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气溶胶传播有哪些特性?又有哪些病毒能通过气溶胶传播?

2月8日,上海市疫情防控工作领导小组新闻发布会指出,目前可以确定的新冠肺炎传播途径主要为直接传播、气溶胶传播和接触传播。气溶胶传播这一传播方式开始引发广泛关注。那么,气溶胶传播有哪些特性?又有哪些病毒能通过气溶胶传播?

2019年1月31日,英国莱斯特大学Julian W. Tang曾在《BMC Infectious Diseases》上发表了一篇综述性文章,题为“Recognition of aerosol transmission of infectious agents: a commentary”,对传染源的气溶胶传播进行了详尽的阐述。

气溶胶传播对于医护人员(HCW)如何管理感染此类传染源的患者以及他们将需要佩戴何种个人防护设备(PPE)有着重要的意义。

由于气溶胶的两个关键特性,这种PPE通常比那些只通过大液滴或直接接触传播的更昂贵:

  • 1)它们跟随气流流向,这需要PPE在呼吸道周围紧密密封;
  • 2)对于生物气溶胶,它们的小尺寸要求PPE增强过滤能力。

严格地说,“气溶胶”是指悬浮在气体中的微粒,如空气中的小液滴。多年来,有许多文章使用颗粒直径对液滴进行分类。

例如,人们普遍认为:

  • 1)沿气流流向运动的空气动力学直径小于5–10μm的小颗粒具有潜在的短距离和长距离传播能力;<5 μm的颗粒容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。
  • 2)直径大于20μm的大液滴更容易在重力影响下沉降,由于液滴太大,无法遵循吸入气流流线。对于这种粒径,佩戴普通外科口罩即可起到很好的防护作用。
  • 3)直径为10-20μm的“中间颗粒”在某种程度上具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10 μm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。

因此,研究组推断出:

  • 1)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。
  • 2)直径大于20 μm的液滴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。

如果受感染的患者通过呼吸、咳嗽或打喷嚏产生不同大小的感染性飞沫,那么根据与患者源的距离,人际通过短程大飞沫和空气中的小飞沫核传播都是可能的。

说明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。
说明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。

 

病原体经手触摸传播,然后自行接种到粘膜(如眼睛、鼻子和嘴)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敏感性。

当一个有机体的感染剂量较低,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),产生大量充满病原体的液滴时,仍可能发生爆炸式爆发。

即使对于空气传播能力存在争议的病原体,例如流感,在没有任何通风的情况下亦可观察到多个继发病例。

环境气流和气溶胶的重要性

应该注意,“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。

如果存在显著的交叉气流,则实际悬浮时间将更长,医疗环境由于病患流量大,往往是感染高风险区。

相反,即使是较小的液滴核,如果它们遇到显著的下沉气流(例如送风口下方),悬浮时间也会大大缩短,从而降低感染风险。

此外,对于不同大小的颗粒,呼吸道的穿透程度也取决于流速。

不同的病菌传播途径,例如直接/间接接触、短程飞沫、长距离甚至短程飞沫核等,更有可能在不同的环境中占主导地位,这使得特定病原体的空气传播更像是一种非常规的机会主义。

水痘

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。

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

对于麻疹,有几项研究使用一种更为机械的气流动力学对几次爆发的麻疹传播途径进行了解释。

随后门诊部的另外两起麻疹疫情,经回顾性气流动力学分析,更加证实了麻疹的空气传播途径。

肺结核

对于肺结核(TB),许多疫情报告证实其可通过空气传播途径进行传播,而专门针对空气传播途径的干预措施已证明可有效减少肺结核传染。

天花

对于天花,全面回顾性分析表明,空气传播途径是天花感染的重要途径。

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。

新出现的冠状病毒

包括严重急性呼吸综合征(SARS)和中东呼吸综合征(MERS)。

对于SARS-CoV,流行病学研究与空气传播途径的假设一致。空气采样研究也证明了空气中存在SARS-CoV核酸(RNA)。

对于MERS-CoV,最近的一项研究表明,成功感染只能通过直接吸入大小合适的“液滴核”样颗粒进入下呼吸道。

流感

对于人类流感病毒来说,空气传播和大液滴传播的问题可能是最有争议的。

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,并在环境空气中检测到流感RNA。

但一些动物研究报告称,不同的流感病毒株在气溶胶传播能力上可能存在很大差异。

埃博拉病毒

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,经气溶胶途径感染的动物中,呼吸道和呼吸道淋巴系统有病理学发现,而在经肠外感染的动物中则没有发现。

结语

随着时间的推移,科学界最终将形成一种印象,即某种特定病原体有一个主要传播途径,即使最终证明是混合传播途径,且不同情况下,不同的传播途径占主导地位。

一些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、野兔热和天花:疾病的严重程度取决于传播方式。

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