什么叫气溶胶传播

一个病原体,到底是通过什么途径传播,其实常常有争论。BMC Infectious Diseases的这篇文章,分析了冠状病毒、流感病毒等病原体的可能传播途径,读了之后,你对气溶胶传播,会有更进一步的认识。

摘要

对大多数呼吸道传染源而言,短距离大飞沫传播是可能的,但确认一种传染源是否也能通过空气传播,对所需要进行感染控制和干预措施的类型(和成本),有潜在的巨大影响。

本文还讨论了气溶胶的概念和定义、大飞沫传播的概念,对于空气传播,多数学者认为与气溶胶传播同义,但也有些学者用空气传播这个术语,来表示大飞沫或气溶胶传播。

在讨论主要通过空气(气溶胶)途径传播的个别病原体(如肺结核、麻疹和水痘)的特定感染控制干预措施时,这些术语经常被混淆使用。因此,当认为某种特定手段(比如将要使用的个人防护设备的类型)能足以防护这种潜在的传播模式(例如,在采用N95而不是外科口罩级别的要求)时,有必要澄清此类术语的定义。

考虑到这一点,本综述斟酌了“气溶胶传播”这一常用术语,在一些公认经空气传播传染源方面的用法。本文也讨论了其他传染源,如流感病毒,其空气传播的可能性更依赖于各种宿主、病毒和环境因素,并且其气溶胶传播的可能性,可能被低估。

研究背景

一旦传染源被划分为空气传播,那么“气溶胶传播”对于医护人员如何管理此类感染者,以及他们将需要佩戴何种个人防护设备具有重要意义。用于空气传播疾病(即气溶胶传播疾病)的个人防护设备,通常比那些只用于通过大飞沫或接触传播疾病的个人防护设备更昂贵,主要由于气溶胶的两个关键特性:

  • a)它们倾向于随空气流动,这需要个人防护设备在气道周围能形成密封;
  • b)对于生物气溶胶,它们的粒径微小,需要采用较强过滤能力的个人防护设备。

根据临床和流行病学数据,最近几篇文章和/或指南强调了中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)[1、2]和埃博拉病毒[3,4]的气溶胶传播潜力。对后者的一些回应,试图把这些理论上的风险,放在更实际的角度[4],这很好地解决了目前的困惑,即如何将这些新出现或重新出现的病原体,划分为大飞沫(短距离)和空气传播(短距离和可的长距离)两类,要知道这一划分并不是绝对的,因为这两种分类下的病原体,也都有可能在近距离(即1 m范围内)通过气溶胶,在人与人之间传播。

定义

严格地说,气溶胶是指悬浮在气体中的微粒,比如空气中的小飞沫。有大量文献长期使用粒径对飞沫进行分类[5、6、7、8、9、10]。人们普遍认为:

(1)沿气流方向的空气动力学直径小于5–10μm的小颗粒,可能具有短距离和长距离传播的能力;小于5μm的颗粒很容易穿透气道,一直到达肺泡腔,而小于10μm的颗粒,很容易穿透至声门以下;

(2)直径大于20μm的大飞沫,是指那些更遵循抛物线轨迹(即主要受重力影响而下落)的颗粒,这种飞沫太大,无法遵循吸入气流的流线。对于这些粒径的颗粒,外科口罩是有效的,因为它们可作为一个直接的物理屏障,阻止这种粒径太大,而无法通过口罩边缘(外科口罩边缘并不密封)被人体吸入的飞沫;

(3)直径为10-20μm的“中间颗粒”,在某种程度上,中间颗粒具有小飞沫和大飞沫共有的某些特性,但沉降速度比小于10μm的颗粒快,且可能携带的感染剂量小于大飞沫(大于20μm)。

“气溶胶”还包括“飞沫核”,它们是气动直径小于等于10μm的小颗粒,通常通过呼出飞沫在快速干燥后产生[5,6]。然而,在某些情况下,例如在有强环境空气横流的地方,较大的飞沫能够表现得像气溶胶一样,有可能通过该路径传播感染。

由此可以推断气溶胶的几个特点,比如对下呼吸道的穿透,当粒径大于10μm时,对声门下方的穿透力迅速减弱,在该部位引发感染的可能性也随之降低。同理,直径超过20μm的飞沫,都不太可能到达该部位并引发下呼吸道感染,因为这类大颗粒,可能会冲击到呼吸道上皮粘膜表面,或在到达下呼吸道之前,被纤毛所吸附[6]。

