COVID-19関連追加(2021116日)SARS-CoV-2の空気感染についての神話の解体

 

SARS-CoV-2の空気を介した感染伝播についての神話の解体】

Tang JW, Bahnfleth WP, Bluyssen PM, Buonanno G, Jimenez JL, Kurnitski J, Li Y, Miller S, Sekhar C, Morawska L, Marr LC, Melikov AK, Nazaroff WW, Nielsen PV, Tellier R, Wargocki P, Dancer SJ. Dismantling myths on the airborne transmission of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2). Journal of Hospital Infection. Jan 12, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2020.12.022.

Introduction

SARS-CoV-2のパンデミックが続く中,飛沫やfomitesによる直接的・間接的な感染伝播ではなく、エアロゾル曝露によって起こる感染伝播が,どの程度の割合で発生するのかという議論も進んでいる1)-9).これは,まだ別の呼吸器ウイルスのパンデミックの出現のたびに再燃してきた古い議論である10)-14)飛沫,飛沫核,エアロゾル,粒子などの関連用語の定義と適用については,大きな混乱があるTable 1.これらの用語の定義に専門家の間で違いがあれば,科学の理解に問題が生じることは明らかである.最終的には、コンセンサスを得ることは困難であり、おそらく不可能になるだろう15)16)

証拠が解釈され,適用される方法は,世界中の関係者の間で異なっている.エアロゾルによる感染伝播を支持するのに十分な証拠を構成するものの基準となる定義は多岐にわたり,様々なものがある.合意が得られなければ,議論は長引き,問題は混乱するだろう.そしてウイルスを制御するための必要な実践的な予防的介入が十分に支持されないため,より多くの人々を危険にさらすことになるだろう.

SARS-CoV-2の特定の感染伝播経路の直接的な証拠は,あるとしてもほとんどない.この声明は大きな飛沫(large droplets)やより小さな空気媒介性粒子(airborne particles)と同様に,fomitesや直接接触にも適用される.大きな飛沫を介した感染伝播は,どのような呼吸器ウイルス感染症でも直接証明されてこなかったことは注目に値する7)17).これらの感染伝播経路を引き出すために必要な証明には,研究前あるいは中における病原体に関する他の感染源を除外できる十分な証拠と共に,ゲノム配列解析と感染源(例えばfomitesや手指など)でのターゲットとなる病原体とレシピエントの疾患の原因となる病原体との照合を含まれなければならない.しかし,単一のウイルスを追跡するゲノム研究は,実施が非常に困難で費用がかかり,失敗する可能性がある18)

空気を介した拡散に関する理解とコンセンサスを促進するために,我々は,エアロゾル中のウイルスに関する一連の一般的な”神話(myths)”を提示する.私たちが”神話”という用語を使うのは,特に現在のパンデミックに照らして,新鮮で偏りのない考察に値するウイルス感染伝播に関する一般的に受け入れられた声明を意味する.それぞれの神話は,現在の見解を再評価するために,証拠に基づいた精査に値する歴史的研究から生まれたものである.これらの神話を支える科学を検証することで,なぜ一般的な声明が時代遅れなのか,そしてなぜ現在の証拠が異なる方向を向いているのかの理解が進むことを望む.

Table 1: Differences between clinicians, aerosol scientists and the general public

in the understanding of airborne terminology.

 

神話 1「エアロゾルは5μm未満のサイズの飛沫である」:

この神話は,歴史的に誤った定義に由来しており,最近では世界保健機関(WHO)によって”... 直径5μm未満の飛沫は,飛沫核またはエアロゾルと呼ばれている”と報告されている2).呼吸器飛沫は,呼吸器分泌物や唾液から形成され,会話,咳,くしゃみ,呼吸によって放出される.その直径は1μm未満〜100μmを超えるものまである.より小さいものは急速に乾燥して元の直径の20-40%になり,残留物は”飛沫核(droplet nuclei)”と呼ばれ,これはほとんどの臨床医が”エアロゾル”と同義であると考えている19)幅広い直径をもつ呼吸器飛沫は,空気中に懸濁したまま(remain suspended)で,空気媒介性(airborne)とみなされることがある.呼出された粒子のサイズは連続しているFigure 1.粒子が懸濁したままでいる能力は,粒子が放出される運動量や周囲の気流の特性(速度,乱流,方向,温度,相対湿度)など,サイズ以外の多くの要因に左右されるため,空気媒介性粒子(airborne particles)の直径カットオフ値を明確に指定することはできない

