COVID-19関連追加(2021122日)

 

COVID-19感染伝播における屋内エアロゾルの役割】

Chen Bo, et al. Role of indoor aerosols for COVID-19 viral transmission: a review. Environ Chem Lett. 2021 Jan 13;1-18.

https://doi.org/10.1007/s10311-020-01174-8.

一部省略.

Introduction

COVID-19は,1918年のインフルエンザのパンデミック以来,記録上最大のパンデミックとなる可能性を秘めている.20201217日時点で,パンデミックにより220の国/地域/地域で160万人以上の死亡を含む合計7,260万人の感染例が確認されている(WHO 2020a).以前からいくつかの議論があったにもかかわらず(Lewis 2020; Morawska and Milton 2020; WHO 2020b),空気媒介性感染伝播がCOVID-19の効率的な感染経路であることが最近になって認識されている.202079日に発行された科学的概要において,世界保健機関(WHO)は,COVID-19の短距離空気媒介性感染伝播が,換気の悪い屋内環境で認められる可能性を認めた(WHO 2020b)2020105日,米国疾病対策予防センター(CDC)はスタンスを変更し,現在のパンデミックにおけるウイルス拡散の重要な経路として,小飛沫や粒子を介した空気媒介性感染伝播を初めて認めた(CDC 2020)

WHOによる以前の定義によると,空気媒介性感染伝播とは,乾燥した呼吸器エアロゾル(直径5μm以下)の残留物であり,咳やくしゃみによる飛沫が大気中で蒸発する,あるいは感染物質(infective material)のエアロゾル化によって生じる飛沫核(droplet nuclei)の伝播と定義されている(WHO 2014).さらに最近,van Doremalenら(2020)は,COVID-19パンデミックの原因であるSARS-CoV-2の安定性を,21-23℃,相対湿度65%におけるエアロゾルで実験を行った.この研究の結果,SARS-CoV-23時間経っても活性を保っており(viable),感染力価は103.5-102.7 TCID50(組織培養感染量中央値)/空気1Lから低下した.同様の環境条件(23±2℃,相対湿度53±11%)において,Fearsら(2020)はさらに,呼吸可能サイズ(respirable-size)のエアロゾルにおけるSARS-CoV-2ウイルスが16時間後でも感染性およびビリオンの完全性(virion integrity)を維持したことを示した.

エアロゾル粒子におけるSARS-CoV-2の長期にわたる活性(prolonged survival)は,屋外環境における微粒子および屋内粒子排出物を含む大気中の粒子によって,新型コロナウイルスの分散(dispersion),輸送(transport),および持続性(persistence)が促進しうるかどうかについての疑問を提起した(He and Han 2020; Mahabee-Gittens et al. 2020; Tang et al. 2020)CDCは,最新の公開ガイダンスにおいて,COVID-19は換気が不十分な閉鎖空間での空気媒介性伝播によって拡散し,感染性の小飛沫および粒子が空気中に数分から数時間懸濁したままになり,発生源から遠くへ移動する可能性があることを指摘している(CDC 2020).最近のいくつかの研究では,大気中の微粒子レベルと,地域のCOVID-19感染および患者の症状悪化との間に強い正の相関関係が示されている(Figure 1).例えば,Yaoら(2020)は,Global Moran's Iと多変量線形回帰を用いて,中国の49都市における微粒子物質(PM: particulate matter)濃度とCOVID-19症例の致死率(CFR: case fatality rates)との関係を分析した.その結果,PM2.5レベル(すなわち,直径2.5μm以下の空気中の粒子状物質)が10μg/m3増加するごとに致死率が0.24%増加することが示された.同様の結論は,Wuら(2020)の全国的な横断的研究によって,PM2.51.0μg m-3の増加はCOVID-19の致死率の8%の増加と相関していることが示された.ミラノ都市圏の調査では,COVID-19の拡散促進の程度,PM汚染,および罹患率(morbidity)との間に関連の可能性があるかどうかが検討された.その結果,毎日の地域の新規症例はPMと正の関連性を示し,屋外大気微粒子がSARS-CoV-2拡散経路である可能性が提示された(Zoran et al. 2020)SARS-CoV-2が空気媒介性粒子に滞留していることを示す最初の証拠として,Settiら(2020b)は,イタリア北部のベルガモ(Bergamo)で,大気中のPMレベルが高い地域で,大気中粒子物質上にSARS-CoV-2 RNAのクラスターを発見した.

