到底什么是"气溶胶"?看完这篇文献综述你就明白了

时间:2020-03-10 23:33:02 作者:admin 热度:99℃

(原标题:到底什么是“气溶胶”?看完这篇文献综述你就明白了)

中国国家卫生健康委员会日前发布的《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第五版)》中,对于病毒传播途径的描述,除“经呼吸道飞沫和接触传播是主要的传播途径”外,新补充了“气溶胶和消化道等传播途径尚待明确”。

2月9日,国务院联防联控机制召开新闻发布会上,中国疾病预防控制中心研究员冯录召就网友关心的气溶胶是否传播新冠病毒的问题作了回答。

冯录召称,目前新型冠状病毒最主要的传播途径是近距离的呼吸道飞沫传播,还有间接的接触传播,气溶胶传播和粪—口传播途径有待进一步的明确。流行病学调查显示,多数病例是可以追踪到跟确诊病例有密切接触史的,这个情况符合当前飞沫传播和接触传播的一些特征。

冯录召表示,具体什么是气溶胶传播,气溶胶传播是指飞沫在空气中悬浮的过程中,因为失去水分,剩下的蛋白质和病原体组成核,就形成了飞沫核,这个飞沫核可以飘到更远的地方造成远距离的传播,这个就是气溶胶传播,一般情况下在特定的环境里面,可能发生气溶胶传播。比如说在一些临床气插管中,目前没有证据显示新冠病毒通过气溶胶传播。

到底什么是气溶胶?看完这篇文献综述你就明白了

2月9日,武汉市武昌区昙华林社区工作人员为社区居民发放防护物资。 新华社记者 李贺 摄

要想了解“气溶胶”传播,就得首先明白到底什么是“气溶胶”?此前人类又发现哪些疾病可能通过气溶胶传播?

2019年1月31日,英国莱斯特大学医学院感染、免疫和炎症科教授Julian W. Tang在权威学术期刊BMC Infectious Diseases《BMC传染病》上发表了一篇关于气溶胶的综述性文章。Julian W. Tang还与全球多地的工程学专家在与空气传播感染控制有关的气溶胶传播和气流动力学方面进行积极的合作。他现在还担任《PLOS ONE》的学术编辑和《感染、遗传学和进化》特刊的客座编辑。

这篇题为“Recognition of aerosol transmission of infectious agents: a commentary”(《评论:对于传染源气溶胶传播的认识》),对气溶胶传播进行了详尽的阐述。以下为澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者对论文的全文翻译:

摘要

尽管对于大多数呼吸道传染源而言,短距离飞沫传播是可能的,但确定同一传染源是否也通过空气传播,对所需的感染控制干预措施的类型(和成本)有着巨大的潜在影响。

气溶胶的概念与定义也常被讨论,它常被和飞沫传播混为一谈。有些作者用“气溶胶”代表“飞沫传播”或者“气溶胶传播”,大多数作者还认为空气传播是气溶胶传播的代名词,

但是,在讨论针对个别能够通过空气(气溶胶)途径传播病原体,以及针对该病原体特定感染控制干预措施时,这些术语经常被混淆使用,比如肺结核,麻疹和水痘。

因此,当我们需要知道某种特定的干预措施,如要使用的个人防护装备(PPE)的类型是否能被视为足以预防感染发生(比如是否需要佩戴N95而非外科口罩)的时候,弄清这样的术语是十分重要的。

在这种情况下,这篇评论认为“气溶胶传播”是针对一些传染病的常用术语,这些传染病已被公认可以通过空气传播。此文还讨论了其他病原体,例如流感病毒,其空气传播的潜力更多地取决于不同的宿主、病毒和环境因素,并且其气溶胶传播的潜力可能被低估了。

