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口罩有效限制了SARS-CoV-2传播的可能性

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科学2021年6月25日:
第372卷,6549期,1439-1443页
DOI: 10.1126 / science.abg6296

屏蔽空气共享

自2019冠状病毒病大流行开始以来,口罩在预防严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2传播方面的有效性一直备受争议。一个重要的问题是,尽管咳嗽和打喷嚏时呼吸道物质被强行排出,口罩是否有效。郑et al。令人信服地表明,大多数人生活在空气传播病毒负荷低位的条件下。感染的概率因人暴露的呼吸道数量而变化。如果更广泛的社区中的大多数人甚至穿着简单的外​​科口罩,那么遇到病毒粒子的概率甚至也有限。在室内设置中,避免在别人呼出的空气中呼吸,以及在病毒浓度最高的医院情况下,即使是没有其他保护齿轮的最佳掩模,也不提供足够的保护.

科学, abg6296,此问题p。1439

摘要

通过液滴和气溶胶的机载变速器对于病毒的传播很重要。面部面膜是一种完善的预防措施,但它们对减轻严重的急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-COV-2)传输的有效性仍在辩论。我们表明掩模效能的变化可以通过不同的病毒丰富制度来解释,与人口平均感染概率和再现数有关。对于SARS-COV-2,传染性人的病毒载量可以随着数量级的秩序而变化。我们发现大多数环境和联系人都在低病毒丰度(病毒限制)的条件下,外科口罩在预防病毒蔓延方面是有效的。在潜在的病毒丰富的室内环境中需要更先进的面具和其他防护设备,包括医疗中心和医院。掩模与其他预防措施相结合特别有效,如通风和偏移。

空气传播是包括SARS-CoV-2在内的呼吸道病毒的主要传播途径之一(1).人们普遍提倡戴口罩以减少传播。口罩被认为可以通过两种方式保护人们:源头控制,减少通过空气飞沫和气溶胶排放和传播呼吸道病毒;保护佩戴者,减少吸入空气传播的呼吸道病毒。

然而,口罩的有效性仍存在争议。与N95或FFP2口罩相比,它们的微粒渗透率非常低(~5%),外科口罩和类似的口罩表现出更高的渗透率(~30 - 70%)(23.).鉴于呼吸后发出的大量颗粒,特别是在打喷嚏或咳嗽时(4),可能穿透口罩的呼吸颗粒物数量相当可观,这是人们怀疑口罩预防感染效果的主要原因之一。此外,随机临床试验显示出不一致或不确定的结果,一些研究报告称使用口罩只有边际效益或没有效果(56).因此,手术和类似的面具通常被认为是无效的。另一方面,观察数据显示,佩戴面罩较高百分比百分比的地区或设施可以更好地控制Covid-19(7- - - - - -9).那么我们如何解释这些对比鲜明的结果和明显的不一致呢?

在这项工作中,我们开发了一种空中病毒暴露的定量模型,可以解释这些对比结果,并为量化面部面具的功效提供基础。我们表明掩模效能强烈取决于空气传播的病毒丰富。在空气样本和人口水平的感染概率中的SARS-COV-2直接测量的基础上,我们发现大多数环境中的病毒丰度对于助手有效地减少空气传输有效。

在评估口罩的有效性时,我们希望了解并量化它们对感染概率的影响,P.假设每种吸入的单身病毒(病毒群岛)都有相同的机会感染一个人,P可以通过一个单一的感染模型来计算吗 P 1 - 1 - P NG.ydF4y2Ba v (1)在哪里P表示单个病毒和的感染概率NG.ydF4y2Bav表示该人暴露的病毒总数(10.).对于空气传播,感染概率P对于给定的时间段可以作为吸入病毒号码的函数绘制,NG.ydF4y2Bav

图1说明了PNG.ydF4y2Bav基于单次媒体模型(情商。)由中位传染剂量ID缩放50 v,感染概率为50%(10.).它显示出高度非线性敏感性P的变化NG.ydF4y2Bav.相应地,相同百分比的变化NG.ydF4y2Bav可能会导致不同的变化P取决于绝对水平NG.ydF4y2Bav.在一个病毒丰富的地区NG.ydF4y2Bav比ID高多少50 v,图1,A和B),P接近统一,对变化不敏感NG.ydF4y2Bav.在这种情况下,穿着面膜可能不足以防止感染。在病毒限制的政权中,在哪里NG.ydF4y2Bav接近或低于ID50 v,然而,P强烈不同NG.ydF4y2Bav,减少NG.ydF4y2Bav通过佩戴面罩,将导致感染概率大幅度降低(图1,C, D).因此,我们需要确定空气中病毒丰度的机制,以了解口罩的功效。

图1 呼吸粒子和病毒丰富的不同政策的示意图。

一个D)实曲线表示感染概率(P)作为吸入病毒数目(NG.ydF4y2Bav)由中位传染剂量ID缩放50 v,此时P= 50%。在富含病毒的制度[(a)和(b)]中,空气传播病毒的浓度如此之高,以至于吸入和没有面具的病毒数量(NG.ydF4y2Bav,蒙面NG.ydF4y2Bav)比ID高得多50 v,, 和P即使使用掩模,仍然接近〜1。在病毒限制的方案[(c)和(d)]中,NG.ydF4y2BavNG.ydF4y2Bav,蒙面接近或低于ID50 v,, 和P使用口罩时,即使口罩不能防止吸入所有呼吸颗粒物,也会大幅减少。在(B)和(D)中,红点代表含有病毒的呼吸颗粒,开放的绿色圆圈代表没有病毒的呼吸颗粒。在(B)和(D)中使用的男子图标是由Tinu CA制作的www.freeicons.io.,分布下cc-by 3.0

