Robert Langer的新冠传染大揭秘:呼出气溶胶与COVID-19感染与人体生理变化

【引言】

严重的急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）通过人们咳嗽或打喷嚏时呼出的大液滴和人们自然呼吸时在其呼吸道中产生的很小的液滴的组合在空气中传播。人们对呼出的呼吸道飞沫如何在个体之间发生变化，在个体内随时间变化以及随着COVID-19感染的发作和进展而发生变化的了解很少，但对于弄清COVID-19传播的性质以及其他高度传染性的空气传播呼吸系统疾病至关重要，例如流感和结核病（TB）。当我们呼吸，说话，咳嗽和打喷嚏时，上呼吸道中快速气流的作用会导致呼出气中呼吸道飞沫的产生。在正常呼吸过程中，在吸气流量达到峰值时，气管和主支气管中的空气速度可达到湍流速度。气道衬里的稀薄粘液层（5μm至10μm）上的急流会将粘液表面破碎成小滴，就像强风在海面产生分裂并喷向海洋表面一样。这种液滴破裂的性质和程度取决于粘液本身的表面性质。在最影响液滴产生和液滴尺寸的特性中，表面粘弹性和表面张力是最重要的。在气道衬里粘液中，这两种性质都随肺表面活性剂的类型和浓度以及紧靠空气表面的粘液的组成和结构而变化。因此，表面活性剂和粘蛋白的组成和结构变化，部分是受人类状况的生理变化（包括饮食，衰老和COVID-19感染本身）的驱动，因此可以预期在呼吸过程中会改变液滴的产生和液滴的大小。

【成果简介】

       COVID-19通过呼吸过程中从呼吸道粘液表面产生的小滴传播，该过程在受严重急性呼吸系统综合症冠状病毒2（SARS-CoV-2）病毒感染的宿主内进行。Robert Langer&David Edwards&Chad Roy研究了有和没有COVID-19感染的人类和非人类灵长类动物的呼吸道液滴的产生和呼出，以探讨SARS-CoV-2感染以及生理状态的其他变化是否转化为可观察到的呼出呼吸道液滴的数量和大小的演变。在观察性队列研究中，对194名健康人的呼出气颗粒进行了观察，并在实验中研究了8例被SARS-CoV-2气溶胶感染的非人类灵长类动物：在受试者之间呼出的气溶胶颗粒之间存在三个数量级的差异的数量级，呼出的呼吸飞沫数量随COVID-19感染程度和BMI年数的升高而增加。实验观察到18％的人类受试者（35）占了该组呼出的生物气雾剂（194）的80％，这反映了生物气雾剂的超级扩散器分布，类似于经典的20:80感染分布的超级扩散器。这些发现表明，在缺乏有效且广泛传播的疫苗的情况下，对呼出气溶胶的定量评估和控制对于减慢COVID-19在空气中的传播可能至关重要。该成果以题为“Exhaled aerosol increases with COVID-19 infection,

age, and obesity”发表在PNAS上。

【图文导读】

Figure 1.No Evil Foods的74名基本工人和大急流城社区学院的120名志愿者的呼气颗粒物

（A）所有参加者 （B）“超级传播者”参与者（C）“超级散布者”参与者；（四）“低传播”参与者

Figure 2.呼气微粒与BMI、年龄的函数关系

Figure 3.在实验感染的猕猴（RM）和非洲绿猴（AGM）中呼出的呼吸颗粒和相应的基因组SARS-CoV-2病毒RNA

Figure 4.实验感染的恒河猴（RM）和非洲绿猴（AGM）的呼出气颗粒和相应的粒径分布

Figure 5.感染了Mtb的猕猴（n = 4）的呼出气颗粒和相应的粒径分布

【小结】

NHP中COVID-19感染高峰期小呼吸道小液滴的比例增加，这证实了先前发表的单个COVID-19阳性人类受试者呼出气溶胶曲线的观察结果，并表明在高峰期感染可能由于通过传统口罩和非常远超过2 m的常规社交距离的传播距离的非常小的液滴，SARS-CoV-2在空中传播的风险较高。对COVID-19大流行的科学反应主要集中在开发治疗性药物和预防性疫苗上。在等待治愈或广泛采用的有效疫苗之前，科学界可能建议通过恢复气道内衬粘液屏障功能，特别是降低其倾向性，集中精力管理COVID-19。气道内衬粘液在自然呼吸的作用下会分解，否则不希望在未感染和未感染的年轻人的气道中发生。呼出的气溶胶数量似乎不仅是疾病进展的指标，而且还是未感染个体中疾病风险的标志。监测（作为诊断手段）也可能是控制COVID-19和其他呼吸道传染病（包括结核病和流感）的传播和感染时要考虑的重要策略。

文献链接：Exhaled aerosol increases with COVID-19 infection,

age, and obesity, PNAS, 2021, DOI:10.1073/pnas.2021830118

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