背景

如果一种传染源从分类上来说可以通过空气传播,那么“可通过气溶胶传播”的判断对于医护人员如何与确诊病人接触、使用怎样的个人防护装备就有十分重要的意义。

用于预防空气传播的传染源(比如气溶胶传播)通常比预防仅通过飞沫或接触传播的传染源的个人防护装备更贵。原因与气溶胶的特点有关:一是它们跟随气流流向,这需要人防护装备在气道周围紧密密封;二是对于生物气溶胶而言,它们的尺寸很小,要求人防护装备增强过滤能力。

近期基于临床的几篇文章、指南和流行病学数据,突出显示了中东呼吸综合症(MERS-CoV)和埃博拉病毒可能存在的气溶胶传播途径。针对后者的一些研究回应试图将这些理论风险放在更实际的角度,并且这很好地说明了将这些爆发或再次爆发的病原体分类是件多么令人困惑的事,很难将它们分成飞沫(短程)传播或是空气传播(短且可能远程)传输类别。

但是,这种阐述并非是非黑即白的,而是相对的。因为这两种都有可能通过气溶胶进行近距离人际传播(与感染者1米以内)。

定义

严格来讲,“气溶胶”指的悬浮在气体中的颗粒,例如空气中的小液滴。多年来,有很多已出版的相关研究通过颗粒直径对其进行分类。

例如,普遍上认为:

一是沿气流流线运动的空气动力学直径小于5C10μm的小颗粒具有潜在的短距离和长距离传播能力;<5?μm的颗粒能够轻易穿透气道一直到达肺泡腔,<10?μm的颗粒容易穿透声门下方。

二是直径> 20μm的大液滴,它们更容易在重力影响下沉降,由于液滴太大,它们无法沿吸入气流流线运动。对于这种粒径,佩戴普通外科口罩即可起到有效防护作用,这种大液滴由于直径太大,也不会通过口罩两侧(没有紧贴皮肤的地方)被吸入呼吸道。

三是直径为10-20μm的“中间颗粒”,它们在某种程度上兼有小颗粒和大液滴的一些特性,但沉降速度比小于10μm的颗粒快,且可能携带的病原体剂量比大于20μm的大液滴小。

“气溶胶”还包括“液滴核”,它们是空气动力学直径为10μm或更小的小颗粒,通常在呼出的呼吸液滴快速干燥过程中产生。

但是,在某些情况下,例如周围空气流动强,较大的液滴也会像气溶胶一样表现,并有可能通过此途径传播感染。

我们由此可以推断出,当颗粒直径大于10?μm时,在下呼吸道(LRT)和声门以下的穿透力迅速减弱,在该部位引发感染的可能性也迅速降低。

类似地,直径大于20?μm的颗粒引发感染的可能性更小,因为此类大颗粒可能粘附到呼吸道上皮粘膜表面,或在进入下呼吸道前被纤毛缠住。

美国传染病学会(IDSA)提出了一个一般意义上的定义方案,将直径小于等于10μm的颗粒定义为“可入肺颗粒(respirable particles)”;直径在10μm到100μm之间的叫做“可吸入颗粒(inspirable particles)”,这些几乎全部都沉积在上呼吸道。

一些作者提出了“精细气溶胶(fine aerosols)”,由直径5μm或更小的颗粒组成,但这有时受到测量仪器的限制。几位论文作者将通过大液滴或气溶胶大小的颗粒传播一起称作“空气传播”,或使用“气溶胶传播”描述可以通过吸入任何大小的颗粒引起疾病的病原体。

但是,我们认为将直径小于10微米的颗粒和其他更大一些的颗粒区分开来是重要的,因为它们在质量上的显著差异意味着不同的悬浮时间,渗透气道区域以及对个人防护装备的要求。

在本文中,我们用“空气传播”指代最为常见的一种定义,即病原体通过直径小于10微米的气溶胶大小的颗粒进行的传播。

如果被感染的病人由于呼吸、咳嗽或打喷嚏制造了不同大小的传染性飞沫,那么个体之间无论是短距离呼吸道飞沫传播,还是空气中的小液滴核传播都是可能的,传播方式取决于与患者源的距离。