Figure 1: Showing the range of respiratory particles and potential spread over distance. Blue particles: ‘droplets’ typically >100 um diameter that fall to the floor under gravity within 2 m of the source. Red particles: ‘aerosols’ typically <100 um that stay suspended for longer, but eventually fall to the ground if the air is motionless for long enough (at least 30 minutes).

Figure 1

 

気流条件によっては,以前はこの長年の定義(直径 >5μm)によって”大きい”と分類されていた多くの粒子は,そのような粒子が地面に落ちると主張されている”神話上の”1-2mの距離よりもはるかに遠くまで移動することができる.このことを考慮すると,大きな粒子であっても,従来の”エアロゾル”のように振る舞うことができる.”エアロゾル”と”飛沫”のどちらも,それらの空気媒介性パターン(airborne pattern)が地域の環境条件によって変化するサイズ範囲の極端なものとして考えられるべきである

感染伝播を説明する目的で,飛沫とエアロゾルを区別するためのより合理的なサイズの閾値は,その物理的な振る舞いと曝露経路の観点から,100μmである20)

したがって,本稿で使用する用語を明確にするために,飛沫とは,重力および/または感染者から呼出された空気のモーメントの影響下にて地面(または垂直面を含むあらゆる表面)に落下する粒子であり,エアロゾルとは,サイズおよび/または環境条件によって懸濁したままの粒子である.我々は,”粒子(particles”という用語を,飛沫/エアロゾル全般を指すために使用する.

神話25μmより大きいすべての粒子は,発生源から1-2m以内に落下する」:

これはよく言われていることだが,科学的には間違っている.呼出された直径5-10μmの粒子は,静止した屋内空気中で重力の影響を受けてゆっくりと床に落下するこれは1.5mの高さからだと,8-30分かかるしかし,ほとんどの部屋には0.1-0.2m/sの典型的な周囲空気流(ambient air currents)があり,これらの粒子はあまりに小さすぎて,発生源から12m以内の地面に沈降しないことを意味している.屋内で放出源から1-2m以内に着地する確率が高いためには,飛沫の大きさが50-100μmよりも大きくなければならない.局所的な乱流気流は,この沈降時間をさらに長くすることができる.50-100μmより大きい飛沫は,特にくしゃみや咳をしているときに,呼気のジェット気流の中で1-2mを超えて運ばれることがすでに知られている21)22)

重力下では小さすぎるがゆえに急速に沈降しない粒子は,人の体温プルームの中で上方に移動する可能性がある.これは,人の体温によって生成された暖かい空気の上向きに動く”柱(column)”である23)24)25)

このような粒子は,最終的に吸入される前に,換気,人の往来,ドアの動き,対流(例えば,暖かい電気機器や暖かい体から発生する気流)によって発生する他の気流の影響を受ける可能性がある26)このような流れによる輸送は,長い距離(> 2m)にわたって輸送される< 5-10μm未満の粒子にとって特に重要である

静止した空気中では,様々なサイズの粒子において,物理法則(ストークスの法則など)によって正確に予測できる沈降時間が異なる.これに基づいて計算すると,直径50μm前後の粒子でも1.5mの高さから沈降するのに約20秒かかり、エアロゾルと考えるべきであることがわかる20)忙しい病棟や診療所における乱気流の影響で,このサイズの粒子はさらに長く空中に残り(remaining airborne,発生源から2mを超えた距離を移動する可能性がある

空気中に懸濁する粒子が臨床的に関連する時間(time period)は,換気に依存する.病院の換気システムは清浄な空気を供給し,部屋の空気とそれに含まれる粒子を部屋の外に放出する.もし外気,ろ過,その他の空気清浄機の複合効果により,部屋における空気交換率が1時間あたり6回(ACH)である場合,関心のある時間(duration of interest)は10-30分である.もし部屋における空気交換率が12ACHの場合,関心のある時間は5-15分である.もちろん,病院の中には機械による換気システムがなく,窓やドアが閉じている場合,空気媒介性粒子が地面に沈降するまでに何時間もかかる可能性がある27).後者は,特に発生源からの距離やフェイスマスクで保護されていない場合には,スタッフと患者どちらにとってもリスクとなる.

