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科學:新冠肺炎病毒(SARS-CoV-2)的空氣傳播

減少SARS-CoV-2的傳播

 

呼吸道感染的發生是通過在呼吸,說話,咳嗽和打噴嚏時從受感染者呼出的含病毒的小滴(> 510 µm)和氣溶膠(≤5µm)傳播而發生的。傳統的呼吸系統疾病控制措施旨在減少感染者打噴嚏和咳嗽時產生的飛沫傳播。然而,冠狀病2019傳播的大比例(COVID-19)似乎通過無症狀個體產生的氣溶膠的空氣傳播的呼吸和說話。氣溶膠會積聚,在室內空氣中保持感染力達數小時之久,並且很容易被吸入肺深處。為了使社會恢復,必須執行旨在減少氣溶膠傳播的措施,包括通用掩蔽和定期,廣泛的測試,以識別和隔離受感染的無症狀個體。

 

人類產生的呼吸滴為0.11000 µm。液滴尺寸,轉動慣量,重力,和蒸發之間的競爭確定多遠射出液滴和氣溶膠將在空氣。較大的呼吸液滴在重力作用下的沉降速度要比其蒸發快,從而污染表面並導致接觸傳播。較小的液滴和氣溶膠的蒸發速度快於其沉降的速度,並具有浮力,因此會受到氣流的影響,氣流會將它們傳送更長的距離。因此,有兩種主要的呼吸道病毒傳播途徑:接觸(人與人之間以及被污染表面的直接或間接接觸)和空中吸入。

 

除了有助於擴散的程度和傳播方式外,呼吸滴的大小也已顯示出會影響疾病的嚴重程度。例如,流感病毒通常包含在尺寸小於1 µm(亞微米)的氣溶膠中,導致更嚴重的感染。在嚴重急性呼吸系統綜合症冠狀病毒2SARS-CoV-2)的情況下,可能會將含亞微米病毒的氣溶膠深深地轉移到肺的肺泡區域,那裡的免疫反應似乎暫時被繞開。已顯示SARS-CoV-2的複制速度比SARS-CoV-1快三倍,因此可以迅速擴散到咽部,在先天免疫反應被激活並產生症狀之前,它可以從咽部脫落。當症狀出現時,患者已經傳播了該病毒,而不知情。

 

確定被感染的個體,以遏制SARS-COV-2傳輸更具挑戰性比SARS及其他呼吸道病毒感染,因為個人可以是數天傳染性極強,峰值或出現症狀。這些無聲的子可能是SARS-CoV-2傳播擴大的關鍵驅動力。據估計,在中國武漢,未診斷出的COVID-19感染病例無症狀,佔病毒感染的79%。因此,定期進行廣泛的檢測對於識別和隔離感染的無症狀個體至關重要。

 

空氣傳播被確定在2003SARS爆發期間發揮作用。但是,許多國家尚未意識到空中傳播是SARS-CoV-2的可能途徑。最近的研究表明,除飛沫外,SARS-CoV-2也可能通過氣溶膠傳播。在中國武漢的一家醫院中進行的一項研究發現,離患者6英尺遠的氣溶膠中的SARS-CoV-2濃度更高,在更擁擠的區域中檢出的濃度更高。使用SARS-CoV-2的平均痰病毒載量進行的估算表明,大聲說話1分鐘可能會產生> 1000含有病毒體的氣溶膠。假設被感染的超級發射體的病毒滴度(病毒載量比平均水平高100倍)會導致每分鐘說話的散落液滴中病毒粒子增加到100,000多個。

 

美國疾病控制與預防中心(CDC)提出的6英尺距離社交距離和洗手以減少SARS-CoV-2傳播的建議基於對1930年代進行的呼吸道飛沫的研究。這些研究表明,在咳嗽和打噴嚏中迅速產生約100 µm的大液滴,並因此受到重力沉降。但是,進行這些研究時,不存在用於檢測亞微米氣溶膠的技術。作為比較,計算預測在靜止空氣中,一個100 µm的液滴將在4.6 s內從8英尺處沉降到地面,而一個1-µm的氣溶膠粒子將需要12.4小時。現在的測量表明,劇烈的咳嗽和打噴嚏將更大的液滴推到20英尺以上,也會產生成千上萬的氣溶膠,它們甚至可以傳播得更遠。對SARS-CoV-2越來越多的證據表明了6英尺CDC建議可能不夠多室內條件下,其中氣霧劑可以在空氣中停留幾個小時下,隨時間而積累,並按照距離上的氣流進一步超過6英尺。

口罩減少空中傳播

無症狀感染者可在呼吸和說話期間釋放傳染性氣溶膠顆粒。沒有遮罩會使曝光最大化,而通用遮罩會使曝光最少。

圖形:V. ALTOUNIAN /科學

 

正確配戴口罩是減少SARS-CoV-2空中傳播的重要工具,尤其是在密閉空間中,例如在俄羅斯的莫斯科地鐵上。

照片:SERGEI FADEICHEV / TASS通過GETTY IMAGES

 