到底什么是气溶胶?看完这篇文献综述你就明白了

短程和长程气溶胶传播的潜在途径,以及这些液滴在表面(媒介)的沉降

在这些表面上,病原体经手触摸传播,然后自行接种到比如眼睛、鼻子和嘴的粘膜中,引起感染,这取决于这些表面上单个病原体的存活特征,以及暴露组织对病原体感染的易感性(与可用的兼容细胞受体有关)。

举例来说,当一个有机体的感染剂量(引起疾病所需的传染源数量)较低,且在通风不良的拥挤条件下(医院候诊室、演讲厅、公共交通工具等),即使对于空气传播能力存疑的病原体,在这样的环境下产生大量充满病原体的液滴时,仍可能发生爆炸式爆发。

例如在一架没有任何通风的已经落地的飞机上,由流感引发的多个继发病例亦可被观察到。

过去几年里,一些研究通过更加机械化的方法(例如,在没有任何生物相互作用的情况下,从更基本的物理和动态行为出发,研究从小到大的颗粒和液滴尺寸)对可能通过空气传播的病原体进行了分类。但是对于任何特定病原体在空中传播的可能性,可能必须结合流行病学和环境数据加以考虑,以使人信服,更何况潜在的暴露场景数量实际上是无限的。

环境气流的重要性

值得注意的是,“气溶胶”本质上是一个相对的而非绝对的概念。

如果环境气流能够使悬浮液滴维持更长时间,则较大液滴也可以在空气中停留更久,从而在相当远的距离处造成感染。

例如,在某些强交叉气流或自然通风的环境中,通风引起的气流可以有效地传播悬浮的病原体,从而在距离传染源相当远的地方引起感染。

在工程计算中应用的、用于估计液滴在重力作用下的悬浮时间的一种标准规则(斯托克定律)是在多种假定条件下得出的,这些假定条件包括环境空气静止(不流动)。

因此,当环境中存在大量交叉气流流动时,液滴实际的暂停时间将大大增加。这在医疗环境中很常见,例如开门、床和设备的移动、人们不断来回走动带来的气流流动。

相反,即使液滴核较小,如果它们遇到明显的下降气流,则悬浮时间也可以大大减少(例如当它们通过天花板供气口下方时)。

此外,不同的大小的颗粒对于气道穿透的程度也取决于流速。

在使用高功率电动工具的牙科和整形外科领域,即使血液传播的病毒(如人类免疫缺陷病毒CHIV,乙型肝炎和乙型肝炎病毒)也能够通过空气传播,因为这些工具使带有病毒的血液高速喷溅在空气中。然而,它们是否可以通过此路径进行有效传输还有待辩论。

这说明了另一点,即尽管某些病原体在某些特定情况下可以进行空气传播,但不一定通过这种途径传播感染并引起疾病。

概述

随着时间的流逝,对于以空中传播作为真正主要的传播途径的病原体,最终将有足够数量的研究证明其真实性。

但如果多项研究(例如流感病毒)中存在持续矛盾的发现,则各种传播途径(直接/间接接触,短距离飞沫,长距离甚至短距离的气溶胶飞沫核)可能在不同的环境中成为主要传播途径,这使得特定病原体的空气传播途径更多是机会途径,而不是常规途径。有几个例子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,证明具体研究如何影响我们认为这类传染源为潜在的空气传播和“气溶胶传播”的方式。它并不是要进行系统的审查,而是要说明我们对每种病原体的进一步研究可能会改变我们的思维方式,以及不同病原体的“气溶胶传播”并不总是遵循一致的方法。

