簽有較高的監測精確度,且相比傳統的人工管理及 VVM 標簽,具有定量、直觀以及 24 小時不間斷記錄數據的優勢,對避免由于冷鏈過程異常溫度導致的疫苗效價降低等均具有良好的監測作用。因此 eVVM 標簽不僅有利于進一步保證疫苗接種安全,而且也能夠為相關部門對疫苗儲存及流轉進行全流程的精準監管提供依據,值得推廣與應用。
利益沖突聲明:本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
疫苗是預防、控制傳染病傳播和流行的重要生物制品[1-2]。絕大多數疫苗在制造、運輸、儲存及運輸過程中均需要在 2~8℃ 的冷鏈中進行[3-4]。疫苗的儲存和冷鏈管理作為免疫規劃工作的重要內容,關系到疫苗的質量以及預防接種的效果和安全性[5-6]。2016 年 3 月曝光的“山東問題疫苗”事件曾引起了公眾的恐慌并對疫苗的信任大打折扣。為了更好地監控疫苗的冷鏈,確保疫苗的質量,避免疫苗資源浪費,中義(北京)健康研究院研發了電子疫苗熱敏感標簽(electronic vaccine vial monitor,eVVM)以實時監測冷鏈溫度異常現象。為評價 eVVM 的使用效果,本研究進行了三種不同溫度下的實驗,并將其監測結果與溫度記錄儀以及疫苗溫度指示標簽(vaccine vial monitor,VVM)[7]的檢測結果進行比較,以綜合評價 eVVM 的監測效能。
1 產品設計及工作原理
1.1 產品設計
eVVM 是由具有微電腦、近場通信(Near Field Communication,NFC)、存儲單元、加密電路、傳感器等五部分組成的單片機(見圖 1)加天線和電池組成(見圖 2)。


1.2 工作原理
芯片內置的微處理器按事先設定的時間間隔,定時給傳感器發指令,采集傳感器傳回的溫度數據,存儲數據,按事先設定的時間間隔,時鐘再次啟動傳感器,存儲數據,循環往復,直至收到停止采集數據的指令。
權限密鑰管理:授權的普通用戶有效讀取次數限 1 次,讀取數據后設備停止工作。
數據采集和存儲:標簽自帶二維編碼,具備 NFC 無線通信功能的手機通過掃描標簽上的二維碼,下載應用程序。啟動程序,讀取標簽唯一代碼及溫度數據,由手機程序用 WIFI 或 SIM 卡上傳數據,自動生成溫度-時間曲線 PDF 圖,發送到用戶指定的文件存儲位置待查。
2 方法
2.1 材料
eVVM 標簽由中義(北京)健康研究院研發提供,共 75 個;溫度記錄儀購買于深圳拓普瑞電子有限公司(型號:TP500V3.0),在實驗前已獲得國家頒發的校準證書,證書編號為 YC2027197560O10-07;VVM 標簽由 TEMPTIME 公司出品,有 VVM2、VVM7、VVM14 和 VVM30 四種類型,每種類型 150 個。eVVM 標簽和 VVM 標簽均通過隨機數字表法平均分配到 2~8℃ 冰箱、40℃ 烘箱、?20℃ 冰柜中,同時在實驗環境中放置溫度記錄儀。
2.2 溫度異常判斷
如圖 3 所示,eVVM 配套軟件掃描標簽后若界面顯示“預警”則提示標簽環境溫度異常,若界面顯示“通過”則表示標簽環境溫度符合要求;VVM 標簽正方形活性區域顏色與參照圓圈顏色相同或深于參照圓圈顏色時,熱敏標簽到達終點,提示環境溫度異常,若正方形顏色比圓圈淺則表示溫度符合要求,見圖 4。


2.3 統計學分析
采用 Excel 2007 建立數據庫,使用 SAS 9.4 統計軟件對數據進行描述及分析。因數據不服從正態分布,故溫度值均用中位數(四分位數間距)表示,eVVM 標簽記錄的數據及溫度記錄儀記錄的數據之間的差異用 Wilcoxon 符號秩和檢驗進行比較,P < 0.05 則認為差異有統計學意義。
3 結果
3.1 eVVM 監測的精準度評價
3.1.1 冷藏溫度(2~8℃)監測情況
對 eVVM 標簽監測冷藏溫度與溫度記錄儀監測冷藏溫度的結果繪制曲線并進行比較,eVVM 標簽監測的平均溫度、溫度最低值、溫度最高值均高于溫度記錄儀監測的溫度(W 值 = 29 126.5,P < 0.001),但仍然在規定范圍內(2~8℃)。需要提出的是,eVVM 標簽記錄數據的四分位數間距小于溫度記錄儀記錄數據的四分位數間距,從圖中也可看出標簽記錄數據的波動范圍小于溫度記錄儀記錄數據的波動范圍,提示標簽記錄溫度的穩定性良好。結果見圖 5 及表 1。


3.1.2 冷凍溫度(?20℃)監測情況
如圖 6 及表 2 所示,eVVM 標簽監測的平均溫度、溫度最低值、溫度最高值均高于溫度記錄儀監測的溫度,統計分析顯示二者間具有顯著差異(W 值 = 28 476.5,P < 0.001)。與前述結果類似,eVVM 標簽記錄數據的四分位數間距小于溫度記錄儀記錄數據的四分位數間距,且在曲線圖中也可看出 eVVM 標簽監測數據的波動范圍小于溫度記錄儀,提示標簽記錄溫度的穩定性良好。