神話3「もし短い距離ならば,それは空気媒介性(airborne)になりえない」:

この神話を議論する目的で,我々は,”近距離”と”長距離”を区別する尺度として,ソーシャルディスタンスとして近接距離1-2mを定義する.長距離伝播は空気媒介感染伝播の証明であると一般的に考えられているが,検出しうる長距離伝播がないからといって空気媒介感染伝播が除外できるわけではない.たとえ長距離伝播が示されてこなかったとしても,特に短距離あるいは密接(すなわち会話の距離以上)での空気媒介性曝露(airborne exposure)およびエアロゾル吸入は,SARS-CoV-2感染伝播にとって依然として重要であり,さらには優勢である可能性がある

吸入による感染性物質(infectious agent)の伝搬は,どんな距離でも起こりうるが,エアロゾルは発生源に近いほどより濃縮されているため,密接距離でより起こる可能性が高い.このことの視覚的な例として,喫煙者によるタバコの煙がどのように散逸するかを観察することによって確認することができる.同様の現象は,匂いからも経験することができる.例えば,昼食にニンニクやアルコールを摂取した人の近くに立っていると,息を吸ったときに匂いを感じるかもしれないが,遠ざかるにつれて匂いは薄れていく.しかし,呼出された息の中に”ランチタイム”の匂いがする場合は,その呼出された息の中に含まれるウイルスを吸い込んでいるかもしれない.このような遭遇は,通常,会話のできる距離(〜1m以下)で起こる.このことは,エアロゾル動態の実験およびモデリング研究によって確認されている17)28)-33)

インフルエンザの研究から,呼気や会話によって,会話の距離を超えて生存可能なウイルスが運ばれ,近くにいる感受性のある人が吸い込む可能性があることがわかっている34)35)これらの実験では,1m以内の短い会話の距離で感染者によって生成された様々なサイズの粒子の中に空気媒介性ウイルス(airborne viruses)が実証されている

吸入されたウイルスがヒトでCOVID-19を引き起こすという遺伝子型(genotypic)の証拠はまだないが,多くのアウトブレイクは,エアロゾル化されたSARS-CoV-2の吸入以外では説明することが難しい36)-41)

エアロゾルは,感染性放出者(infectious emitter)の近距離(< 1m)で存在し,遠距離よりも明らかにはるかに高濃度で存在する.密接距離では,人は弾道的な(ballistic)”大きい飛沫”から小さなエアロゾルまで,あらゆるスペクトルの放出粒子にさらされている.より長距離(1-2mのソーシャルディスタンスを超えて)で感染伝播が起こるかどうかは,いくつかのパラメータに依存する.これらには,発生源によって産生される空気媒介性ビリオン量(airborne virions),様々なサイズの粒子によって運ばれるビリオン分布,局所環境の気流パターン,ウイルス感染性の減衰速度,個人に感染を引き起こすのに必要な感染量(infectious dose),離れた場所での播種量(inoculum)の希釈,および新鮮な空気,換気または空気清浄による適時除去が含まれる

長距離(> 2m)の感染伝播リスクは,密接距離(< 1m)の感染伝播リスクに比べれば小さいかもしれないが,それでも発生する可能性があり,それは重大なものになりうる.残念なことに,病原体によるより長距離の感染伝播は,その病原体がすでに地域社会に蔓延して,複数の発生源が様々な距離でウイルスを放出する場合には,証明することが非常に困難になる.歴史的に有名な例としては,天然痘(smallpox)があるが,この場合,長距離感染伝播が証明できたのはドイツにおける一度のアウトブレイクのみであり,地域社会における感染伝播が継続していなかった場合に限られている42)

神話4「基本再生産数R0が麻疹より大きくないので,空気媒介性(airborne)ではありえない」:

基本再生産数(R0)は,一般的には、均一に分布しているが、全体的に感受性がある人々がいる群において,1人の感染した”指標”症例から生じる二次症例の平均数として一般的に定義されている.