屋外大気中の空気媒介性粒子がCOVID-19感染伝播および症状悪化に及ぼす潜在的な影響を研究するためにかなりの努力が費やされてきたが,屋内エアロゾル(一般的な発生源の範囲およびヒトの活動によって放出される微粒子物質)は,SARS-CoV-2を含む空気媒介性病原体を停留し,輸送するための経路として調査中である.ロックダウン,旅行制限,およびその他の介入により,屋外大気中の粒子は,COVID-19の間,多くの地域で大幅に減少し,人間は日常活動において屋内粒子放出による影響をより受けるようになった(Chauhan and Singh 2020; Li et al. 2017a; Wang et al. 2020; Wu et al. 2018).ヒト呼吸器疾患のすでに知られている原因として,これらの微粒子は,COVID-19の空気媒介性感染伝播における交絡因子でありうる.Morawskaら(2013)による以前の推定は,大気中の粒子によって引き起こされたヒト呼吸器疾患の約30%が,屋内発生源から発生した粒子と関連していることを示している.多数の屋内発生源および人間の活動が,屋内環境において微粒子またはエアロゾルを発生させることが知られており,それらの多くは,空気中の物理化学的および空気動力学特性を示す.ほとんどの人が時間のほぼ90%を屋内環境で過ごしているという事実を考えると(Klepeis et al. 2001),効率的な感染予防および管理のために,特に空気媒介性感染伝播リスクが高い環境の可能性がある,占有率が高い、または徒歩での交通量が多い閉鎖された公共の環境では,COVID-19感染伝播における屋内エアロゾルの役割は精査されるべきである.本論文では、一般的な屋内エアロゾルの発生源と特徴に焦点を当てたレビューを提示することを目的とし,これらの情報とCOVID-19に関する最近の知見に基づいて,COVID-19感染伝播について議論した.具体的には,@人為的な発生源や活動からの屋内エアロゾルの一般的な発生源と特徴,A粒子吸入によって傷害を受けるヒトの呼吸器および免疫システム,B屋内エアロゾル粒子の曝露とCOVID-19の罹患率(morbidity)または死亡率との関連,C屋内エアロゾル粒子がSARS-CoV-2のキャリアとして機能するかどうか,以上を中心に証拠と議論を提示した.

 

Sources and characteristics of indoor aerosols

屋内エアロゾルの役割と影響を理解することは,屋内環境,特にいくつかの大規模な集団アウトブレイクが報告されている閉鎖された公共空間におけるSARS-CoV-2の空気媒介性感染伝播に関する現在進行中の精査における緊急の課題である(Lewis 2020).この目的のためには,空気媒介性病原体を背景にした屋内エアロゾルの発生源およびその特性の基本を理解することが必要である.最近の議論では,複数の研究者が,タバコの煙およびお香の燃焼によって生成された粒子が,SARS-CoV-2の屋内感染を促進しうると報告している(Amoatey et al. 2020; Mahabee-Gittens et al. 2020).実際には,屋内空気中の豊富な量のエアロゾル粒子を生成または再懸濁させることができる多くの発生源(主として人間の活動から)がある.これらには,@タバコの煙tobacco smoking),A調理cooking),B掃除機による清掃vacuum cleaning),Cレーザー印刷laser printing),Dろうそくの燃焼candle burning),E蚊取り線香の燃焼mosquito coil burning),Fお香の燃焼incense burning)が挙げられる.Table 1に示したように,超微細領域(< 100nm)に含まれる大量の小粒子が一般的な屋内発生源から放出されることができ,その結果として,シミュレーションされたあるいは実際の屋内環境では比較的高い質量または粒子濃度が得られることになる.

