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Dismantling myths on the airborne transmission of severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2)
2021年1月13日
pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33453351/
概要
COVID-19パンデミックは、世界中で計り知れない混乱と死亡率の向上をもたらした。SARS-CoV-2の感染メカニズムを理解することは、さらなる広がりを防ぐための鍵となるが、感染が議論されるたびに「空気感染」の意味をめぐって混乱が生じている。科学的な曖昧さは、何年も前に発表された証拠に由来しており、現在の考え方を曖昧にする神話的な信念を生み出している。
この記事では、現在の証拠の光の中で科学の修正を刺激するために、空気中の伝播上で最も一般的に開催されたドグマのいくつかを一緒に収集し、探検している。6つの「神話」が提示され、説明され、最近発表された論文や類似のウイルスに関連した過去の研究から得られた専門家の意見に基づいて最終的に反論されている。
SARS-CoV-2が、通常の換気パラメータとヒトの行動に応じて、さまざまな空中の浮遊粒子サイズを介して感染することは疑いの余地がない。エアロゾル研究、換気、工学、物理学、ウイルス学、臨床医学の専門家が一堂に会し、空気中感染メカニズムに関するエビデンスを整理し、医療や地域社会におけるCOVID-19の予防と制御のための最新戦略の正当性を提示するために、このレビューを発表した。
序論
重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2型（SARS-CoV-2）の大パンデミックが続く中、エアロゾルへの曝露による感染が、飛沫や粉塵による直接的・間接的な感染ではなく、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, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9。
10, 11, 12, 13, 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は大きな混乱がある（表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。
表1臨床医、エアロゾル科学者、一般市民のエアロゾル用語の理解度の違い
| 用語 | 臨床医 | エアロゾル科学者 | 一般市民 |
|---|---|---|---|
| 空気感染 | はしかなどの長距離伝染 感染管理にはN95 / FFP2 / FFP3レスピレーター（または同等のもの）が必要 |
空中にあるもの | 空中にあるもの |
| エアロゾル | 空中伝播を媒介する5μm未満の粒子。 エアロゾル生成手順中に生成され、N95呼吸器も必要 |
気体に懸濁した任意のサイズの固体または液体粒子の収集 | ヘアスプレーおよびその他のパーソナル/クリーニング製品 |
| 飛沫 | ソースから1〜2mの距離内で急速に地面に落下する5μmより大きい粒子 感染管理のためにサージカルマスクが必要 |
液体粒子 | スポイトから出てくるもの |
| 飛沫核 | 5μmより小さい蒸発した液滴の残留物 「エアゾール」の代名詞 |
関連用語「雲凝結核」とは、水が凝縮して雲滴を形成する小さな粒子を指します。 | 聞いたことがない！ |
| 粒子 | ビリオン（ウイルス粒子） | 空気中の小さな固体または液体の塊 | すすや灰みたいなもの |
エビデンスが解釈され、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、問題は混乱し、ウイルスを制御するために必要な実際的な予防的介入が十分に支持されていないため、より多くの人々を危険にさらすことになるであろう。
特定の経路を介してSARS-CoV-2が感染するという直接的な証拠は、あるとしてもほとんどない。この記述は、大きな飛沫やより小さな空気中の粒子と同様に、粉塵や直接の接触にも適用される。7,17 これらの感染経路を引き出すために必要な証拠には、ゲノム配列の解析と、感染源（例えば、便器や手などに付着した）での標的病原体と受信者の病気の原因となる病原体との照合、および研究前または研究期間中の病原体株の他の感染源を排除するための十分な証拠が含まれている必要がある。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。
エアロゾル中のウイルスに関する科学の理解とコンセンサスを促進するために、エアロゾル中のウイルスに関する一連の一般的な「神話」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に関する一般的に受け入れられた声明を意味している。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。これらの神話の裏付けとなっている科学を検証することで、一般的な記述がなぜ時代遅れなのか、そして現在の証拠がなぜ異なる方向を示しているのかを理解していただきたいと思う。
神話1：「エアロゾルは直径5μm以下の飛沫である」という説
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。
呼吸器の飛沫は、呼吸器の分泌物や唾液から形成され、会話、咳、くしゃみ、呼吸をすることで放出される。その直径は1μm未満から 100μmを超えるものまである。小さいものは急速に乾燥して元の直径の20～40%になり、「飛沫核」と呼ばれる残留物を残するが、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。
幅広い直径の呼吸器の飛沫は、空気中に浮遊したままで、空気浮遊性とみなされることがある。呼気された粒子のサイズは連続している（図1）。粒子が浮遊したままでいる能力は、粒子が排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、空気浮遊粒子の直径のカットオフを明確に指定することはできない。
