编制按
境外的新冠疫情输入性风险持续存在，国内上海、长春、北京、无锡等地近期都经历了疫情。德尔塔、奥密克戎新变异毒株的出现，它们更高的病毒载量和更低的最小感染剂量，使得新冠疫情防控压力倍增。在此情形下，既往推行的防控措施是否适用、广大群众及医疗机构广泛使用的外科口罩是否足以防范变异病毒等都需要进一步科学研究。本文利用蒙特卡罗模型，对不同情况下感染者的病毒排放等情况进行对比分析，为科学、精准进行新冠疫情防控提供循证依据。
更高病毒载量和传染性增加变异新冠病毒德尔塔(Delta)和奥密克戎(Omicron)气溶胶传播风险翻译：厦门市长庚医院 陈婷婷
初审：厦门大学附属第一医院 秦维霞
终审：厦门大学附属第一医院 黄辉萍
检索：莫元春（东莞市人民医院）
审核：李春辉（中南大学湘雅医院）
摘要 目的 空气传播是新冠病毒（SARS-CoV-2）的重要传播途径。对于野生型(WT)，只有一小部分感染者释放出大量的病毒。目前流行和关注的变种新冠病毒德尔B1.617.2和奥密克戎B.1.1.529，与野生型相比，其特征是有更高的病毒载量和更低的最低感染剂量。我们的目的是通过分析排放在空气中病毒的分布情况，对更高的病毒载量和传染性下的公共环境重新进行风险评估。方法 我们重新建立蒙特卡罗模型，利用可用的病毒载量数据估算通过细小气溶胶产生的病毒排放。我们还更新了工具，包括一个二氧化碳计算器和循环空气净化装置，以模拟新冠病毒（SARS-CoV-2）在室内空气传播。我们还评估了公共环境中不同的保护策略下较低的临界剂量对感染风险的影响。结果 我们的模型表明，感染新变种的个体中，有很大一部分是高、极高或超高空气传播病毒的排放者：病毒超高排放者野生型(WT)的感染者占比为1/1000，而德尔塔(Delta)为1/30，奥密克戎(Omicron)则是1/20或1/10，这取决于病毒载量评估。鉴于临界剂量较低，对防护策略有效性的测试表明，在大多数公共场合，外科口罩已不再足够，而正确佩戴FFP2口罩仍可提供足够的防护，但在唱歌或喊叫等产生高浓度气溶胶的情况下除外。讨论 从气溶胶传播的角度来看，高排放者比例增多以及临界剂量的大幅降低，可能是气溶胶风险的两个重要推动因素，导致了德尔塔(Delta)和奥密克戎(Omicron)病毒的迅速扩散。减少接触、在室内始终佩戴适合的FFP2口罩、保持通风和其他方法来降低空气传播的病毒浓度，以及避免大声说话的情况，这些可能都是控制最新一波新冠肺炎（COVID-19）大流行的关键。
前言
当被感染的人呼出气溶胶时，房间内的病毒浓度是多少?对该房间内的其他人产生感染的剂量和相关风险是多少?我们之前描述了用这些问题建模的方法：它将肺部和喉咙中的病毒载量与已知的呼吸气溶胶排放量结合起来。由此产生的病毒发射强度可用于混合良好的房间内进行模拟，该模拟还考虑了房间大小、空气交换率和病毒在空气中传播时的半衰期。我们的模型表明，如果感染者的病毒载量很高，尤其是在通风不良的房间里，病毒浓度可以迅速达到临界水平。在这个概念的基础上，我们随后建立了蒙特卡罗模型，该模型描述了沉默、轻声说话或大声说话的受感染人群的病毒排放的预期分布。与此同时，我们运用带一个电子程序的工具即一个室内场景模拟器，可以根据房间和通风参数、不同的声音和身体活动以及传播者和接收器佩戴的口罩类型，快速评估新冠病毒（SARS-CoV-2）在室内的空气传播。这个工具包括对“近场”的评估，即靠近发射源的区域。我们通过增加循环空气净化参数和CO2模拟器对工具进行了更新。
这些初始模型是针对病毒的野生型（WT）开发的。与此同时，出现了几个令人担忧的新变异毒株。特别是Delta (B1.617.2)和Omicron (B.1.1.529)被报道具有很强的传播能力，传播速度很快。目前可用的数据表明，所有的变异病毒株都比野生型（WT）具有更高的病毒载量。在英国，S基因靶标失效样本的平均聚合酶链反应(PCR)周期阈值(CT值)从奥密克戎(Omicron)之前的30左右迅速下降到23，而奥密克戎(Omicron)在感染人群中比重仍然只有一位数的百分比。根据监测曲线推断，奥密克戎(Omicron)的平均病毒载量大约是德尔塔的10到100倍。
德尔塔(Delta)和奥密克戎(Omicron)也都具有更高的传播能力:研究发现，特定数量的核糖核酸(RNA)病毒复制感染的细胞数量分别增加了两倍和四倍此外，奥密克戎(Omicron)似乎更具有免疫逃逸的特点。这意味着需要降低病毒复制的临界剂量，超过这个剂量，就可能具有传染性。对于野生型（WT），我们提出了500个病毒复制的临界剂量。如果上述感染细胞的能力转化为感染风险，这将意味着德尔塔(Delta)约300份病毒复制的临界剂量和奥密克戎(Omicron)约100份病毒复制的临界剂量。