美国传染病学会(IDSA)也提出了类似的方案[7],将“可呼吸颗粒”定义为直径不超过10μm;将“可吸入颗粒”定义为直径介于10μm和100μm之间,几乎所有这些颗粒都沉积在上呼吸道。一些作者提出了由5μm或更小的颗粒组成的“细气溶胶”一词,但这在一定程度上受到了测量仪器的限制[8]。也有学者将大飞沫或气溶胶大小的颗粒物的传播,统称为“空气传播”,或者用“气溶胶传播”来描述,可以通过各种大小的可吸入颗粒物引起疾病的病原体。

然而,我们认为,由于悬浮时间、在气道不同区域的穿透性、以及对不同个人防护设备的要求等,都有质的差异,保持<10μm颗粒和较大颗粒之间的区别是很重要的。在这篇评论中,我们使用常用的“空气传播”来表示,由粒径小于10μm的气溶胶颗粒导致的传播。

如果感染者通过呼吸、咳嗽或打喷嚏,产生不同大小的感染性飞沫,那么取决个体与感染者之间的距离,通过短程大飞沫和空气中的小飞沫核传播,都是可能的。图1说明了这些短程和长程空气传播的潜在途径,以及这些飞沫在物品表面(污染物)的后续传播过程。如果手接触了这些污染物,它们可以被手传递到粘膜中(例如眼睛、鼻子和口腔黏膜),从而引发感染。是否感染取决于特定病原体在这些表面上的存活特征,以及不同组织通过病原体被感染的易感性(与可用的、兼容细胞受体相关)。

什么叫气溶胶传播

图一

以上是在感染者和易感者之间,经由呼吸道感染的各种可能传播途径的图示,该图展示了近距离(即对话距离)空气传播和长距离(超过几米)传播的路径。橙色的人物代表感染源,白色的人物代表潜在的被感染者(右下角的小图表明,两个人都是潜在的被感染者,可能通过接触污染物表面感染)。这里的“呼吸”包括正常的呼气、咳嗽和/或打喷嚏的气流。然后,空气中的飞沫会沉积在物品表面(污染物),在这里它们可以被人手接触并携带,从而导致进一步的接触传播。

例如,当一个生物体的感染剂量(引起疾病所需的感染原的数量)较低,并且在通风不良的拥挤条件下(在医院候诊室、演讲厅、公共交通工具等),产生了大量充满病原体的飞沫时,即使对于空气传播能力存在争议的病原体,仍然可能发生爆发性爆发。例如曾在未通风的着陆飞机上,观察到多个继发的流感病例[11]。

多年来,人们以各种方式发表了更为机械的方法(即在没有任何生物相互作用的情况下,从更基本的物理和动力学表现来比较小颗粒、较大颗粒和飞沫),来分类哪些病原体可能通过空气途径传播[12、13、14、15、16、17] ,但若要对某种特定病原体在空气中传播的可能性,做出令人信服的论证,可能必须结合流行病学和环境数据来考虑,而且可能潜在的暴露场景,几乎是无限的。

环境气流对气溶胶的重要性

应该注意的是,“气溶胶”本质上是一个相对的术语,而不是一个绝对的术语。如果环境气流能够使悬浮液维持更长时间,则较大的飞沫可以在空气中停留更长时间,例如在一些强横流或自然通风环境中,通风促进的气流能够有效地传播悬浮病原体,足以在距离传染源相当远时,造成感染。

在工程计算中应用的标准规则(斯托克定律)之一,用于估算有空气阻力的飞沫在重力作用下的悬浮时间,是在假设包括环境空气静止[13、14、15、16、17]在内的几个条件下导出的。因此,如果存在显著的交叉气流,则实际的暂停时间将高得多,这在医疗环境中通常是如此,例如,不停的开门、移动床和设备,以及人们不断地来回走动。相反,即使是较小的飞沫核,如果它们遇到显著的下沉气流(例如,当它们通过天花板送风口下方),悬浮时间也会大大缩短。此外,对于不同的颗粒大小,气道的穿透程度,也取决于流速。

在使用大功率电动工具的牙科和骨科领域,即使是血源性病毒(如人类免疫缺陷病毒-艾滋病毒、乙型肝炎和乙型肝炎病毒),也可能在这些工具产生的高速血溅中,成为空气传播[18、19]。然而,它们能否通过该途径实现高效传播是值得商榷的。这也证实了另一点,尽管某些病原体,在某些情况下可以通过空气传播,但它们不一定能通过这一途径,传播感染和引起疾病。

