Отделяне на респираторен вирус при издишване и ефикасност на маски за лице

Източник: https://www.nature.com/articles/s41591-020-0843-2

Превод: Елица П. Иванова

Nancy H. L. Leung©1, Daniel K. W. Chu1, Eunice Y. C. Shiu1, Kwok-Hung Chan2, James J. McDevitt , Benien J. P. Hau1,4, Hui-Ling Yen©1, Yuguo Li , Dennis K. M. Ip , J. S. Malik Peiris1, Wing-Hong Seto1,6, Gabriel M. Leung1, Donald K. Milton7,8 and Benjamin J. Cowling 1,8 H

WHO Collaborating Centre for Infectious Disease Epidemiology and Control, School of Public Health, Li Ka Shing Faculty of Medicine, The University 3Department of Environmental Health, Harvard School of Public Health, Boston, MA, USA. 4Department of Surgery, Queen Mary Hospital, Hong Kong, China. 5Department of Mechanical Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, China. 6Department of Pathology, Hong Kong Baptist Hospital, of Hong Kong, Hong Kong, China. 2Department of Microbiology, Li Ka Shing Faculty of Medicine, The University of Hong Kong, Hong Kong, China.

Тези автори са ръководили съвместно работата: Donald K. Milton, Benjamin J. Cowling. ^e-mail: bcowling@hku.hk

Идентифицирахме сезонни човешки коронавируси, грипни вируси и риновируси при издишване и кашлица от деца и възрастни с остри респираторни заболявания. Хирургичните маски за лице значително намаляват откриването на РНК на грипния вирус в дихателните капчици и коронавирусната РНК в аерозолите, с тенденция към намалено откриване на коронавирусна РНК в респираторни капчици. Нашите резултати показват, че хирургичните маски за лице могат да предотвратят предаването на човешки коронавируси и грипни вируси от симптоматични индивиди.

Респираторните вирусни инфекции причиняват широк и припокриващ се спектър от симптоми, наречени общо остри респираторни вирусни заболявания (ОРЗ) или по-често – обикновена настинка. Макар и предимно леки, тези ОРЗ понякога могат да причинят тежко заболяване и смърт1. Тези вируси се разпространяват между хората чрез директен или косвен контакт, дихателни капчици (включително по-големи капчици, които бързо попадат близо до източника, както и груби аерозоли с аеродинамичен диаметър > 5 pm и аерозоли с фини частици (капчици и капкови ядра с аеродинамичен диаметър < 5 pm) 2,3. Въпреки че хигиената на ръцете и използването на маски за лице, насочени главно към контактната и респираторна капкова трансмисия, са предложени като важни стратегии за смекчаване на въздействието срещу предаване на грипен вирус, малко се знае за относителното значение на тези режими при предаването на други разпространени респираторни вируси 2,3,5. Несигурността се отнася по подобен начин и до начините на предаване на COVID-19 (литература 6,7).

Някои здравни власти препоръчват маски да се носят от болни индивиди, за да се предотврати предаване нататък (контрол на източника) 4,8. Хирургичните маски за лице първоначално бяха въведени за защита на пациентите от инфекция на рани и заразяване при операции (носителя) по време на хирургични процедури, а по-късно бяха приети, за да защитят здравните работници срещу придобиване на инфекция от техните пациенти. Въпреки това, повечето от съществуващите доказателства за филтриращата ефективност на маските за лице и респираторите идват от експерименти in vitro с небиологични частици 9,10, което може да не е обобщимо за капчиците от инфекциозен респираторен вирус. Има малко информация за ефикасността на маските за лице при филтриране на респираторни вируси и намаляване на отделянето на вируси от индивид с респираторни инфекции, а повечето изследвания се фокусират върху грипа 11,12.

Тук имахме за цел да проучим значението на дихателните пътища и аерозолните пътища на предаване с особен акцент върху коровирусите, грипните вируси и риновирусите, чрез количествено определяне на количеството на респираторния вирус в издишан дъх на участници с медицински лекувани ОРЗ и определяне на потенциалната ефективност на хирургични маски за лице, за да се предотврати предаването на респираторни вируси.