结果和讨论

水痘

水痘是由带水痘状疱疹病毒(VZV)引起的发热、发水疱疹病,VZV是由脂质包裹的双链

DNA病毒,疱疹病毒科成员。

对于水痘,主要来自流行病学和临床的证据似乎足以证明水痘带状疱疹病毒(VZV)能够空气传播。

对水痘带状疱疹病毒(VZV)的研究表明,该病毒明显能够传播很远的距离,高达数十米,可在隔离室和走廊相连的其他病房区域之间传播,或在家庭内传播,从而引起继发感染。

此外,VZV可能会从隔离室中泄漏出来,经环境气流传输,医务人员最容易因直接吸入而被感染。

麻疹

麻疹(也叫风疹)是由麻疹病毒引起的发热性皮疹疾病,麻疹病毒是脂质包裹的单链负义RNA病毒,属于副粘病毒科成员。

针对麻疹的几项研究针对有关几起麻疹爆发的主要传播途径,他们研究了更机械的空气流动力学解释(即基于空气中颗粒物的基本物理学和行为),其中包括莱利(Riley)及其同事使用了“量子”感染概念。

随后,发生在门诊部的另外两起麻疹疫情,经回顾性气流动力学分析,为麻疹在空气中的可传播性提供了更多证据。

肺结核

肺结核是一种局部或全身性疾病,但最常见的是由结核分枝杆菌复合群中的分枝杆菌引起的呼吸道细菌性疾病。

对于肺结核(TB),一系列豚鼠实验已经提供了确定且充分的实验证据,证明其通过空气进行传播,最近在稍有不同的临床背景下对这一结论又进行了重复。

其他大量报告也证实了肺结核可通过空气传播,特别针对空气传播途径的干预措施已被证明可以有效减少肺结核的传播。

天花

天花是由复杂的双链DNA正痘病毒(Poxviridae家族)引起的发热,水疱疹和弥漫性疾病,现已被消灭。天花在临床上可以以两种形式出现,即大天花或小天花。

对于天花,Milton最近对文献进行的全面回顾性分析表明,空中传播途径对该感染具有重要作用。

在分析各种空气采样和动物传播研究的基础上,Miltion还强调了临床流行病学研究,在该研究中仅通过非空气传播途径无法实现所有观察到的天花病例。

在一次有据可查的医院爆发中,一共涉及17例天花,只能通过假设病毒从索引病例(指记录的感染病毒的首个病例)在几个楼层之间的气溶胶传播来解释。

回顾性烟雾示踪实验证明,空气传播的天花病毒可以通过敞开的窗户和连接走廊和楼梯间的方式,轻易地传播到不同楼层的患者身上。

新兴冠状病毒:严重急性呼吸道综合征(SARS),中东呼吸综合征(MERS)

冠状病毒是脂质包裹的单链正向RNA病毒,属于冠状病毒属,包括几种相对温和的常见季节性感冒病毒(229E,OC43,NL63,HKU-1)。

它们还包括两种新的更具毒性的冠状病毒:严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV),2003年在人类中出现;以及中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV),于2012年开始感染人类。

对于SARS-CoV,包括回溯性气流示踪研究在内的数项详尽的流行病学研究与其空气传播途径的假设相符。空气采样研究还证明了空气中存在SARS-CoV核酸(RNA),尽管它们在病毒培养中被证明是没有活力的。

尽管有几项研究从临床和流行病学的角度对SARS和MERS进行了比较和对比,但仍未详细讨论它们主要的传播方式。

在潜在的感染途径中,其他几项研究的确提到了空气传播的可能性,但主要涉及超级传播事件或“雾化程序”(例如支气管肺泡灌洗)以及/或者预防感染的控制措施。

然而,从各种已发表的研究中,对于MERS和SARS而言,尽管在不同情况下(例如不同的宿主和环境因素)病毒传播可能有所不同,但有证据表明一部分传播是通过空气传播发生的。无症状病例对于病毒空气传播的贡献也不确定。