概述

随着时间的推移,对于一种真正具有空气传播途径优势的病原体,最终将有足够数量的研究,证明其本质[13]。如果多个研究中(如流感病毒),存在持续相互矛盾的发现,则更有可能在不同的环境中,由不同的传播途径(直接/间接接触、短程飞沫、长距离甚至短程飞沫核)占主导地位[16、20],这使特定病原体的空气传播途径,更像是一种机会途径,而不是常规途径[21]。有许多例子,都可以使这一点更加清楚。

以下总结的选定病原体和支持文献,仅用于说明目的,以证明特定研究是如何影响我们,将一种传染源视为潜在空气传播,还是“气溶胶传播”。这不是一个系统性回顾,而是要说明,我们的想法,是如何随着对每一种病原体的进一步研究而改变,以及接受一个病原体是通过“气溶胶传播”的过程,对于不同的病原体来说,过程并不总是一致的。

结论和讨论

水痘

水痘是一种发热性水疱性皮疹,它是由水痘带状疱疹病毒(VZV)引起的。该病毒是脂质包裹的双链DNA病毒,从属于疱疹病毒科。

对于水痘,证据似乎主要是流行病学和临床表现,尽管这似乎足以将水痘-带状疱疹病毒(VZV),归类为一种空气传播媒介。对VZV的研究表明,该病毒明显能够传播很远的距离(即与原发病例相距数十米可发生传播、在通过走廊相连通的隔离室和其他病房之间传播、或在一个家庭内传播),引起继发感染和/或在环境中的其他地方定植[22、23、24]。此外,Tang等人[25]研究发现,空气中的VZV可能会从隔离室中泄漏出来(通过诱发的环境气流),感染易感的医护人员,最有可能是通过直接吸入途径。

麻疹

麻疹是一种发热性、皮疹性疾病,它由麻疹病毒,一种脂质包裹的负链单股RNA病毒引起的。麻疹病毒从属于副粘病毒科。

对于麻疹,有几项研究检验了一种更机械的气流动力学解释(即,基于空气传播颗粒物的基本物理特性和行为),来证实几次麻疹爆发的主要传播途径[26],其中一个研究来自Riley等[27],该研究提出了感染“量子”的概念。后来,一项回顾性气体动力学分析,研究了另两起门诊爆发的疫情,该分析为麻疹的传播途径为空气传播,提供了更多证据[28、29]。

结核

结核是一种局限性或全身性的疾病,最常见的是细菌性呼吸道疾病,它是由分枝杆菌引起的。该菌从属于结核分枝杆菌复合群。

对于肺结核,一系列豚鼠实验提供了明确的实验证据,证明空气传播对于引起疾病,是必要且充分的[30、31],最近在稍有不同的临床环境中,重复了这些实验[32]。许多疫情报告也证实,肺结核通过空气传播[33、34、35]。采用空气传播途径的干预措施的结果已经证明,这样的措施对减少肺结核传播方面,是有效的[36]。

天花

天花是一种现已根除的、发热性、水疱性皮疹和播散性疾病,是由一种复杂的双链DNA正痘病毒引起的,从属痘病毒科。主天花病毒和次天花病毒,在临床上可表现为两种形式。

对于天花,最近Milton进行了一项对文献的全面的回顾性分析,结果表明,空气传播途径在天花感染中起到了重要的作用[37]。虽然也纳入了各种空气采样和动物传播的研究,Milton还是强调临床流行病学研究显示,非空气传播途径不能单独解释所有观察到的天花病例。

一次涉及17例天花病例的医院爆发感染,做了充分的记录,关于这次爆发,只能通过假设病毒从原发病例身上,通过气溶胶传播到其它楼层来解释。回顾性烟雾示踪剂实验进一步证明,空气传播的病毒,可以通过敞开的窗户、连接的走廊和楼梯,以大致复制病例位置的模式,轻易地传播给不同楼层的患者[38]。

新出现的冠状病毒

严重急性呼吸综合征(SARS)、中东呼吸综合征(MERS)。

冠状病毒,是脂质包裹的正链单股RNA病毒,属于冠状病毒属,该属包括几种相对良性、季节性、常见的感冒病毒(229E、OC43、NL63、HKU-1)。它们还包括两种毒性更强的新型冠状病毒:2003年的严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV),以及2012年的中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)。

对于SARS冠状病毒,许多流行病学研究,包括回顾性气流示踪调查在内,符合空气传播途径的假设[39、40、41]。空气采样研究也证明了空气中存在SARS冠状病毒的核酸,尽管研究没有使用病毒培养来测试其生存能力[42]。