図1呼吸器系の粒子の範囲と潜在的な広がりを距離で示したもの
青色の粒子。発生源から 2m以内の重力下で床に落下する直径100μm以上の「飛沫」。赤い粒子。エアロゾル」と呼ばれるもので、通常は100 μm未満の粒子で、浮遊時間は長くなるが、空気が十分な時間（少なくとも30分）静止していれば、最終的には地面に落下する。
大きな画像を見る 図を見る をする をする(PPT)
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が、そのような粒子が地面に落ちると主張されている「神話的な」1-2mの距離よりもはるかに遠くに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」の両方とも、それらの空中パターン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。
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／または感染者の呼気の運動量の影響を受けて地面（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／または環境条件のために浮遊したままの粒子である。ここでは、「粒子」という用語を使用して、一般的な飛沫／エアロゾルを指すことにする。
神話2：「5μm以上の粒子はすべて発生源から 1～2m以内に落下する」
これはよく言われていることであるが、科学的には間違っている。吐いた直径5～10μmの粒子は、静止した室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があり、これは、これらの粒子が発生源から 1〜2m以内に地面に沈降するには小さすぎることを意味している。室内で放出源から 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。50-100 μm 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 1-2 m を超えて運ばれることがすでに知られている21,22。
重力下で急速に沈降するには小さすぎる粒子は、人の体温プルームの中で上方に移動する可能性がある。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、および対流（例えば、暖かい電気機器や暖かい体によって生成される気流）26によって生成された他の気流の影響を受けることができる。このような流れによる輸送は、長い距離（2m以上）を輸送される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、異なるサイズの粒子は、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、直径約50μm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示されている。
空気中に浮遊する粒子が臨床的に関連する期間は、換気方法によって異なる。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洗い流する。外気、ろ過、その他の空気清浄機の複合効果により、部屋の空気交換率が1時間あたり6回（ACH）の汚染されていない空気交換がある場合、関心のある期間は10～30分である。部屋の空気交換率が12ACHの場合、関心のある時間は5-15分である。もちろん、病院の中には機械的な換気システムがなく、窓やドアが開いていない場合、空気中の浮遊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 。
神話3：「近距離であれば、空気中に浮遊することはあり得ない」
この神話を議論する目的で、”近距離 “と “長距離 “を区別する尺度として、1-2mの社会距離近接を定義する。長距離伝播は空気感染の証明であると一般的に考えられているが、検出可能な長距離伝播がないからといって空気感染が排除されるわけではない。具体的には、長距離伝播が証明されていなくても、近距離または近距離（すなわち会話距離以上）での空気中曝露およびエアロゾル吸入は、SARS-CoV-2の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。
吸入による感染剤の伝播は、どのような距離でも起こりうるが、エアロゾルは感染源の近くでより濃縮されているため、近距離で起こる可能性が高い。このことの視覚的な例は、喫煙者がタバコから距離を置いて煙がどのように散逸するかを観察することによって見ることができる。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食べ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、吐く息の中にランチタイムの匂いがする場合は、その吐く息の中に含まれるウイルスを吸い込んでいる可能性がある。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、エアロゾルダイナミクスの実験やモデリング研究によって確認されている。
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、近くにいる感染者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異なるサイズの粒子の中に空気中のウイルスが存在することが実証されている。
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が難しいものである36, 37, 38, 39, 40, 41
エアロゾルは、感染性のあるエミッターに近距離（1m未満）では存在し、明らかに遠距離よりもはるかに高い濃度で存在する。近距離では、人は弾道的な「大きな飛沫」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の社会的距離を超えて）での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、感染源によって産生される空気中のウイルスの量、異なる粒子サイズによって運ばれるウイルスの分布、局所環境の気流パターン、ウイルス感染の崩壊速度、個人に感染を引き起こすのに必要な感染量、離れた場所での接種物の希釈、および新鮮な空気、換気または空気清浄による適時の除去が含まれる。