この声明における重要な問題点は,この数値R0が,疾患がエアロゾル吸入を介して感染伝播するかどうかには直接関係していないということであるR0は,1人の感染者と接触した後に何人の人が感染するかを示しているが,感染のメカニズムは関係ない.

様々な病原体が空気媒介経路で播種することがありうるが,必ずしも人から人へ感染伝播するわけではない.例えば,ハンタウイルス肺症候群を引き起こすハンタウイルスや炭疽病を引き起こすBacillus anthracisは,どちらも動物のリザーバーを持っており,そしてどちらも吸入によって獲得されるが,必ずしも人から人へ感染伝播するわけではないR0=0であるにもかかわらず,これらは空気媒介性疾患(airborne disease)と考えられている43)44)

さらに,R0値は,二次症例を識別する能力と同程度の精度しかない.麻疹や水痘のような空気媒介性(airborne)と広く認められているウイルスの場合,これらのウイルスは感染例の> 99%に特徴的な皮膚病理を引き起こすため,正確な症例の同定は比較的簡単である.これらのウイルスは,検査室による検査を行わないで診断できるため,二次症例の同定と列挙が比較的容易である.結果として,R0の推定はより正確なものとなる.多くのCOVID-19症例は無症状であるため,R0を評価することは非常に困難である.さらに一歩進んで,”実行”再生産数であるReeffective reproductive number)の決定が行われる.これは,曝露集団の一部のみが,有効なワクチンがある感染症、例えば麻疹や水痘のような感染症に感染するかもしれない場合に使用される.

患者が”インフルエンザ様疾患(influenza-like illness)や軽度の症状,あるいは全く症状がない場合には,アウトブレイクの程度や二次症例数を把握することは非常に困難である.人々は必ずしも自分が感染したことを知らないし,他人に感染伝播させることを必ずしも意識しないだろう.彼らは自己隔離をしないだろうし,潜在的な二次症例としてカウントされることはないだろう.このため,包括的な詳細が記録されない限り,ある特定の曝露事象に関与したすべての人を追跡調査し,経過観察することは不可能である.さらに,日常生活の中で,別の発生源から同じ感染につながった可能性のある他の接触者を除外することはできない.たとえ,1つのアウトブレイクイベントが感染源と関連している場合でも,その感染源がすでに,簡単には追跡・集計できない他の二次症例を増加させているかもれない.COVID-19では非常に前症状性感染伝播が起こる可能性がある.そしてSARS-CoV-1と同様に、すべての感染者に均一的な感染性があるわけではない45)

現在,インフルエンザ,SARS-CoV-1MERS-CoVRSVrespiratory syncytial virus)などの他の呼吸器ウイルスが空気を介して感染伝播することを示す良い証拠があるため,この”神話を打ち破る”理論は,これらのウイルスの感染伝播にも適用できる47)-50)

神話5a「もし空気媒介するならば,サージカルマスク(あるいは布マスク)は機能しない」:

つまり,マスクは呼吸器粒子に含まれるウイルスに対して(完全に)効くか(全く)効かないかの二者択一のシナリオとして提示されているので,これは誤りである.

いくつかの実験研究では,サージカルマスクや自家製マスクは,呼出された粒子を制限し,そして他の人が放出した粒子を吸い込むことから着用者を保護するという点で,ある程度(不完全ではあるが)効果的であることがすでに示されているサージカルマスクは,感染者が着用すると放出するウイルスの播種を最大3-4(すなわち〜67-75%),季節性コロナウイルスの場合は100%まで減少させることができる34)51)

サージカルマスクはまた,感染者から入ってくる飛沫やエアロゾルへの曝露を平均1/6range, 1/1.1-1/55)に減少させることで着用者を保護する52)53).サージカルマスクのミクロンサイズのろ過能力は,ブランドによって異なるが,相当なものであることが多い54)N95/FFP2レスピレーターのろ過能力は,レスピレーター側面の周りのエアロゾルが呼吸ゾーンに漏れないように,適切にフィットテストされていれば,より良いことが分かっている.

