客观日本

【新型肺炎】东京大学实验明确各种口罩对新冠病毒空气传播的防护效果

2020年10月27日 生物医药

本文根据东京大学研究成果发布资料编译而成

东京大学医科学研究所感染与免疫部门病毒感染领域的河冈义裕教授等人组成的研究团队,明确了口罩对新冠病毒(SARS-CoV-2)空气传播的防护效果以及正确使用口罩的重要性。

SARS-CoV-2引起的COVID-19于2019年底在中国爆发,随后发展成全球规模的大流行传染病,至今仍没有平息的迹象。飞沫和气溶胶感染被认为是主要感染途径,专家建议佩戴口罩来预防感染,但此前一直不清楚口罩对漂浮的病毒有多大程度的防护效果。

东京大学医科学研究所在生物安全等级(BSL)为3级的设施内开发了可以喷出SARS-CoV-2病毒的实验室,并在其中设置了连接人工呼吸机的人体模型,调查了透过人体模型佩戴的口罩的病毒量。结果显示,佩戴口罩可以同时抑制SARS-CoV-2在空气中的扩散和人体的吸入。

另外研究人员还发现,N95口罩的防护性能最高,但佩戴方式不正确的话,防护效果会下降,而且单凭口罩无法彻底防止病毒吸入。通过明确口罩对SARS-CoV-2的防护效果以及充分发挥这种效果的条件,有助于倡导民众正确佩戴口罩。

为调查口罩对空中漂浮的SARS-CoV-2有多大的防护效果,研究团队此次开发了可以利用SARS-CoV-2模拟病毒空气传播的特殊实验舱(图1)。

研究团队在病毒喷雾实验舱中设置了人体模型并连接喷雾器,可以通过飞沫和气溶胶的方式,以与人的咳嗽相同的速度从人体模型口中释放SARS-CoV-2。用来吸入病毒的人体模型则连接了人工呼吸机,能以与人类相同的换气频率呼吸,通过在呼吸路径设置用明胶膜制作的病毒捕集装置,可以捕集人体模型吸入的空气中含有的病毒颗粒。

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图1:在BSL3设施内设置的病毒喷雾实验舱
从左侧的人体模型口中喷出SARS-CoV-2,并在实验舱内扩散。右侧的人体模型连接着人工呼吸机,吸入的病毒颗粒被捕集到病毒回收装置中。

研究团队首先调查了喷出侧人体模型和吸入侧人体模型之间的距离与病毒吸入量的关系,结论是离释放病毒的人体模型越远,SARS-CoV-2的吸入量越少。另外还发现,即使距离1m远,也会吸入病毒(图2)。

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图2:距离对病毒吸入的影响
调查了喷出SARS-CoV-2的人体模型与吸入SARS-CoV-2的人体模型之间的距离发生变化时对病毒吸入量的影响。离释放病毒的人体模型越远,病毒的吸入量越少。

接下来,研究人员为病毒吸入侧的人体模型佩戴各种口罩,调查了病毒的吸入量。结果显示,与不戴口罩相比,佩戴布口罩时能将病毒吸入量降至60-80%,而正确佩戴N95口罩则可以降至10-20%(图3)。

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图3:佩戴口罩防止病毒吸入的效果
为吸入侧人体模型佩戴口罩,调查了对病毒吸入量的影响。结果显示,N95口罩对病毒吸入的防护效果最好,但佩戴时如果没有紧密贴合面部,防护效果则会下降。

另外研究还发现,N95口罩如果没有紧密贴合面部,防护效果会下降,而且即使紧密贴合完全没有缝隙,也会有一定量的SARS-CoV-2透过口罩。接下来,研究团队为病毒喷出侧的人体模型佩戴口罩,然后再向空间内喷出SARS-CoV-2,发现佩戴口罩可以大幅降低病毒的吸入量(图4)。

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图4:佩戴口罩防止病毒扩散的效果
为病毒喷出侧的人体模型佩戴口罩,调查了对病毒吸入量的影响。布口罩、外科口罩和N95口罩都有防止病毒扩散的效果。

这表明,与抑制病毒吸入相比,口罩在减少释放病毒量方面效果更高。为病毒喷出侧的人体模型佩戴布口罩或者外科口罩,同时为吸入侧的人体模型也佩戴各类口罩,能进一步减少病毒吸入量。

上述实验为确保定量性,喷出高浓度的病毒进行了解析。由于不清楚SARS-CoV-2感染者呼出的气体中含有的病毒量,还实施了分阶段减少病毒喷出量的实验,确认佩戴布口罩、外科口罩和N95口罩时,透过口罩的感染性病毒均未达到检测限(图5)。

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图5:喷出少量病毒时对病毒吸入的影响
减少喷出的病毒量(1×104PFU),调查了对病毒吸入量的影响。即使正确佩戴N95口罩,也检测出了透过口罩的病毒RNA。

另一方面,无论佩戴哪种口罩都检测出了病毒基因。今后需要进一步解析实际感染者喷出的病毒是否会透过口罩引起感染,但此次的研究表明,光凭口罩无法完全防止吸入漂浮在空气中的SARS-CoV-2。

以上的研究成果有助于理解正确佩戴口罩的重要性以及制定预防感染传播的指南,比如避免过度信赖口罩的防护效果,考虑与其他预防感染传播的措施相结合等。

论文信息
题目:Effectiveness of face masks in preventing airborne transmission of SARSCoV-2
期刊:mSphere(10月21日在线版)
DOI:10.1128/mSphere.00637-20

研究成果发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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