長距離（2mを超える）感染のリスクは、近距離（1m未満）での感染の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る可能性がある。残念なことに、病原体の長距離感染は、その病原体がすでに地域社会に蔓延していて、複数の感染源が様々な距離でウイルスを放出することができる場合には、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、天然痘があるが、この場合、長距離の伝播が証明できたのはドイツでの一回の発生時のみであり、コミュニティ内での継続的な伝播が完全に存在していなかった42。
神話4：「基本再生産数R0が麻疹ほど大きくなければ、空気感染することはできない」
基本再生産数（R0）は、一般的には、均一に分布しているが、そうでなければ完全に感染しやすい個体群の中で、1人の感染した「指標となる」症例が存在することによって生じる二次症例の平均数として定義されている。
この記述の重要な問題点は、この数値R0が、病気がエアロゾルの吸入によって感染するかどうかに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。
様々な生物が空気感染ルートで伝播することがあるが、必ずしも人から人へ感染するわけではない。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菌を引き起こすバチルス・アントラシスは、どちらも動物のリザーバーを持っており、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、これらは空気感染性の病気と考えられている43,44。
さらに、R0の値は、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感染することが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%以上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、検査室での検査なしで診断できるため、二次感染例の同定と列挙が比較的容易である。その結果、R0の推定はより正確なものとなる。COVID-19の多くの症例は無症状であるため、R0を評価することははるかに困難である。さらに一歩進んで、「有効な」再生産数であるReの決定が行われる。これは、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可能性のある感染者が、被曝した集団のごく一部にしかいない場合に使用される。
患者が「インフルエンザに似た病気」や軽度の症状、あるいは全く症状がない場合には、パンデミックの程度や二次感染者の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、他人に感染することを意識することもない。彼らは自己隔離をしないので、潜在的な二次感染者としてカウントされることはない。このため、包括的な詳細が記録されていない限り、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、追跡調査することは不可能である。さらに、日常生活の中で、別の感染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。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他の二次感染を伝播している可能性があり、簡単には追跡・集計することができない。COVID-19ではかなりの量の症状前感染が発生する可能性があり、SARS-CoV-CoV-1と同様に、すべての感染者が同じように感染するわけではない。
現在、インフルエンザ、SARS-CoV-1,MERS-CoV、RSV（呼吸器合胞性ウイルス）などの他の呼吸器ウイルスが空気を介して感染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」理論の同様の適用は、これらのウイルスの感染にも適用できる。
神話5a. 「空気感染している場合は、サージカルマスク（または布製のフェイスカバー）は効果がない。」
つまり、マスクは呼吸器の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、この記述は誤りである。
いくつかの実験室での研究では、外科用マスクや自家製マスクは、呼気粒子を制限し、他の人からの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。外科用マスクは、感染した着用者が排出するウイルスの拡散を最大3-4倍(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6倍（範囲1.1～55倍）に減少させることで着用者を保護する52,53 ミクロンサイズのサージカルマスクのろ過能力は、ブランドによって異なるが、かなりのものであることが多い54 。
自家製の布製マスク(茶布や綿の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2-4倍(すなわち50-75%)まで減らすことができる55,56。COVID-19の空気感染の役割を支持する証拠に基づいて、最前線の医療従事者はN95/FFP2/FFP3呼吸器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、ある程度の保護効果は得られるが、それほど効果があるとは言えないことを認識する必要がある。
神話5b. 「ウイルスの大きさは100nm（0.1μm）しかないので、フィルターやマスクは効かない。」