Implications of indoor aerosols on the COVID-19 pandemic

Human respiratory and immune systems impaired by particle inhalation:

米国における初期の全国調査では,一般的に、人々は時間の90%近くを様々な屋内環境で過ごしていることが示された(Klepeis et al. 2001).この傾向は,人々がより多くの時間を屋内で過ごすことにより,ますます定住的なライフスタイルを採用するようになったという最近の調査によって強固なものになっている(Gong et al. 2019; Yang et al. 2019).空気中に懸濁されたままで蓄積する可能性のあるかなりの量の微粒子および超微粒子を放出する可能性がある一般的な屋内における発生源の存在は,一般人口における定住型ライフスタイルでは,特に換気が不十分な閉鎖空間での屋内エアロゾルへの曝露の可能性を高める.

WHOは,喘息,脳卒中,心血管疾患,肺癌,慢性閉塞性肺疾患,肺炎を含む呼吸器感染症などの微細粒子状物質および関連疾患への曝露により,毎年おおむね700万人が死亡していると推定している(WHO 2018).空気媒介性粒子が引き起こす健康被害のメカニズムは,主に酸化ストレスと炎症が関与していると考えられている.空気媒介性粒子による酸化ストレスは,金属や多環芳香族炭化水素(PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons)などを含む粒子表面からの活性酸素(ROS: reactive oxygen species)が直接発生することが原因と考えられる.一方,ミトコンドリア、細胞膜,ファゴソーム,小胞体なども,粒子状物質に曝露した後に活性酸素を生成する.いくつかの研究では,活性酸素が脂質,タンパク質,DNAsなどの生体高分子(biomacromolecules)の構造と機能を損なう可能性があることが示された(Feng et al. 2016; Moller et al. 2010).過剰な活性酸素は,シグナル伝達経路を活性化し,さらに細胞のアポトーシスまたは壊死につながる可能性がある(Azad et al. 2009).炎症に関しては,肺胞マクロファージおよび気道/気管支上皮細胞は,吸入された空気媒介性粒子を処理する主な場所であり,いずれの細胞も,粒子状物質に曝露すると炎症促進メディエーターを産生する(Fujii et al. 2001; Miyata and van Eeden 2011).さらに,肺胞マクロファージと上皮細胞の相互作用の結果,GM-CSFIL-6などの炎症性メディエーターの産生と分泌が相乗的に増加する可能性がある(Fujii et al. 2002).この2つのサイトカインは,局所的な炎症反応を拡大させたり,全身的な炎症反応を引き起こす可能性がある.さらに,大気中粒子(atmospheric particulates)への曝露はまた,細胞透過性の増大,炎症性細胞浸潤,気管支粘膜傷害,および肺胞虚脱などの肺および気道の病理学的変化をもたらし得る(Liu et al. 2017a; Riva et al. 2011; Wang et al. 2015).要約すると,屋内で生成されたこれらの超微粒子への曝露は,酸化ストレスおよび炎症反応を介してヒトの呼吸器管に傷害を与える可能性がある.

また,呼吸可能な粒子(respirable particles)への曝露は,ヒトの呼吸器システムの宿主防御傷害を惹起し,病原体感染に対する感受性の増加につながる可能性がある(Figure 1).第一に,吸入された粒子(inhaled particles)は,鼻および気管支粘膜システム傷害を惹起し,その結果として,しばしば宿主防御の第一線として機能するlow bacterial clearanceをもたらすことがある(Duan et al. 2013; Jia et al. 2019).また,気道上皮バリアのtight junctionは,酸化ストレスによって傷害され,侵入した病原体がより容易に通過する透過性亢進をもたらす(Liu et al. 2019).第二に,粒子曝露によって,肺胞上皮細胞および肺胞マクロファージのアポトーシスおよびオートファジーが誘導される.そしてこれらの細胞は吸入された粒子の処理において重要な役割を果たす(Deng et al. 2013; Deng et al. 2014; Huang et al. 2004).さらに,いくつかの研究では,肺胞マクロファージにおける細胞骨格の機能不全,ナチュラルキラー細胞応答の傷害,および粒子曝露に起因する肺サーファクタントの物理的および免疫学的機能の破壊が,すべての食細胞防御反応を阻害することを示した(Chen et al. 2016; Moeller et al. 2005).最後だが大事なことは,粒子曝露は,自然免疫防御の重要な一部であり,様々なメカニズムを介して病原体や異物の侵入を防ぐ呼吸器管の正常細菌叢を変化させることである(Yang et al. 2020).総合的に言うと,屋内エアロゾル粒子を吸い込むことによって,宿主防御はさらに傷害を受け,病原体の侵入が促進される可能性がある.