为评估由观察到的较高的病毒载量和传染性引起的新变种传染风险。为此，我们评估了人群中高、极高和超高排放者个体在人群中的发生率，并评估了较低临界剂量的结局。
方法
我们使用前面描述的蒙特卡罗方法模拟了感染人群的排放分布。简而言之，我们从记录在案的不同声音强度的气溶胶排放种群分布中随机抽取样本，计算细颗粒物粒径范围内的排放量。然后，我们将这个气溶胶排放体积与病毒载量中的随机样本相乘，得到以细气溶胶形式的病毒排放。我们将这种随机抽样方法重复了10万次，以获得总体的组合分布。
为了对相关变量进行建模，我们改变了病毒载量分布的来源如下：对于德尔塔(Delta)，我们评估了已发布的数据，并在每次蒙特卡洛迭代中，从一个均值为108.5个病毒复制ml-1的对数正态分布中提取样本。对于奥密克戎(Omicron)，我们从两个假设的对数正态分布中随机抽样。在场景“Ox10”(“奥密克戎的病毒载量是德尔塔的10倍”)中，我们使用的是平均109.5个病毒复制ml-1，而在场景“Ox100”(“奥密克戎的病毒载量是德尔塔的100倍”)中，我们使用的是平均1010.5个病毒复制ml-1。在所有三个模型中，我们假设四分位数为103，对应于2.2239的log-10标准差，并对1012个病毒复制ml-1以上的病毒载量重新采样，以便不大大超过有史以来报告的最高病毒载量。
前面介绍了用于模拟室内空气中病毒浓度和由此产生的病毒剂量的工具。它基于一个近场/远场混合良好的模型，作为它的排放者——估计当一个人沉默、轻声说话或大声说话时气溶胶中病毒的排放率。操作者可以调整病毒排放因素，如音量、身体活动程度和佩戴的口罩类型;房间特性，如房间容积、换气率和平均风速；以及受体方面的因素，如戴口罩和关键的病毒剂量。近场/远场混合良好模型，然后将这些因素与病毒在空气中的半衰期结合起来，并提供病毒在房间中设定时间后的剂量和达到临界剂量前的时间。模型的近场部分模拟排放者周围空间的空气，而远场部分描述房间的其余部分。
在最近更新的版本中，我们将单一换气替换为室外送风和循环空气净化装置两项，均以换气速率等值表示。对于循环空气交换，我们进一步设定输入每小时洁净空气输送率(CADR)除以房间容积。该工具在计算病毒浓度时将两种速率合并为一个联合速率。我们还向该工具添加了一个CO2计算器，它可以每四分之一小时以及离开房间时估算CO2浓度。CO2计算器也使用了一个混合良好的房间方程，但只考虑了外部空气供应。它假设呼出的CO2浓度为35000 ppm，并根据传播者的运动水平设置呼吸量。默认情况下，该工具假定起始浓度为400ppm，但它允许专业操作者定义其他起始浓度值。我们还考虑到许多人戴的口罩与面部不贴合，添加了“不贴合口罩”这一类别，定义为“不贴合鼻子、脸颊或下巴，留下缝隙的社区用口罩或一般卫生口罩”。在两个呼吸方向上，其效率都设定为40%。病毒剂量和最初两小时CO2浓度的时间进程图补充了这些变化。它们包含用户定义的临界病毒剂量(默认设置为300病毒复制)和一般的室内空气质量指导的CO2浓度800到1000ppm(开始认知性能下降和病态建筑综合症)，2000ppm(开始出现对身体有健康的影响,如疲劳、头痛等)和5000ppm(瑞士和其他国家的8小时职业工作限值)。该工具被翻译成许多不同的语言，并在共享署名许可下从第一作者的网站(
https://scoeh.ch/)免费提供。
结果与讨论
图1显示了受感染人群在安静状态下不同个体说话时的病毒排放分布。仅呼吸和大声说话（未显示）的分布看起来相同，但各自在较低和较高值波动。对于德尔塔(Delta)，甚至对于奥密克戎(Omicron)，分布向极高的病毒排放转移。在这个工具的新版本中，我们保留了先前使用的排放者强度，用于定义高、极高和超高排放者，以确保该工具不同版本之间的一致性。然而，重要的是要认识到，这类排放者目前在受感染人群中所占比例要大得多。最值得注意的是超高排放者的频数大幅增加，图1中超高排放者标记线右侧曲线下的区域表示。
表1列出了安静说话的排放强度，并比较了野生型（WT）、德尔塔(Delta)和两个奥密克戎(Omicron)估计值的关键排放特征。超高排放者曾经代表着大约每1000个感染野生型（WT）、德尔塔(Delta)和两个奥密克戎(Omicron)估计值的关键排放特征。超高排放者曾经大约每1000个感染野生型(WT)的人中出现一个，现在变得更加频繁：在感染德尔塔(Delta)的人中，每30个中就有一个；而对于奥密克戎(Omicron)，比例是1/20或1/10，这取决于使用的病毒载量估计。超高排放者的排放会迅速导致室内环境中的浓度升高，而这与之前报道的超级扩散事件有关。因此，这一增长引起关切。同样不应忽视高排放和极高排放个人比例的增加，这种排放可以在短时间内分别在中型和小型房间中造成临界浓度。这意味着，对奥密克戎(Omicron)而言，1/2至2/3的感染者向空气中释放足够的病毒，通过空气传播对他人构成切实的感染风险。总之，病毒载量的增加似乎可能是观察到的新变种快速传播的关键因素。