自家製の布マスク(茶布や綿Tシャツで作られたもの)でさえ,入ってくる粒子からの曝露を1/2-1/4(すなわち50-75%)まで減らすことができる55)56)COVID-19の空気媒介性感染伝播の役割を支持する証拠に基づいて,最前線の医療従事者にはN95/FFP2/FFP3レスピレーターの使用を推奨すべきである.これらのマスクを長時間着用することに耐えられない人には,制限の少ないサージカルマスクを使用してもある程度の保護が得られるが,効果はそれほど高くないことを認識しておく必要がある.

神話5b「ウイルスはわずか100nm0.1μm)のサイズなので,フィルターやマスクは機能しない」:

この神話は5aに関連している.この神話については,2つのレベルの誤解がある.第一に、HEPAhigh efficiency particle air)や他のフィルターが実際にどのように機能するかの理解が不足している.フィルターは単純な”ふるい”として機能するのではなく,衝突(impaction)と遮り(interception(より速く動く粒子が直接衝突またはかすめる一撃(glancing blow)を介してマスク繊維に衝突して付着する); 拡散(diffusion(より遅く動く粒子がマスク繊維に接触して付着する); 静電気力(相反して帯電した粒子とマスク繊維が互いに付着する)の組み合わせを使用して,気流(airstream)から粒子を物理的に除去している.粒子が様々な速度で繊維間の空気チャンネルネットワークを通過する際に,これらを合わせて”動的衝突トラップ(dynamic collision trap)”を作成する.

最小濾過効率(minimum filtration efficiency)は通常,直径0.3μm付近の粒子に起こるこの”最も貫通性の高い粒子径”よりも小さい粒子は,ブラウン運動(原子レベルでの拡散を可能にする)により,フィルター内の繊維と高速で衝突するため,より高い効率で捕捉されるこの制限された直径サイズよりも大きな粒子は,衝突と遮りによって効率的に除去される

第二に,感染伝播に関与するウイルスは,一般的に”裸(naked)”ではない.それらは,水分,塩分,タンパク質,および呼吸器分泌物などの他の成分を含む飛沫として人体から放出される.唾液や粘液の飛沫(salivary and mucous droplets)はウイルスよりもはるかに大きい58).そして,それは,飛沫やエアロゾルがどのように移動し,どのようにマスクやフィルターの繊維によって捕捉されるかを決定する”全体の大きさ”である

HEPA(または”arrestance”)フィルターは,直径0.3μm300nm)の粒子を99.97%以上捕捉することができる.呼出された唾液/粘液飛沫は,約0.5μmのサイズ範囲から始まり,HEPAフィルターによって完全に除去される.

実際,HEPAフィルターは,手術室,クリーンルーム,実験室,隔離室などの専門分野では粒子のシングルパスによる捕捉の恩恵を受ける医療機関以外のほとんどの商業ビルの換気システムでは厳密に必要とされていない.屋内空気を内蔵のHEPAフィルターでろ過するstand-alone型の”ポータブル”空気清浄機は,オフィスや教室などの非専門領域のオプションだが,不完全な混合,騒音,ドラフト効果によって性能が制限される場合がある.