 

 

Figure 1: 大気中粒子状物質(PM: particulate matter)の健康リスク,およびヒト呼吸器システムにおける絡み合った汚染物質(entangled pollutants)や侵入する病原体(invading pathogens)との活動的な相互作用(Ma et al. 2020).

Fig. 1

 

Increased COVID-19 morbidity and mortality due to exposure to indoor aerosol particles:

外来患者および呼吸器救急部門の入院患者に関する疫学研究によって,粒子状物質曝露とヒト呼吸器感染における正の関連(positive association)が明らかになった(Li et al. 2017b; Strosnider et al. 2019; Xia et al. 2017).粒子状物質への曝露によって,肺の感染に対する感受性が増加するという関連動物モデルからも同様の結論が導き出されている(Liu et al. 2019; Zhao et al. 2014).屋外大気中微粒子物質とCOVID-19罹患率における正の相関が観察されているが,屋内エアロゾル粒子に関する知見およびCOVID-19感染症の感受性と患者の症状悪化に対するそれらの影響は,現在の文献では限定的であることは注目に値する.屋内エアロゾル粒子は,その放出源に依存して,その化学組成,サイズ分布,静電荷、および空気動力学に関して独特の特徴があり,これは,空気中における輸送だけでなく,ヒトの気道内の沈着にも影響を及ぼす.さらに,ほとんどの屋内放出源は,閉鎖環境において居住者に近接している.これは,開放された屋外大気中に存在する古い粒子(aged particles)の均質な混合とは対照的に,新鮮かつ活性化粒子が放出されると,すぐにヒトに吸入されるかもしれないことを意味している.

前述したように,一般的な屋内の放出源からの粒子放出は,ほとんどがsub-100nmの範囲である(すなわち超微粒子[ultrafine particles])かなりの量の微粒子(fine particulates)を含んでいるかもしれない(Table 1).超微粒子は,PM10PM2.5のような大きな大気中の粒子に比べて,空気中に長く滞留するだけでなく(Figure 2),ヒトの気道の深部にも沈着する(Figure 3).特に,20nm前後のサイズの超微粒子は,肺胞領域で最も高い沈着率(最大50%)を示し,これはろうそくの燃焼中に放出されるほとんどの粒子サイズと一致している(Pagels et al. 2009Chenら(2016)は,鼻呼吸中のヒト呼吸器管における吸入粒子の沈着分画を予測した(Figure 3).その結果に基づいて,一般的な屋内放出源から生成された超微粒子のほとんどは,気管・気管支と鼻咽頭領域ではなく,より深い肺胞領域に最も高い沈着効率を有することがわかったより最近の研究では,Manigrassoら(2018)は,一般的な室内放出源から放出された総粒子数は,頭部(15-17%),気管・気管支(30-32%),肺胞(51-56%)領域に沈着し,ピーク数量は1回の呼吸活動後に最大1010 粒子に達すると推定している.この研究では,大量の超微粒子が肺に,そしてさらには肺胞上皮を越えて血管にまで直接毒性効果を引き起こす可能性があることが示唆されている.

Table 1: Common sources, emission rates, and in-air concentrations of indoor aerosol particles in simulated and real environments.

 

 

Figure 2: 様々なサイズ範囲の空気媒介性粒子の沈着挙動.超微粒子(< 100nm)ブラウン拡散により,特に20nmより小さい粒子は急速に沈着する大きな粗粒子は,沈降(sedimentation慣性による衝撃(impact by inertia遮り(interceptionによって沈着する30nm1.0μmの粒子は,それらのどちらでも沈降する可能性は低いため,大気においてより長いライフタイム(lifetime)を持つ傾向がある.これらの粒子はまた,その長い懸濁時間(suspension time)のために空気中に蓄積することができる(Kwon et al. 2020)

Fig. 2

 