Резултати

Прегледахме 3 363 индивида в две фази на изследване, като в крайна сметка записахме 246 индивиди, които предоставиха издишани проби от дъх (разширени данни Фиг. 1). Сред тези 246 участници 122 (50%) участници бяха рандомизирани да не носят маска за лице по време на първото събиране на издишан дъх, а 124 (50%) участници бяха рандомизирани да носят маска за лице. Като цяло 49 (20%) доброволно предоставиха второ събиране на издишан дъх от алтернативния тип.

Инфекциите от най-малко един респираторен вирус бяха потвърдени чрез PCR с обратна транскрипция (RT-PCR) при 123 от 246 (50%) участници. От тези 123 участници 111 (90%) са били заразени от човешки (сезонен) коронавирус (n = 17), грипен вирус (n = 43) или риновирус (n = 54) (разширени данни Фигури 1 и 2), включително един участник, коинфекциран както от коронавирус, така и от грипен вирус и други двама участници, коинфектирани както от риновирус, така и от грипен вирус. Тези 111 участници бяха в центъра на нашите анализи.

Имаше незначителни разлики в характеристиките на 111 участници с различните вируси (Таблица 1а). Като цяло 24% от участниците са с измерена температура > 37,8 °C, като пациентите с грип са повече от два пъти по-вероятно от пациентите, заразени с коронавирус и риновирус, да имат треска. Участниците, заразени с коронавирус, кашляха най-много със средно 17 (s.d. = 30) кашляния по време на 30-минутното събиране на издишан дъх. Профилите на участниците, рандомизирани на групи с маска спрямо групи без маска, са сходни (Допълнителна таблица 1).

Тествахме вирусно отделяне (по отношение на вирусни копия на проба) в назални тампони, тампони за гърло, проби от респираторни капки и аерозолни проби и сравнихме последните две между проби, събрани със или без маска за лице (Фигира 1). Средно, вирусното отделяне е по-високо при назални тампони, отколкото при тампони за гърло за всеки от коронавирусите (средно 8.1 log10 вирусни копия на проба срещу 3.9), грипен вирус (6.7 срещу 4.0) и риновирус (6.8 срещу 3.3), съответно. Вирусната РНК е идентифицирана от респираторни капчици и аерозоли и за трите вируса, включително 30%, 26% и 28% от дихателните капчици и 40%, 35% и 56% от аерозолите, събрани, докато не носят маска за лице, от участници, заразени с коронавирус, грипен вирус и риновирус, съответно (Таблица 1б). По-специално за коронавирус, ние идентифицирахме OC43 и HKU1 както от дихателни капчици, така и от аерозоли, но идентифицирахме само NL63 от аерозоли, а не от дихателни капчици (Допълнителна таблица 2 и разширени данни Фиг. 3).

Открихме коронавирус в респираторни капки и аерозоли в 3 от 10 (30%) и 4 от 10 (40%) от пробите, събрани от участници без маски за лице, съответно, но не открихме никакъв вирус в дихателни капчици или аерозоли, събрани от участници, носещи маски за лице, тази разлика е значителна при аерозолите и показва тенденция към намалено откриване на дихателните капчици (Таблица 1б). За грипния вирус открихме вирус в 6 от 23 (26%) и 8 от 23 (35%) от дихателните проби от капки и аерозол, събрани от участници без маски за лице. Наблюдава се значително намаление при участници, носещи маски за лице до 1 от 27 (4%) при откриване на грипен вирус в респираторни капчици, но няма значително намаляване на откриването в аерозолите (Таблица 1б). Освен това, сред осемте участници, които са имали вируса на грип, открит чрез RT-PCR от аерозоли от участници без маска, петима са тествани чрез вирусна култура, а четирима са положителни за културата. Сред шестимата участници, които са имали грипен вирус, открит чрез RT-PCR от аерозоли с маска, четирима са тествани чрез вирусна култура и двама са положителни за културата. За риновируса няма значителни разлики между откриването на вируса при участници с или без маски за лице, както в дихателните капчици, така и в аерозолите (Таблица 1б). Изводите са сходни при сравненията на отделяне на вируси (Таблица 1б). В допълнение открихме значително намаляване на вирусното отделяне (Допълнителна таблица 2) в дихателните капчици за OC43 (Разширени данни Фигура 4) и грипния вирус В (Разширени данни Фигура 5) и в аерозолите за NL63 (Разширени данни Фигура 4 ).