对于SARS和MERS,在上呼吸道(URT)样本中不存在任何可检测到的病毒的情况下,下呼吸道(LRT)样本通常提供最佳的诊断结果。此外,受感染的有症状患者倾向于产生严重的下呼吸道感染,而不是上呼吸道疾病。

这两个方面都表明,这种空气传播的病原体必须直接渗透到LRT中,从而在引起疾病之前优先在下呼吸道中进行复制。

特别是对于MERS-CoV,最近的一项研究表明,在人的URT细胞中不存在二肽基肽酶4(DPP4)的表达,而DPP4是MERS病毒确定使用的受体,寻找替代受体的结果是阴性的。

因此,人类URT似乎很少或不允许MERS-CoV复制,这表明成功的感染只能通过直接吸入适当大小的“液滴核状”颗粒进入LRT来实现。

这使得任何导致MERS疾病的MERS-CoV传播都取决于含有病毒的小液滴的存在,这些小液滴应足够小以能够被吸入到LRT中,在LRT中病毒可以复制。

流感

流感是季节性的,通常是高热的呼吸道疾病,由几种流感病毒引起。它们属于正粘病毒科,是脂质包裹的单链负义分段RNA病毒。当前,流感是唯一有获得许可的抗病毒药物和疫苗的常见季节性呼吸道病毒。

对于人类流感病毒而言,空气传播和大液滴传播的问题可能是最有争议的。在人类志愿者的接种实验中,雾化的流感病毒的传染性远低于鼻腔滴注。一个可能的解释是两种传播路线都是可能的,并且每种路线的重要性在不同情况下也会有所不同。

例如,更严格的环境控制可以减少或防止通过以下方式进行空气传播:

1)在单床负压隔离室中隔离传染病患者;

2)控制环境相对湿度以减少空气中的流感病毒生存;

3)使用个人防护装备(戴口罩)减少对患者通过咳嗽,打喷嚏或呼吸产生的气溶胶的暴露:让患者戴口罩以减少传播源,和/或让医护人员使用个人防护装备以减少接受者的暴露

4)仔细控制任何呼吸辅助设备(高流量氧气面罩,雾化器)的使用和暴露:仅允许在指定的收容区域或房间内使用

从氧气面罩和雾化器侧面通风孔排出的气流将包含患者呼出的空气(可能携带空气传播的病原体)和刚刚进入的高流量氧气或携带药物的空气的混合物。这些排出的气流可能成为空气传播病原体的潜在来源。

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,并在环境空气中能够检测到流感RNA。

最近的一些研究表明,通过PCR(polymerase chain reaction)检测,高流感RNA水平的空气样本中不存在或存活病毒数量大大减少。这一研究结果很难解释,因为培养方法本身不如PCR等分子检测方法敏感,并且由于剪切应力对病毒体的损害,空气采样本身的实际操作也会导致收集的样本感染性下降。这可能导致我们低估了这些环境气溶胶中活病毒的数量。

需要考虑的另一个变量是,一些动物研究报告表示,不同株的流感病毒的气溶胶传播能力可能差异很大。

在讨论流感病毒传播主要方式的一些较早的文章中,对于同样的问题也有不同的结论。

用于支持其观点的大多数证据更多是基于临床和流行病学的,包括一些动物和人类志愿者研究,而不是物理和机制研究。然而,这种在不同情况下传播的混杂情况可能是最现实的。

值得注意的是,目前被认为通过空气传播的几种感染病,如麻疹,水痘或肺结核,以其经典形式存在,这是明确无误的病理学临床表现。相反,流感病毒感染的临床表现与其他呼吸道病毒有很大的重叠,并且已经有混合爆发被记录。

因此,在该领域普遍存在的误解是将“呼吸道病毒”作为一个整体进行研究。

但是,由于这些病毒属于不同的属和家族,具有不同的化学和物理特性,以及不同的病毒特性,因此假设关于一种病毒的任何结论都可以应用于另一种病毒是不明智和不准确的。 例如,在Cochrane对59篇有关减少呼吸道病毒传播的干预措施的已发表研究综述中,实际上只有两项专门针对流感病毒的研究。正如作者自己指出的那样,不可能有针对流感病毒的特定结论。