 

Figure 3: 国際放射線防護委員会(International Commission on Radiological Protection)(ICRP 1994)のデータに基づく,鼻呼吸時のヒト呼吸器管における吸入粒子の沈着分画の予測(Chen et al. 2016)

figure3

 

ヒト呼吸器システムでは,深部に吸入された超微粒子を取り除くことは困難である.吸入してから24時間経過しても,ほとんどの超微粒子は肺末梢や気道(conducting airways)に沈着したままである(Moller et al. 2008).より大きな粒子と比較して,これらの超微粒子は通常,空気汚染物質(酸化剤,有機化合物,金属)を吸収する表面積が桁違いに大きい.そして,これらの空気汚染物質は,より多くの酸化ストレスおよび炎症を誘発し,宿主防御システムにさらに傷害を与え,呼吸器感染におけるより高い罹患率および死亡率を引き起こす可能性があるCOVID-19に関しては,空気媒介性粒子への曝露は,SARS-CoV-2の受容体であり宿主細胞への侵入に関与するアンジオテンシン変換酵素2ACE2)の発現を上昇させる可能性がある(Hoffmann et al. 2020; Lin et al. 2018).最近の研究は,タバコ煙粒子への曝露がACE2発現をupregulatedし,COVID-19感染に対する宿主の感受性を増加させることを実証した(Brake et l. 2020; Smith et al. 2020)

屋内エアロゾル曝露もまた,COVID-19患者における感染症状を悪化させうるMishraら(2020)は,粒子状物質への曝露が,抗ウイルス性自然免疫応答を抑制することにより,RNAウイルスの複製を促進しうることを報告した.Zhouら(2020)は,COVID-19患者(n=33)の血液における30の免疫学的指標を網羅的に解析し,SARS-CoV-2による重症肺炎サイトカインストームの重要なメカニズムを解明した.SARS-CoV-2感染後に,CD4+ Tリンパ球が速やかに活性化されて病原性Tヘルパー(Th1細胞となり,GM-CSFを産生することを明らかにした.このサイトカイン環境は,炎症性サイトカインストームを形成し,肺や他臓器に重篤な免疫障害を引き起こし,時に短期間で死亡させるIL-6などの炎症性メディエーターを高発現するCD14+CD16+炎症性単球を誘導する.これは,粒子への曝露がGM-CSFIL-6などの炎症性サイトカイン産生を増加させることを明らかにした以前の研究の知見と一致している(Fujii et al. 2002).これらの知見によって,粒子曝露と呼吸器病原体感染症の症状悪化における正の相関関係についての機序的洞察が提供され,大気汚染のある地域のCOVID-19患者で観察された高い致死率の一貫した傾向を説明する可能性がある(Paital and Agrawal 2020; Roviello and Roviello 2020; Wang et al. 2020; Wu et al. 2020; Yao et al. 2020)要約すると,一般的な放出源からの超微粒子は,吸入によって肺の深部領域に沈着する可能性がある宿主防御の傷害,ACE2upregulation,および続発するこれらの粒子が引き起こすサイトカインストームによって,COVID-19感染および致死率が増加する可能性があるだろう

Can indoor aerosol particles become effective airborne carriers of SARS-CoV-2?:

大気中の粒子から回収されたウイルス,細菌,および真菌は,ヒト病原体の空気媒介性キャリアとして機能し得ることが示唆されている(Gast et al. 2004; Ryan et al. 2009; Yan et al. 2019; Zucker et al. 2000)Alonsoら(2014)は,空気媒介性粒子がキャリアとなったブタ流行性下痢ウイルス(PED: porcine epidemic diarrhea virus)(Coronaviridaeファミリーの一員)が長距離にわたって運ばれた後も感染性を維持しており,ウイルス遺伝物質が,感染を認めた養豚場の風下距離10マイルにおいても検出されたことを報告している.また,Zhaoら(2019)は,感染を認めた養鶏場の鳥インフルエンザウイルスが,空気中の微粒子物質によって運ばれる間,異なる州をまたいで感染が拡散する可能性を報告した.最近,研究者たちは,大気中の微粒子物質がSARS-CoV-2の伝播において重要な役割を果たしている可能性があると主張している.Quら(2020)は初期の見解として,SARS-CoV-2が空気中の塵や微粒子に吸着して長距離感染伝播が促進されうるという仮説を立てた.同様の見解は,Pratherら(2020)によって提唱された,ウイルスは空気媒介性粉塵または他の大気汚染物質に付着して,分散性の増加(increased dispersion)および改変された空気動力学的特性(modified aerodynamic)を介して伝播を容易にするというものである.Settiら(2020a)はさらに,SARS-CoV-2が大気中の粒子とクラスターを形成し,続いて空気中でウイルスの分散および蓄積を促進する可能性があることを提唱した.空気媒介性粒子上のSARS-CoV-2の存在に関する直接的な証拠は,Settiら(2020b)によって報告された.著者らは,大気中の粒子状物質レベルが高く,COVID-19の死亡率が高い地域であるイタリア北部の大気中微粒子からSARS-CoV-2の遺伝物質を初めて検出した.これらの知見に基づき,著者らは,SARS-CoV-2が屋外大気中に存在するPM10とクラスターを形成する可能性を示唆した.

呼吸器病原体を含むバイオエアロゾルは,感染者の呼気,会話、咳、くしゃみから発生し,密閉された屋内環境での共同占有者にリスクをもたらす可能性がある(Morawska and Milton 2020)Xuら(2017)は,フェイスカバーを着用していない成人5人が30分間いた後,27m3の閉鎖された実験室におけるバイオエアロゾル濃度が107%増加したことを報告した.平均放出率は,”マスクなし”シナリオでは8.4×105粒子//hであった.占有者5人が医療用マスクまたはN95レスピレーターを着用した場合,同じ条件におけるバイオエアロゾルの増加は31-81%に減少した.Buonannoら(2020)は,SARS-CoV-2感染者の放出率(quantum emission rates)を推定し,ここでは”量子(quantum)”は感染に感受性のある人の63%に感染させるのに必要な空気媒介性飛沫核の用量として定義されたこの研究では,ウイルス感染者の発声および呼吸における呼気ウイルス量は,それぞれ320quanta/hおよび10.5quanta/hと推定された.ヒトの呼吸活動から生成された飛沫および飛沫核はまた,屋内空気中に一般的に見られるエアロゾル粒子を含む空気媒介性粒子と関連しているかもしれない.最近,研究者の中には,屋内発生源に由来するエアロゾル粒子がSARS-CoV-2のキャリアになる可能性を指摘している者もいるMahabee-Gittensら(2020)は,電子タバコや可燃性タバコから放出される直径0.2-0.5μmの喫煙粒子にSARS-CoV-2ウイルス(平均直径100nm)が付着する可能性を強調しており,喫煙環境では新型コロナウイルスの感染伝播が促進される可能性がある.Amoateyら(2020)は,屋内のお香(incense)の燃焼から放出される空気媒介性粒子がSARS-CoV-2ウイルスを運び,中東の家庭におけるCOVID-19の伝播を促進する危険性を強調した.しかし,これらの議論では,仮説を立証するための実験データや証拠は提供されていない.屋内エアロゾル粒子がどこにでも存在し,閉鎖された環境では呼吸器病原体が感染伝播するリスクが高いことを考えると,これらの目に見えない物質(agents)を媒介とした効率的な感染経路に関して,その役割についての理解が深まれば,各国や地域で状況の悪化や再発生が報告されている現在進行中のパンデミックにおいて,緊急的な評価および公衆における注意が必要とされるだろう(Han et al. 2020; Sun and Han 2020; WHO 2020c)