神話6「組織培養されないので,感染性はない」:

ウイルス培養は驚くほど困難であり,これが細胞培養におけるウイルス分離が分子法(molecular methods)による検出よりもはるかに感度が低い理由の一つである.これは,細胞培養において感染の開始が成功するためには,複数のウイルスが必要であることが理由の一つである.例えば,インフルエンザウイルスを使用して,Fabianらは,1 TCID50in vitroにおいて細胞単層の50%に感染させるのに必要なウイルス量)が約300ゲノムコピーに相当することを示した; これは,Van Eldenらによる100-350コピーの既知の推定値に類似している.しかし,Weiらによって報告された650コピーよりも小さい60)-62)

この感度の違いは,現在利用できる空気サンプリング技術によってさらに複雑になっている.ほとんどの研究では,空気媒介性ウイルス(airborne virus)を空気中から吸引し,泡立つ液体のウイルス培養液に移す高速の”インピンガー”(high-velocity impingers)を使用しているしかし,これらの空気サンプリング装置は,空気と液体の界面で高いせん断力(high shear forces)と激しい混合(vigorous mixing)を発生させ,ウイルス表面のタンパク質を損傷し,培養におけるウイルスの増殖を停止させるかもしれない63)64).対照的に,人の自然な呼出および吸入流速ははるかに遅いため,ウイルスにこのような損傷を引き起こす可能性ははるかに低い65)66). 明らかに,我々の空気サンプリング技術は,吸入を介して人の呼吸器感染につながるメカニズムを正確に再現していない.

結果として,空気サンプルから生きたウイルスが検出されなかったからといって,分子法でウイルスRNAが検出されたサンプルに生きたウイルスがいないことを証明するとは限らない.空気サンプルからウイルスRNAが検出された場合は,常に効果的な感染管理を強化すべき予防原則に則り,生きたウイルスの存在を示す可能性が高いと解釈すべきである67)

SARS-CoV-2に関しては,2つの異なる研究グループが最近,患者病室からのエアロゾルサンプル中に感染性のあるSARS-CoV-2ウイルスが存在することを実証した68)69). 上記の理由により,これらの研究では,他の人が吸入することができる生きた空気媒介性ウイルスの量を過小評価している可能性が高い70)

Conclusions

我々は,ウイルスの空気媒介性感染伝播を支える科学について,いくつかの一般的な神話を明らかにし,払拭することを試みてきた.呼吸器エアロゾルがどのようにして生成され,播種されるか; 二次症例がどのようにして容易に特定されるか(またはできないか); 適切な感染制御手段が実際に感染伝播リスクにどのように影響を与えるかについて,物理学的,疫学的,ウイルス学的な原理を考慮に入れると,提示された神話は容易に解体される.空気媒介性ウイルスの吸入によるSARS-CoV-2の存在と伝播性を裏付ける証拠は数多く存在する.小さな空気媒介性粒子への曝露は,より大きな呼吸器飛沫および/または感染者や汚染された表面との直接接触を介した感染伝播と同様に,あるいはそれ以上に,SARS-CoV-2への感染につながる可能性が高いと広く認識される71)72)SARS-CoV-2感染伝播に関する説明や根拠の一部は他の呼吸器ウイルスにも適用できるが,これらの特定のウイルスについて利用可能な研究の数や種類を考慮する必要がある73)74)

このことは,一般の人々だけでなく,医療分野の感染制御専門家にとって何を意味するだろうか?個人用保護具(PPE)の明白な利点は別として,既存の証拠は十分に強く,屋内での感染リスクを制限するための全体的な戦略の一環として,空気媒介感染伝播を標的とした工学的な制御を保証するものである.

これには,十分かつ効果的,そして換気,粒子ろ過によって強化された換気,空気除染,そして空気を再循環させたり混合させたりするシステムを避けることなどが含まれる窓を開けることは,温度的な快適性と安全性を条件として,ウイルス粒子の残留による感染リスクを軽減するための”ジェスチャー”以上のものを提供する71)72)74)

医療機関や,公共交通機関を含む地域社会の閉鎖的な屋内環境の両方における過密状態を抑制するための対策も関連している.家庭や病院において,感染性空気媒介性粒子を希釈することを目的とした、大規模な改修や支出を伴わずに容易に実施できる費用対効果の高い様々な対策が存在する71)73).これらは,今後数ヶ月〜数年においてCOVID-19からのリスクをさらに軽減するために必要な証拠を求めることによって,我々全員を守る役割を果たしてくれるだろう.神話を捨て,ウイルス感染伝播の科学を書き換える時が来たのだ

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