尽管有几项研究从临床和流行病学的角度,对SARS和MERS进行了对比[43、44、45],但对主要的传播方式,并没有进行详细的讨论。在比较潜在的感染途径时,一些其他研究确实提到了空气传播的可能性,但主要与超级传播事件、产生气溶胶的程序(如,支气管肺泡灌洗)、和/或预防性感染控制措施需要考虑的潜在途径有关[46、47、48]。然而,从已发表的关于MERS和SARS的各种研究来看,虽然在不同的条件下会有区别(例如,取决于宿主和环境因素),但是否有部分病例是通过空气传播的,还存在争议。无症状感染者的病例,在这当中所起的作用,也并未明确[49]。

对于SARS和MERS,通常来说,在上呼吸道样本中,没法检测到病毒的情况下,下呼吸道样本提供了最好的诊断结果[50、51、52]。此外,有症状的感染病人,往往发展为严重的下呼吸道感染(而非上呼吸道感染)。这两个方面都表明,这是一种空气传播的病毒,在引起疾病之前,必须直接穿透至下呼吸道,并且先在此处复制。

对于MERS冠状病毒,最近的一项研究表明,在人上呼吸道细胞中,没有二肽基肽酶4(DPP4)的表达,DPP4是病毒使用的识别受体。上呼吸道并未发现替代受体[53]。因此,人的上呼吸道几乎不支持MERS冠状病毒的复制,这表明成功的感染,只能通过将适当大小的“飞沫核”颗粒,直接吸入下呼吸道。也即,MERS冠状病毒的传播导致MERS疾病的条件是,含有病毒的飞沫足够小,小到能够吸入到病毒可以复制的下呼吸道中。

流感

流感是季节性的、通常会发热的呼吸道疾病,是由几种流感病毒引起的。这些病毒是脂质包裹的、负链单股分段RNA病毒,从属于正粘病毒科。流感病毒是目前唯一一种、有标准授权的抗病毒药物和疫苗的、常见季节性呼吸道病毒。

对于人类流感病毒来说,究竟它是空气传播还是大飞沫传播,可能是最有争议的[54、55、56、57]。在人体志愿者的实验性接种实验中,雾化流感病毒的感染剂量远低于鼻腔滴注[58]。可能的答案是,这两个途径都是可能的,在不同的情况下,这些途径的重要性和意义会有所不同[16、20、21]。

例如,加强对环境的控制,可以减少或防止空气传播:

(1)在单床负压隔离室隔离感染患者[25];

(2)控制环境相对湿度,以减少空气中流感病毒的存活率[59];

(3)为了减少患者通过咳嗽、打喷嚏或呼吸产生的气溶胶的暴露,可以采用以下措施:给患者佩戴口罩,减少源头排放;和/或给医护人员使用个人防护,以减少受者暴露[60];

(4)任何呼吸辅助设备(高流量氧气面罩、雾化器) 仅允许在指定的封闭区域或房间内使用,从而控制其使用和暴露[61]。氧气面罩的侧方排气孔和雾化器排出的气流,包含患者呼出的空气(可能携带空气中的病原体),进入的是高流量氧气或携带雾化药物的空气的混合物。这些排出的气流,可能成为空气中病原体的潜在来源。

大量研究表明,自然感染流感的人类受试者呼出的气体中,会释放出流感RNA[62、63、64、65、66],并可在环境空气中检测到流感RNA[67、68、69]。最近,一些研究表明,在流感病毒RNA含量高的空气样本(通过PCR检测)中,几乎没有活病毒[70]或数量显著降低[66、71、72]。活病毒颗粒数量较少很难解释,因为培养法本身就不如PCR等分子方法敏感,不过空气采样的实际操作中,剪切应力对病毒粒子的损伤,也会导致采集样本的感染性下降,这可能会导致低估了这些环境气溶胶中的活病毒数量。

另一个需要考虑的变量是,一些动物研究报告称,不同种的流感病毒株在气溶胶传播能力上,可能存在很大差异[73]。

在一些讨论流感病毒主要传播方式的早期文章中[74、75、76、77、78],同样的问题得到了不同的结论。研究中阐述的证据,大部分是来自临床和流行病学的,包括一些动物和人类志愿者的研究,而不是物理和机械的。然而,这种在不同情况下混合的传播方式,可能是最真实的。