另一个挑战是更高的传染性，这意味着更低的剂量即可传播病毒。表2列出了野生型(WT)流行时我们模拟的常见公共情况。办公室、餐厅、歌舞厅和公共交通中的大多数情况都可以通过正确佩戴外科口罩达到有效防护。然而，对于德尔塔(Delta)而言，这些情境已变得严峻（定义为高于临界剂量）。对于奥密克戎(Omicron)来说，几乎所有情境都很严峻，甚至非常严峻（超过临界剂量的两倍）。在大多数情况下，FFP2呼吸器仍能提供足够的保护，因为如果正确佩戴，它们至少能去除95%的吸入气溶胶。然而，当在极端气溶胶形成的情况下长时间工作时，即使FFP2呼吸器也可能不足够，如歌舞厅中的超高传播者所示，在歌舞厅中需要用非常响亮的声音进行沟通交流。
图1：感染野生型(WT)、德尔塔(Delta)和奥密克戎(Omicron)变异的人群在低声音密度下说话时的病毒排放分布。红线表示高排放者(WT的90个百分位)、极高排放者(99个)和超高排放者(99.9个)阈值。Ox10和Ox100表明，假设奥密克戎(Omicron)的平均病毒载量是Delta的10倍和100倍
表1：对Delta公布的病毒载量数据以及对Omicron (Ox10和Ox100)的两种病毒载量估计进行描述性统计，以pm10大小的部分进行无声发言。对于预定义的排放者类型，WT分布中的百分位数(pct.)和新的百分位数被显示出来。
表2：在超级排放者存在的频繁公共场合，较低的临界剂量的结果。除非另有说明，每个人都戴着外科口罩(部分复制自CCBY 4.0下的)，每小时换一次空气。声音强度:“说话”=低强度的声音活动。说明:“严峻”=超过临界剂量，“非常严峻”=超过临界剂量的两倍。
总之，我们的模型和风险评估表明，更高的病毒载量和增加的传染性可能是德尔塔(Delta)和奥密克戎(Omicron)病毒快速传播的重要原因。然而，从原则上讲，病毒变异可能通过更多的方式影响气溶胶传播。例如，目前尚不清楚受感染个体的气溶胶形成在多大程度上得到了改变，尽管黏液粘度的改变可导致这种改变。此外，声带附近的病毒产量增加，这是气溶胶产生最多的地方，可能会增加病毒的排放量。需要更多的研究来解决这些问题。
用例：当使用该工具时，重要的是要理解房间中的CO2和病毒浓度遵循不同的数字变化过程。每增加一个人，CO2就会增加。相比之下，病毒浓度遵循随机过程:只有当房间里的一个人具有传染性时，病毒浓度才会增加。病毒能在房间里积聚多少，在很大程度上取决于病毒的释放强度和感染者的活动。这可以通过一个使用该工具的例子来说明:一个容纳20名青少年的班级教室，容积为250立方米，机械通风，每小时提供3次室外空气交换。假设老师安装了一个CADR为500m3 h-1的循环空气净化器。在5%的光照条件下，该工具预测在15、30、45和60分钟后CO2浓度分别为640、760、810和840ppm。为了确认通风是否有效，老师可以使用简单的CO2监测仪来检查测量的时间进程是否在一个相近的范围内。就CO2排放而言，房间没问题。但是病毒剂量呢?如果每个人都戴着不合适的口罩，德尔塔(Delta)的教室应该没问题，但奥密克戎(Omicron)的教室就不行了，尤其是考虑到他们每天有好几节课。如果每个人都戴上合适的外科口罩，情况似乎仍然安全。然而，一整节歌唱课是不可取的，因为如果将病毒复制数设置为100份(如果不戴口罩，4分钟后就会达到100份)，那么需要严密的FFP2口罩才能保持在临界剂量以下。因此，课堂上的活动在进行之前应该仔细评估。对于那些看起来仍然安全的活动，CO2的时间过程可以表明通风是否符合该活动的需要。
参考文献
Michael Riediker,Higher viral load and infectivity increase risk of aerosol transmission for Delta and Omicron variants of SARS-CoV-2,Swiss Medical Surgery,2022;152:w30133
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发表于 2022-7-25 10:59
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