屋内エアロゾル粒子はSARS-CoV-2の効率的なキャリアになり得るか?この質問に答える前に,考慮すべき重要なことが難点かある.第一に,一般的な屋内放出源からの粒子は,典型的にはsub-micronの範囲にあり,その大部分は超微粒子(< 100nm)である(Table 1).これらの粒子は,新型コロナウイルス(60-140 nm)と同等の大きさであるか,またはそれよりもさらに小さいことに注意することが重要である.空気中に懸濁すると他の粒子と結合するかもしれないが,これらの小さな粒子がウイルスを運ぶ基質となるのは難しいかもしれない.この議論に加えて,SARS-CoV-2ウイルスは,単一の分離されたビリオンとして空気中に入ることはほとんどない.他の呼吸器病原体と同様に,これらのウイルスは,口や鼻から排出される際に,電解質を含む様々なサイズの飛沫に含まれている.小さいサイズ(< 10μm)のヒト呼吸器飛沫の大部分は,典型的には1.5秒未満で急速に蒸発して飛沫核になり,ヒトの呼吸活動によって生成された飛沫の大部分はこの特定のサイズ範囲に該当する(Wei and Li. 2015)Xuら(2017)は,ヒトの呼吸から放出されたバイオエアロゾルのピークが1.5μmであることを報告しており,これはMorawskaら(2009)によって報告された結果と一致していた後者の研究において,著者らは,ヒトの呼吸,発声,および軽度の咳から放出された飛沫の二峰性分布,すなわち1.8μmおよび0.8μm以下に示された2つの顕著なピークを示した(Morawska et al. 2009).ヒトのくしゃみから生成された飛沫サイズははるかに大きいことが多い.Hanら(2013)は,くしゃみによる飛沫のサイズ分布が,幾何学的平均サイズ(geometric mean size)が360μm(単峰分布)および74.4μm(二峰分布)をもった対数正規分布に類似していることを発見した.ヒトの呼吸飛沫の成分は複雑である.水および微小病原体(microorganisms)とは別に,電解質,糖,酵素,細胞および残渣(remnants)を含む(Stadnytskyi et al. 2020)蒸発中にすぐに地面に沈降しうる大きな飛沫(大きなくしゃみによる飛沫など)を除いて,ほとんどのヒトの呼吸飛沫は,周囲空気の湿度,初期の飛沫サイズ,および飛沫含有物に依存する平衡サイズ(equilibrium sizes)まで急速に蒸発するか,または飛沫核となって空気媒介性として留まるだろう(stay airborne.それらの飛沫核サイズは,典型的には,元の飛沫サイズの約半分であると推定された(Liu et al. 2017b; Nicas et al. 2005).一方,限られた研究では,いくつかの屋内放出源からの粒子が凝固プロセスを経て,依然としてsub-micronの範囲にとどまっているにもかかわらず,より大きな粒子サイズに達することが指摘されていた(Table 1).その場合でも,ウイルスを含む飛沫核は,それらの凝固したエアロゾル粒子よりもかなり大きくなることがわかった.

ウイルスを含んだ飛沫核と屋内エアロゾル粒子の両方が空気中に長時間懸濁して蓄積することができるという事実を考えると(Figure 2),ウイルスは”クラスター(clusters)”または”凝集体(aggregates)”を形成し,その後,親粒子(parent particles)の空気動力学的特性を変化させ,慣性衝突(inertial impaction),静電引力(electrostatic attraction),反発力(repulsion)を介して,懸濁時間が長くなるか,またはより速い沈降を引き起こすかもしれない(He and Han 2020; Yu 2014).このような合体クラスター(coalescence clustersは,内部のウイルスを放射線または有毒化学物質から保護するかもしれない(Zuo et al. 2013)Settiら(2020a)は,飛沫核とエアロゾル粒子の合体は,相対湿度が高い環境で起こりやすいと指摘している.ヒトの呼気からのバイオエアロゾルの放出を評価する一連の実験において,Xuら(2017)は,空気中のバイオエアロゾル粒子が増加する間,総粒子状物質数濃度(total particulate matter number concentrations)の異常な減少を一貫して観察した.この研究では解釈は示していないが,この現象は,ヒトの活動によって発生したバイオエアロゾルが屋内の粒子状物質と凝集体を形成し,空気中に懸濁する総粒子数を減少させたと考えられている.その合体粒子が表面や物体に沈降したのか,空気動力学的特性が変化した後でも(after getting better aerodynamic characteristics),空気中に懸濁したままなのかは不明である.さらに,インフルエンザシーズンの民間航空機,医療機関,デイケアにおけるエアロゾルサンプリングでは,屋内空気中でインフルエンザAウイルス(SARS-CoV-2と同様のサイズ)のゲノムコピーが多数検出された(Figure 4).このうち,ウイルスゲノムコピーの64%は,空気媒介粒子が長時間浮力を持つ大きさである,2.5μmより小さいサイズの粒子から検出された(Yang et al. 2011).残念ながら,この研究ではウイルス含有粒子の発生源および特徴を解析していないため,検出された空気中のウイルスがウイルスを含む飛沫核由来なのか,屋内エアロゾル/飛沫核/またはその両方によって形成された合体クラスター由来なのか結論を出すことができなかった.言い換えれば,ウイルスを含んだ飛沫や飛沫核は屋内エアロゾル粒子と相互作用する可能性があるが,これらの相互作用が空気媒介性感染伝播あるいはウイルスの沈降を促進するのか,そしてそれらが一般的な屋内環境におけるウイルス活性(viability)にどのような影響を与えるのかについては,ほとんど知られていないということである.パンデミックが長期化する中で,これらは,科学者および公衆衛生当局にとって,COVID-19および他のヒト呼吸器病原体の空気媒介性感染伝播に関する緊急に解決すべき疑問を提示している.