Установихме корелации между вирусното натоварване в различни проби (Разширени данни Фигури 6-8) и някои доказателства за спада на вирусното отделяне с времето от началото на грипния вирус, но не и за коронавирус или риновирус (Разширени данни Фигура 9). При невариантни анализи на фактори, свързани с откриване на респираторни вируси в различни типове проби, не установихме значителна връзка във вирусното отделяне с дни от появата на симптомите (Допълнителна таблица 3) за респираторни капчици или аерозоли (Допълнителни таблици 4-6).

Подгрупа от участници (72 от 246, 29%) изобщо не са кашляли по време на най-малко едно съиране на издишан дъх, включително 37 от 147 (25%) по време на без маска и 42 от 148 (28%) по време на с маска събиране на дъх. В подмножеството за коронавирус (n = 4) не открихме никакъв вирус в дихателните капчици или аерозоли от всички участници. В подмножеството за грипен вирус (n = 9) открихме вирус в аерозоли, но не и дихателни капчици от един участник. В подмножеството за риновирус (n = 17) открихме вирус в дихателни капчици от трима участници и открихме вирус в аерозоли при петима участници.

Фиг. 1 | Ефикасността на хирургичните маски за лице за намаляване на дихателните вирусни вируси в капките и аерозолите на симптоматични индивиди с коронавирусна, грипен вирус или риновирусна инфекция. A-c, Вирусни копия на проба, събрана в назален тампон (червен), тампон за гърло (син) и дихателни капчици, събрани за 30 минути, докато не се носи (тъмно зелено) или се носи (светло зелено) хирургическа маска за лице, и аерозоли, събрани за 30 минути, докато не се носи (кафяво) или се носи (оранжево) маска за лице, събрани от индивиди с остри респираторни симптоми, които са били положителни за коронавирус (а), грипен вирус (b) и риновирус (с), както се определя от RT-PCR във всякакви проби. P стойностите за интервенция на маска като предиктор на копията на log10 вирус за проба в некоригиран унивариатен регресионен модел на Тобит, който позволява цензуриране в долната граница на откриване на RT-PCR теста, са показани значителни разлики. За тампони за нос и гърло са включени всички заразени индивиди (коронавирус, n = 17; грипен вирус, n = 43; риновирус, n = 54). За респираторни капчици и аерозоли броят на заразените лица, които предоставиха проби за издишване, докато не носят или носят хирургическа маска за лице, съответно са: коронавирус (n = 10 и 11), грипен вирус (n = 23 и 28) и риновирус (n = 36 и 32). Подгрупа от участници предоставиха проби за издишване и за двете интервенции на маска (коронавирус, n = 4; грипен вирус, n = 8; риновирус, n = 14). Графиките кутийки означават средната стойност с интерквартилния диапазон (долен и горен шарнир) и ± 1,5x интерквартилен диапазон от първия и третия квартил (долен и горен панел)

Таблица 1а | Характеристики на индивиди със симптоматична коронавирус, грипен вирус или риновирусна инфекция и
Таблица 1б | Ефективност на хирургични маски за лице за намаляване на честотата на откриване на респираторния вирус и отделяне на вируси в дихателните капчици и аерозоли на симптоматични индивиди с коронавирусна, грипен вирус или риновирусна инфекция

Обсъждане

Нашите резултати показват, че аерозолното предаване е потенциален начин на предаване за коронавируси, както и грипни вируси и риновируси. Публикувани проучвания откриват респираторни вируси13,14, като грипен12,15 и риновирус16 от издишан дъх, и откриване на SARS-CoV17 и MERS-CoV18 от въздушни проби (без фракциониране по размер), събрани от болници, лекуващи пациенти с тежък остър респираторен синдром и близкоизточен респираторен синдром, но ние демонстрираме откриване на сезонни човешки коронавируси при издишване, включително откриване на OC43 и HKU1 от дихателни капчици и NL63, OC43 и HKU1 от аерозоли.