3.1.3 高溫溫度(40℃)監測情況
對 eVVM 標簽監測高溫溫度與溫度記錄儀監測高溫溫度的結果繪制曲線并進行比較,兩種測量手段所記錄的最低值和最高值均很接近,統計分析結果顯示兩組之間無明顯差異(W 值 = 2 322.5,P = 0.195)。說明 eVVM 標簽在高溫溫度監測方面精確度與溫度記錄儀一致,結果見圖 7 及表 3。


3.2 eVVM 標簽及 VVM 標簽的環境溫度監測結果比較
3.2.1 eVVM 標簽異常事件(標簽異常、溫度記錄時間不足、標簽無響應)的發生情況及環境溫度監測結果
eVVM 標簽每 20~30 min 自動記錄上傳一次環境溫度信息,共模擬了三個環境溫度,每個環境模擬一周。在 75 個標簽中出現了 5 個標簽異常的情況,概率為 6%,其他可能出現的設備異常事件如溫度時間記錄不足、標簽無響應等均未發生。在設定正常溫度為 2~8℃ 的條件下,辨別出低溫異常和高溫異常的正確率均為 100%,結果見表 4。

3.2.2 VVM 標簽的環境溫度監測結果
VVM2、VVM7、VVM14 及 VVM30 四種類型的疫苗熱敏標簽 37℃ 下理論失效時間分別為 2、7、14、30 天,如表 5 所示,在冷藏溫度下,四種標簽均 100% 分辨正確;在冷凍溫度下,四種標簽均未能識別環境溫度的異常;在高溫溫度下,除了 VVM30,其余三種標簽均正確識別出了環境溫度的異常。

4 討論
傳染性疾病傳播性強,傳播途徑多樣,一旦暴發,嚴重影響人民群眾的健康與生活,造成的危害不可估量。2019 年底,新冠肺炎疫情暴發,該疫情的全球風險級別在短短兩個月內就被世界衛生組織(World Health Organization,WHO)上調到了“非常高”,并于 2020 年 3 月 12 日被定義為“大流行”[8-9]。面對緊張的疫情防控形勢,雖然各國采取了“阻隔”作為短期防控措施,但從長遠角度來講,一種安全有效的疫苗對于控制疫情和防止再次暴發具有重要意義[10-11]。據 WHO 的統計顯示,截至 2020 年 3 月 21 日,全球進行新冠疫苗的研發項目已有 50 個疫苗,幾乎涵蓋了目前疫苗研究的所有形式,包括滅活疫苗、重組蛋白疫苗、病毒載體疫苗等[12-13]。作為一種對溫度敏感的生物制劑,過冷或過熱均可能降低疫苗效價,增加人體接種的風險[14-15],因此,對疫苗冷鏈監測系統的研究及改良,不僅是疫苗領域的研究熱點,也是疫情防控下的當務之急。2008 年,李偉松團隊[16]提出了運用信息化手段建設疫苗冷鏈監測系統來完善疫苗流通監管的設想。隨后,越來越多的監測手段被研發出來用于監測疫苗的質量,其中 WHO 制定的 VVM2、VVM7、VVM14 與 VVM30 最為常用[17]。VVM 通過熱敏變色標簽使工作人員通過觀察標簽顏色判定疫苗是否可繼續使用[18],但該類非電子型疫苗溫度監測標簽僅能監測疫苗累積的超溫暴露結果,無法識別低溫暴露,且對于超溫暴露的環節和時間及高風險因素無法知曉,無法為提高冷鏈運轉效率提供證據[19-20]。此外,VVM 不能做到實時監測,在發生溫度異常時,不能報警。中義(北京)健康研究院研發了 eVVM 電子疫苗熱敏感標簽,該產品可以記錄具體的溫度數值,不僅可以監測疫苗冷鏈環境溫度是否存在高低溫異常,還能夠定量監測溫度,追溯整個疫苗冷鏈運輸過程中出現的薄弱環節而加以改善。
為了綜合評價 eVVM 的溫度監測效果,本文首先比較了 eVVM 標簽與溫度記錄儀記錄的數據,結果顯示,在冷藏溫度(2~8℃)及冷凍溫度(? 20℃)下,eVVM 標簽所記錄的溫度均略高于溫度記錄儀,但冷藏環境所記錄的溫度波動均在規定范圍內。高溫溫度下,eVVM 標簽所記錄的數據和溫度記錄儀相比,差異無統計學意義,說明 eVVM 標簽在高溫溫度監測方面具有良好的精確度。
本文還對 eVVM 標簽可能出現的設備異常情況進行了評判,在實驗所使用的 75 個標簽中,僅 5 個(6%)出現了標簽異常情況。與此同時,eVVM 標簽對于低溫溫度及高溫溫度的正確辨別能力均為 100%。而相比之下,四種 VVM 標簽在冷凍環境下均未正確辨別環境異常,在高溫環境下,VVM30 也未正確判斷環境異常。因此,我們認為 eVVM 標簽不僅適用于普通環境,也適用于氣溫較為嚴峻的環境,因此在提高冷鏈監測效率及準確度方面具有良好的應用前景。
綜上所述,eVVM 標簽有較高的監測精確度,且相比傳統的人工管理及 VVM 標簽,具有定量、直觀以及 24 小時不間斷記錄數據的優勢,對避免由于冷鏈過程異常溫度導致的疫苗效價降低等均具有良好的監測作用。因此 eVVM 標簽不僅有利于進一步保證疫苗接種安全,而且也能夠為相關部門對疫苗儲存及流轉進行全流程的精準監管提供依據,值得推廣與應用。
利益沖突聲明:本文全體作者均聲明不存在利益沖突。