 

 

Figure 4: 空気媒介性インフルエンザAウイルスを含む各陽性サンプルにおける粒子サイズ分布(サンプルの日付と場所を上に示す).エアロゾルサンプルは,0.250.51.02.5μmのカットポイントサイズを持つカスケードインパクターを用いて,各場所で6-8時間かけて収集した.Y軸は,各サイズ範囲で見つかった総ウイルスゲノムコピーの割合を示す.8つの事例のうち7つでは,ウイルスの大部分が2.5μmよりも小さい大気中の微粒子と関連していた(Yang et al. 2011)

Fig. 4

 

Conclusions

屋内エアロゾル粒子への曝露は,現在のパンデミックにおいて,一般の人々にとって潜在的な危険因子となっている.0.1μmより小さい超微粒子は,喫煙,調理,掃除機,レーザー印刷,ろうそくの燃焼,蚊取り線香の燃焼,お香の燃焼など,さまざまな屋内発生源から毎分数十億あるいは数兆個の超微粒子が放出され,屋内空気中に浮遊したままになる(remain buoyant).ピークの粒子量は,エアロゾル粒子を放出する一般的な発生源を有する屋内環境において,1回の呼吸活動の後に,ヒトの呼吸器システムにおいて最大1010粒子に達することがある.吸入された小さなエアロゾル粒子は,酸化ストレスおよび炎症を誘発し,有害な呼吸器症状を引き起こし,肺感染の可能性を高める.重要なのは,粒子曝露によって,ヒト細胞へのSARS-CoV-2の主な侵入口として機能する膜貫通タンパク質であるACE2の発現が上昇しうることである.人体がこれらの粒子を処理するときに大量の炎症サイトカインが放出されることを考えると,小さなエアロゾル粒子を吸入することによってCOVID-19症状が悪化する可能性がある.典型的な屋内エアロゾル粒子サイズはsub-100nmであるので,それらがSRAS-CoV-2ビリオンの空気会媒介性キャリアになることは難しいかもしれない.これはまた,ウイルスが,蒸発後に飛沫核に残る電解質および細胞残渣を含む飛沫としてヒト呼吸器管から放出されるという事実にも起因する.屋内エアロゾル粒子とウイルスを含む飛沫あるいは飛沫核の合体はもっともらしく,形成されたクラスターまたは凝集体が放射線または有毒化学物質から内部のウイルスを保護する可能性があるが,これらの合体粒子状物質の空気動力学的特性はまだ明らかにはなっていない.全体として,屋内エアロゾル粒子とウイルスを含む飛沫あるいは飛沫核における相互作用に関する情報は乏しく,一般的に発生するエアロゾル粒子がSARS-CoV-2の拡散,輸送,および持続性を促進するかどうかを検証するためには,さらなる研究が必要である.予防および制御における今後の取り組みは,閉鎖された屋内環境におけるCOVID-19感染および伝播に対する屋内エアロゾル粒子の潜在的な影響を考慮に入れなければならない.

 

 

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