Нашите открития показват, че хирургическите маски могат ефективно да намалят отделянето на частици от грипен вирус в околната среда в дихателните капчици, но не и в аерозолите12. Както предишното, така и настоящото изследване използваха устройство за събиране на биоаерозол, Gesundheit-II (G-II) 12,15,19, за да улавят издишани частици от дъха и да ги разделят на две фракции по размер, при което издишваните груби частици от дъха > 5 pm (дихателни капчици) се събират чрез удар с инерционен тефлонов импактор с прорез от 5 pm и останалите фини частици < 5 pm (аерозоли) се събират чрез кондензация в буфер. Доказахме също ефикасността на хирургическите маски за намаляване на откриването на коронавирус и вирусни копия в големи респираторни капчици и в аерозоли (Таблица 1б). Това има важни последици за контрола на COVID-19, което предполага, че хирургичните маски за лице могат да се използват от болни хора за намаляване на предаването нататък.

Сред пробите, събрани от участници без маска за лице, установихме, че по-голямата част от участниците с грипен вирус и коронавирусна инфекция не са отделили откриваем вирус в респираторни капчици или аерозоли, докато при риновирус открихме вирус в аерозоли при 19 от 34 (56%) участници (в сравнение с 4 от 10 (40%) за грип и 8 от 23 (35%) за коронавирус). За тези, които са отделили вирус в респираторни капчици и аерозоли, вирусното натоварване и при двете групи има тенденция да е ниско (Фигура 1). Като се има предвид високата ефективност на събиране на G-II (Литература 19) и като се има предвид, че всяко събиране на издишван дъх се провежда в продължение на 30 минути, това може да означава, че за предаването ще е необходим продължителен близък контакт, дори ако предаването е основно чрез аерозоли , както е описано за риновирусни настинки20. Нашите резултати също показват, че би могло да има значителна хетерогенност при заразяване на хора с коронавирус и грипни вирусни инфекции.

Основното ограничение на нашето изследване беше големият дял на участниците с неоткриваемо вирусно отделяне при издишване за всеки от изследваните вируси. Бихме могли да увеличим продължителността на вземането на проби над 30 минути, за да увеличим задържането на вируса, с цената на приемливост при някои участници. Алтернативен подход би бил да се поканят участниците да извършват принудително закашляне по време на събирането на издишван дъх12. Целта на нашето настоящо изследване обаче беше да се съсредоточим върху възстановяването на респираторен вирус при издишване в реална ситуация и очаквахме, че някои хора по време на остро респираторно заболяване не биха кашляли много или изобщо. Всъщност, ние идентифицирахме РНК на вируса при малък брой участници, които изобщо не кашляха по време на 30-минутното събиране на издишван дъх, което би предположило, че капсулите и аерозолните пътища на предаване са възможни от индивиди без очевидни признаци или симптоми. Друго ограничение е, че не потвърдихме инфекциозността на коронавирус или риновирус, открити при издишван дъх. Докато G-II е проектиран да запази жизнеспособността на вирусите в аерозолите и в настоящото изследване успяхме да идентифицираме инфекциозен грипен вирус в аерозолите, ние не се опитвахме да култивираме коронавирус или риновирус от съответните проби аерозол.

Онлайн съдържание

Всякакви методи, допълнителна литература, обобщения, изходни данни, разширени данни, допълнителна информация, потвърждения, информация за преглед; подробности за авторските приноси и конкуриращи се интереси; и изявления за наличност на данни и код са достъпни на https://doi.org/10.1038/s41591- 020-0843-2.

Литература

1. Nichols, W. G., Peck Campbell, A. J. & Boeckh, M. Respiratory viruses other than influenza virus: impact and therapeutic advances. Clin. Microbiol. Rev. 21, 274-290 (2008).