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、高効率粒子空気（HEPA）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、インパクションとインターセプト（動きの速い粒子が直接衝突または一撃でマスク繊維に衝突して付着する)拡散（動きの遅い粒子がマスク繊維に接触して付着する)静電気力（反対に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エアチャネルのネットワークを通過する際に、これらが一緒になって「動的衝突トラップ」を作り出す。57
最小ろ過効率は、通常、直径0.3μm付近の粒子で発生する。この「最も伝染性の高い粒子サイズ」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、高い速度でフィルター内の繊維と衝突するため、より高い効率で捕捉される。この制限直径よりも大きな粒子は、インパクションとインターセプトによって効率的に除去される。
第二に、感染の伝達に関与するウイルスは、一般的に「裸」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の他の成分を含む飛沫で人体から排出される。唾液や粘液の飛沫はウイルスよりもはるかに大きく58 、飛沫やエアロゾルがどのように移動し、マスクやフィルターの繊維によって捕捉されるかは、全体的な大きさによって決まる。
高効率粒子空気（HEPA）（または「アレスタンス」）フィルターは、直径0.3 μm（300 nm）の粒子を99.97%以上捕捉することができる。呼気された唾液/粘飛沫は、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捕集の恩恵を受けるヘルスケア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。室内の空気を内蔵のHEPAフィルターでろ過するスタンドアロン型の「ポータブル」空気清浄機は、オフィスや教室などの非専門分野のオプションであるが、その性能は不完全な混合、騒音、ドラフト効果によって制限される場合がある。
神話6：「組織培養で増殖しない限り、感染性はない」
ウイルスの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単離が分子法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を正常に開始するためには、複数のウイルスを必要とすることが理由の一つである。例えば、Fabianらはインフルエンザウイルスを使用して、1つのTCID50（すなわち、試験管内試験細胞単層の50%を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発見した;これは、Van Eldenらによる100〜350コピーの以前の推定値に似ているが、Weiらによって報告された650コピーよりも小さい。
この感度の違いは、現在利用可能な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、空気中に浮遊するウイルスを空気中から泡立つ液体のウイルス培養液に吸引する高速の「インピンガー」（煙吸引器）を使用している。しかし、これらのエアサンプリング装置は、空気と液体の界面で高いせん断力と激しい混合を発生させ、ウイルス表面のタンパク質を損傷し、培養中のウイルスの成長を停止させる可能性がある63,64 。対照的に、人間の自然な呼気および吸入流速ははるかに遅いため、ウイルスにせん断応力による損傷を引き起こす可能性ははるかに低い65,66 。
その結果、空気サンプルから生菌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菌がいないことを証明するとは限らない。空気中の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については、2つの異なる研究グループが最近、患者室からのエアゾールサンプル中に感染性のSARS-CoV-2ウイルスが存在することを実証している68,69。
結論
我々は、ウイルスの空気感染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、拡散されるか、二次感染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どのようにして感染リスクに影響を与えるか、という物理的、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。空気中のウイルスの吸入による SARS-CoV-2 の存在と感染性を裏付ける証拠は数多く存在する。小さな空気中粒子への曝露は、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による感染と同様に、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ている71,72 。SARS-CoV-2 感染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の専門家にとっても何を意味するのであろうか？個人用保護具（PPE）の明白な利点は別として、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、空気感染を標的とした工学的な制御を保証するのに、既存のエビデンスは十分に強力であるということだ。
これには、十分かつ効果的な換気が含まれ、おそらく、粒子ろ過や空気滅菌によって強化される（空気を再循環させたり混合させたりするシステムの回避など）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単なるジェスチャー以上のものを提供してくれる71,72,74。
公共交通機関を含む地域社会の医療と密室化された室内環境の両方での過密状態を抑制するための対策も関連している。家庭や病院では、大規模な改修や経費をかけずに簡単に実施できる、感染性空気中粒子の希釈を目的とした費用対効果の高い様々な対策が存在する71,73 。神話を捨て、ウイルス感染の科学を書き換える時が来たのだ。