值得注意的是,目前有一些传染病,可以通过其典型表现和确定的临床病理学特点,确认为经空气传播,如麻疹、水痘和结核。相比之下,流感病毒感染的临床表现与其他呼吸道病毒有许多相似之处,且有混合性爆发的记录[79]。因此,该领域有一个普遍存在的误区,是将“呼吸道病毒”作为一个整体进行研究,鉴于这些病毒属于不同的属和科,具有不同的理化性质,以及不同的病毒特性,假设关于一种病毒的任何结论,可以应用于另一种病毒,是不明智和不准确的,比如在一项对59篇已发表的关于减少呼吸道病毒传播的干预措施研究的Cochrane 综述中,实际上只有两项研究是只针对流感病毒的[80]。正如作者自己所指出的,可能缺乏流感病毒的特异性结论。

虽然大部分空气传播的感染具有高度传染性,但严格来说,这并不是其定义中的一部分。即便如此,流感的低传染性(例如与麻疹相比),被认为是反对空气传播即高传染性的一个证据。然而,应该注意的是,流感病毒感染的一个特点是潜伏期(通常为1-2 天)比其清除的时间短得多。这使得易感人群有可能在暴发期间,接触到多于一代的几种不同的传染病病例。多次暴露和世代重叠,可能导致流感病毒的传播能力被低估,因为只有较少的继发病例关联已知的原发病例,而事实上每个原发病例感染的病例数,可能要高得多。例如已知在某些情况下,一个原发病例可以感染大量的人,例如阿拉斯加航空公司航班上爆发的38人[11]。

埃博拉

埃博拉病毒是一种病毒性出血热,由埃博拉病毒引起,具有极高的死亡率。这些病毒是有包膜的负链单股RNA病毒,从属于丝状病毒科,包含五种病毒。有四种埃博拉病毒与人类疾病有关;2013-2016年,西非爆发的埃博拉扎伊尔病毒是疫情最广泛,也是最近的一次。Osterholm等对埃博拉病毒的传播,进行了深入的调查。这些研究者注意到了广泛的组织倾向性,以及在疾病期间达到的高病毒载量和低致感染剂量,由此看来,该病毒具有一种以上的传播方式,是不可回避的。

关于气溶胶传播,引起大家关注的是,在实验室环境下,在没有直接接触的动物之间传播埃博拉病毒[81、82]的一些记录实例(也在[4]中进行了综述)。埃博拉病毒气溶胶感染恒河猴的实验证明是非常有效的[83、84],而且这个实验程序,实际上已经被用作埃博拉疫苗研究中的感染挑战[85、86]。经气溶胶暴露感染的恒河猴可成功发展成播散性、致命性感染,基本上类似有呼吸道感染参与的肠外感染。尸检显示,经气溶胶途径感染的动物,其呼吸道和呼吸道淋巴系统有病理学表现,而经肠外感染的动物则没有。[83、84]

在埃博拉病例的人体尸检中,此类呼吸道病理损害尚未报告,但Osterholm等人指出[4],几乎没有人对埃博拉病例进行尸检,可以说因为尸检数量太少,无法明确排除通过气溶胶途径获得疾病的可能。因此,预防原则将要求对受感染的患者,采取气溶胶预防措施,特别是考虑到此类患者的呼吸道感染,不一定会造成气溶胶危害:在患病期间,埃博拉病毒在血液或其他体液中,会达到非常高的滴度[87、88],血液或其他液体的雾化,会造成严重的空气传播危害。

结论

总之,目前有许多对病原体的机械性能方面的争议(关于哪些病原体具有空气传播的潜能,因而是有可能通过气溶胶传播的),如果我们撇开这些争议,最终主要决定因素,可能是有多少不同方法的研究(采用临床、流行病学的经验法,和/或采用动物模型的实验法,和/或采用气流示踪剂和空气取样的机械法),得到一致的结论。随着时间的推移,科学界最终将对特定病原体的主要传播途径,形成统一意见,即便结论是混合传播途径,在不同的情况下由不同的传播途径占主导地位。就如同流感病毒的情况,可能是最真实的情况。

部分具有多种传播方式的细菌和病毒感染,也具有各向异性,如炭疽、鼠疫、土拉热菌病和天花:疾病的严重程度取决于传播方式[37、89]。对于流感,在志愿者身上进行的较早的实验性感染实验表明,气溶胶传播与更严重的疾病有关[14、90],最近的一些现场观察结果与这一观点一致[57]。对于各向异性的介质,即使一种传播方式(如气溶胶)只占少数情况,但如果该传播途径可导致最严重的病例,则该传播途径也是需要预防的。

翻译:成熙

校对:林思思

来源:BMC Infectious Diseases


简介:主人有点忙,还没来得及写简介~
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