在室外環境中,許多因素將決定濃度和傳播距離,以及呼吸道病毒在氣溶膠中是否仍具有傳染性。微風和風經常發生,並且可以將傳染性飛沫和氣溶膠長距離傳輸。在運動時說話的無症狀個體可以釋放出傳染性氣溶膠,這些氣溶膠可以被氣流吸收。病毒的濃度將在戶外被更快地稀釋,但是關於SARS-CoV-2在戶外傳播的研究很少。另外,SARS-CoV-2可以被陽光中的紫外線輻射滅活,它可能對環境溫度和相對濕度以及在高污染區域中存在的大氣氣溶膠很敏感。病毒會附著在其他顆粒上,例如灰塵和污染,這會改變空氣動力學特性並增加擴散。而且,生活在空氣污染濃度較高的地區的人們被證明患有COVID-19的嚴重程度更高。由於呼吸道病毒在被潛在宿主吸入之前可以長時間在空氣中傳播,因此需要進行研究以表徵導致各種條件下在各種室外環境中隨時間推移導致感染力喪失的因素。

鑑於人們對傳染性呼吸道飛沫的產生和空氣傳播行為知之甚少,因此很難為社會疏遠定義一個安全距離。假設SARS-CoV-2病毒粒子包含在亞微米的氣溶膠中(與流感病毒一樣),可以很好地比較呼出的香煙煙霧,其中也包含亞微米的微粒,並且可能遵循可比的流量和稀釋模式。與吸煙者聞到香煙煙霧的距離表示在周圍環境中可以吸入傳染性氣溶膠的距離。在沒有症狀的密閉房間中,傳染性氣溶膠濃度會隨著時間增加。總體而言,在室內被感染的可能性將取決於吸入的SARS-CoV-2總量。最終,通風量,人數。由於這些原因,即使在相距6英尺的室內也要戴好合適的口罩,這一點很重要。空中傳播可能部分解釋了向醫務人員的高次要傳播率以及護理設施的重大爆發。導致感染的SARS-CoV-2的最低劑量是未知的,但是已經記錄到通過氣溶膠的空氣傳播可傳播其他呼吸道病毒,包括麻疹,SARS和水痘。

由未經診斷的感染引起的空氣傳播,將持續破壞即使是最嚴格的檢測,追踪和社會隔離計劃的有效性。在有證據表明無症狀個體的空氣傳播可能是COVID-19在全球蔓延的關鍵驅動因素之後,疾病預防控制中心建議使用布面罩。口罩提供了重要的屏障,可減少呼出氣中感染性病毒的數量,尤其是對無症狀者和症狀較輕的人(見圖)。外科口罩材料通過大大降低空氣傳播的病毒濃度降低了COVID-19的可能性和嚴重性。口罩還可以保護未感染個體免受SARS-CoV-2氣溶膠和飛沫的侵害。因此,在有可能積聚高濃度病毒的條件下佩戴口罩特別重要,例如醫療場所,飛機,飯店和其他擁擠且通風不良的地方。最近發現,正確安裝的自製口罩中使用的不同材料,厚度和層的氣溶膠過濾效率與測試的醫用口罩相似。因此,通用掩膜的選擇不再因短缺而受阻。

根據流行病學數據,在減少COVID-19傳播方面最有效的地方已實施了通用掩蔽,包括台灣,日本,香港,新加坡和韓國。在與COVID-19的鬥爭中,台灣(人口2400萬,第一批COVID-19病例於2020121日發生)未在大流行期間實施封鎖,但仍維持441例低發病率和7例死亡(截至2020521日) 。相比之下,紐約州(人口約2000萬,首例COVID病例是202031日),病例數(353,000)和死亡人數(24,000)更高。台灣政府通過迅速啟動其在SARS爆發後製定的流行病應對計劃,制定了一系列積極措施,成功阻止了SARS-CoV-2的傳播,其中包括在一月份建立了中央流行病指揮中心,使用技術來檢測和跟踪受感染的患者及其親密接觸,也許最重要的是,要求人們在公共場所戴口罩。政府還通過禁止口罩生產商出口醫用口罩,實施確保所有人都能以合理價格購買口罩的製度以及增加口罩生產的方式,來確保醫用口罩的可用性。在其他國家/地區,口罩普遍短缺,導致大多數居民無法使用任何形式的醫用口罩(實施制度,確保每個公民都能以合理的價格購買口罩,並增加口罩的生產。在其他國家/地區,口罩普遍短缺,導致大多數居民無法使用任何形式的醫用口罩(實施制度,確保每個公民都能以合理的價格購買口罩,並增加口罩的生產。在其他國家/地區,口罩普遍短缺,導致大多數居民無法使用任何形式的醫用口罩。可用性和戴口罩的廣泛採用之間的顯著差異可能影響了COVID-19病例的數量少。

必須承認病毒的氣溶膠傳播是導致傳染性呼吸道疾病傳播的關鍵因素。有證據表明,SARS-CoV-2在無症狀的高度傳染性感染個體呼出的氣溶膠中悄悄傳播。由於尺寸較小,氣溶膠可能導致COVID-19的嚴重程度更高,因為含病毒的氣溶膠會更深地滲透到肺部。必須採取控制措施以減少煙霧傳播。需要採取多學科的方法來解決導致呼吸道病毒的產生和空氣傳播的各種因素,包括引起COVID-19的最低病毒滴度;在感染之前,之中和之後,病毒載量隨液滴大小的變化而變化;病毒在室內和室外的生存力;傳播機制;空氣中濃度 和空間模式。還需要對不同類型的掩模的濾波效率進行更多的研究。COVID-19啟發了研究,已經使人們對空中傳播呼吸道疾病的重要性有了更好的了解。

 

資料來源:美國科學促進會(AAAS) 科學期刊 https://science.sciencemag.org/content/368/6498/1422.full