尽管许多空气传播感染具有高度传染性,但严格来讲,这并不是定义的一部分。即便如此,与麻疹相比,流感的传染性较低,这也被认为是反对其空气传播的论据。

但是,应该指出的是,流感病毒感染的特征是潜伏期(通常为1-2天)比其症状消退持续时间短得多。这使易感人群在爆发期间被暴露于分属几代的感染者中成为可能。

多次暴露和代际套叠可能会使人们低估流感病毒的传播能力,因为我们容易将较少的继发病例分配给已知的索引病例,而实际上每个索引病例传染的继发病例数可能要高得多。

例如,众所周知,在某些情况下,单个索引病例写可能会感染大量的人,例如在阿拉斯加航空的一次爆发中38个人被一个病人感染。

埃博拉

埃博拉病毒是病毒性出血热,由埃博拉病毒引起,死亡率很高。埃博拉病毒是包膜的单链负义RNA病毒,包含丝状病毒科(Filoviridae)中的五个物种。

埃博拉病毒中有四种与人类疾病有关。最广泛的爆发(也是最近一次)是由2013-2016年西非的埃博拉扎伊尔造成的。

埃博拉病毒的传播已被Osterholm等人深入研究。

这些作者指出了该病毒的广泛的组织嗜性,以及疾病期间达到的高病毒载量和低感染剂量,由此看来,不可避免地存在多种传播途径。

关于气溶胶传播,在实验室环境中没有直接接触的动物之间的几个埃博拉病毒传播的实例引起了人们的关注。

埃博拉病毒通过气溶胶传播对恒河猴进行实验性感染已被证明是非常有效的,并且该实验方法实际上已被用作埃博拉疫苗研究中的感染挑战。

经气溶胶暴露感染的恒河猴发展成播散性、致命性感染,基本上类似于因呼吸道感染而引起的肠外感染。尸检显示,在被气溶胶途径感染的动物中,呼吸道和呼吸淋巴系统的病理发现与在肠胃外感染的动物中不同。

埃博拉病例的人类尸体解剖尚未报告此类呼吸道病理病变,但正如Osterholm等人指出的那样,埃博拉病例的人体尸体解剖很少,可以说太少以至于无法排除通过气溶胶途径获得疾病的任何可能性。

因此,预防原则将要求对感染患者采取气溶胶预防措施,尤其是考虑到此类呼吸道感染患者对产生气溶胶传播的危害不够警觉:埃博拉病毒在血液或其他体液中的滴度量很高,患病期间这些液体的雾化会造成重大的空气传播危险。

总结

总而言之,尽管就哪些有机体可能通过空气传播并因此可以通过气溶胶传播的机制进行了各种争论,但最终,主要的决定因素似乎是有多少研究使用了不同的方法:经验(临床,流行病学)和/或实验(例如使用动物模型)和/或机械方法(使用气流示踪剂和空气采样),可以达成相同的共识。

随着时间的流逝,即使根据特定情况的不同主要传播途径可能是混合传播途径中的一种,科学界最终也会对该特定主体的主要传播途径产生印象。流感病毒就是这种情况,并且可能是最现实的情况。

某些具有多种传播方式的细菌和病毒感染也具有各向异性,例如炭疽,鼠疫,兔热病和天花:该疾病的严重程度取决于传播方式。

在志愿者身上进行的较早的感染实验表明,流感的传播情况符合以上结论,气溶胶传播与更严重的疾病有关,并且在最近的一些领域观察结果与此概念一致。

对于各向异性介质,即使某一传播方式(例如气溶胶传播)仅占少数情况,但如果这一方式导致了最严重的病例出现,则可能需要中断该传播途径以控制疾病。

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