2. Shiu, E. Y. C., Leung, N. H. L. & Cowling, B. J. Controversy around airborne versus droplet transmission of respiratory viruses: implication for infection prevention. Curr. Opin. Infect. Dis. 32, 372-379 (2019).

3. Tellier, R., Li, Y., Cowling, B. J. & Tang, J. W. Recognition of aerosol transmission of infectious agents: a commentary. BMC Infect. Dis. 19, 101 (2019).

4. Xiao, J. et al. Nonpharmaceutical measures for pandemic influenza in nonhealthcare settings-personal protective and environmental measures. Emerg. Infect. Dis. https://doi.org/10.3201/eid2605.190994 (2020).

5. Kutter, J. S., Spronken, M. I., Fraaij, P. L., Fouchier, R. A. M. & Herfst, S. Transmission routes of respiratory viruses among humans. Curr. Opin. Virol. 28, 142-151 (2018).

6. Cowling, B. J. & Leung, G. M. Epidemiological research priorities for public health control of the ongoing global novel coronavirus (2019-nCoV) outbreak. Euro Surveill. https://doi.org/10.2807/1560-7917.ES.2020.25.6.2000110 (2020).

7. Han, Q., Lin, Q., Ni, Z. & You, L. Uncertainties about the transmission routes of 2019 novel coronavirus. Influenza Other Respir. Viruses https://doi. org/10.1111/irv.12735 (2020).

8. MacIntyre, C. R. & Chughtai, A. A. Facemasks for the prevention of infection in healthcare and community settings. BMJ 350, h694 (2015).

9. Haeri, G. B. & Wiley, A. M. The efficacy of standard surgical face masks: an investigation using “tracer particles”. Clin. Orthop. Relat. Res. 148, 160-162 (1980).

10. Patel, R. B., Skaria, S. D., Mansour, M. M. & Smaldone, G. C. Respiratory source control using a surgical mask: an in vitro study. J. Occup. Environ. Hyg. 13, 569-576 (2016)

11. Johnson, D. F., Druce, J. D., Birch, C. & Grayson, M. L. A quantitative assessment of the efficacy of surgical and N95 masks to filter influenza virus in patients with acute influenza infection. Clin. Infect. Dis. 49, 275-277 (2009).

12. Milton, D. K., Fabian, M. P., Cowling, B. J., Grantham, M. L. & McDevitt, J. J. Influenza virus aerosols in human exhaled breath: particle size, culturability, and effect of surgical masks. PLoS Pathog. 9, e1003205 (2013).

13. Huynh, K. N., Oliver, B. G., Stelzer, S., Rawlinson, W. D. & Tovey, E. R. A new method for sampling and detection of exhaled respiratory virus aerosols. Clin. Infect. Dis. 46, 93-95 (2008).

14. Stelzer-Braid, S. et al. Exhalation of respiratory viruses by breathing, coughing and talking. J. Med. Virol. 81, 1674-1679 (2009).

15. Yan, J. et al. Infectious virus in exhaled breath of symptomatic seasonal influenza cases from a college community. Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, 1081-1086 (2018).

16. Tovey, E. R. et al. Rhinoviruses significantly affect day-to-day respiratory symptoms of children with asthma. J. Allergy Clin. Immunol. 135, 663-669 (2015).

17. Booth, T. F. et al. Detection of airborne severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus and environmental contamination in SARS outbreak units. J. Infect. Dis. 191, 1472-1477 (2005).

18. Kim, S. H. et al. Extensive viable Middle East respiratory syndrome (MERS) coronavirus contamination in air and surrounding environment in MERS isolation wards. Clin. Infect. Dis. 63, 363-369 (2016).

19. McDevitt, J. J. et al. Development and performance evaluation of an exhaled-breath bioaerosol collector for influenza virus. Aerosol Sci. Technol. 47, 444-451 (2013).

20. Jennings, L. C. & Dick, E. C. Transmission and control of rhinovirus colds. Eur. J. Epidemiol. 3, 327-335 (1987).