呼吸颗粒,包括气溶胶颗粒和较大的液滴,可携带病毒,并常被用来显示空气传播的病毒(4).采取呼吸活动的代表性平均值(11.),我们发现一个人通常发出总数〜3×106(补充文本,S1.1节)。这个非常大的数字意味着室内环境通常是在一个呼吸颗粒丰富的制度。颗粒收集效率约为50%的医用口罩不能防止每人释放数百万颗粒和其他人吸入这些颗粒(见中绿点)图1,B和D.).换句话说,人类释放的呼吸颗粒物如此之多,以至于我们无法避免吸入他人产生的颗粒物,即使是戴着医用口罩。如果每个呼吸颗粒都含有一种或多种病毒,由于中位感染剂量ID,室内环境经常处于病毒丰富的状态50 v,对于呼吸系统疾病通常是大约几十的病毒(12.- - - - - -14.).

但是,是否呼吸粒子富有的制度实际上意味着富有呼吸道病毒的制度?为了回答这个问题,我们研究了呼出的空气样本和室内空气样本中的特征病毒分布,包括冠状虫病毒(HcoV-N163,-229E和-HKU1),流感病毒(A和B),鼻病毒和SARS-COV-2(补充文本,第S1节)。我们发现通常只是一小部分呼出的呼吸粒子含有病毒。与大量发射的呼吸粒子相比,30分钟内的呼出空气样本中的病毒数量(NG.ydF4y2Bav,30,前)通常是低的,平均值〜53的冠状虫(HCoV-N163,-229E,-229E,-229E和-HKU1),〜38用于流感病毒(A和B),rhinoviruses的〜96(11.)(补充文本,S1.2节,和图2).图2,a和b,表示通过插入呼出的病毒数量(NG.ydF4y2Bav,30,前)对于潜在吸入病毒的数量(NG.ydF4y2Bav, 30),假设具有身份的特征感染剂量50 v,=分别有100或1000个病毒(12.- - - - - -14.).对于各种医疗中心的SARS-COV-2,我们获得了平均值NG.ydF4y2Bav, 30范围:~1 ~ ~600 (15.- - - - - -18.)(补充案文,第S1.3节),其对应于P值范围为~0.1%至10%的ID50 v,ID = 1000〜100%至100%50 v,= 100.广泛的NG.ydF4y2Bav, 30/ ID50 v,P数值表明,室内环境中既可能出现病毒有限的情况,也可能出现病毒丰富的情况。

Fig. 2 Infection probabilities and abundance regimes of SARS-CoV-2 and other respiratory viruses.

(A and B) Individual infection probabilities (Pinf) plotted against inhaled virus number (Nv) scaled by characteristic median infectious doses of IDv,50 = 100 or 1000 viruses, respectively. The colored data points represent the mean numbers of viruses inhaled during a 30-min period in different medical centers in China, Singapore, and the US, according to measurement data of exhaled coronavirus, influenza virus, and rhinovirus numbers (blue circles) (11) and of airborne SARS-CoV-2 number concentrations (red symbols) (1518), respectively. The error bars represent one geometric standard deviation. (C) Population-average infection probability (Pinf,pop) curves assuming lognormal distributions of Nv with different standard deviations of σ = 0, 1, and 2, respectively. The x axis represents the mean value of log(Nv/IDv,50). The shaded area indicates the level of basic population-average infection probability, Pinf,pop,0, for SARS-CoV-2, as calculated from the basic reproduction number for COVID-19 and estimated values of average duration of infectiousness and daily number of contacts.

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图2 SARS-COV-2和其他呼吸道病毒的感染概率和丰度制度。

一个B)个体感染概率(P)与吸入病毒数(NG.ydF4y2Bav)通过特征中位传染性剂量的ID缩放50 v,= 100或1000病毒,分别。彩色的数据点代表在中国、新加坡和美国的不同医疗中心在30分钟内吸入的病毒数量,根据呼出的冠状病毒、流感病毒和鼻病毒数量的测量数据(蓝圈)(11.)及空气传播SARS-CoV-2数字浓度(红色符号)(15.- - - - - -18.), 分别。误差栏代表一个几何标准偏差。(C)种群平均感染概率(Pinf,pop.的对数正态分布曲线NG.ydF4y2Bav具有σ= 0,1和2的不同标准偏差。这x轴表示日志的平均值(NG.ydF4y2Bav/ID50 v,).阴影区域表示基本种群平均感染概率水平,Pinf,pop,0根据COVID-19的基本复制数、平均感染持续时间估计数和每日接触人数计算得出。

的高变异性NG.ydF4y2Bav, 30P显示在图2 A、B,与呼吸道液体中病毒载量的广泛分布相一致(19.),并需要在估计总体平均感染概率时予以考虑,Pinf,pop.(补充文本,S4节)。为此目的,我们建模NG.ydF4y2Bav对于SARS-COV-2,在最近报告的呼吸液中SARS-COV-2的病毒载量分布的标准偏差(σ),在〜1至2的范围内逻辑分布在呼吸液中的病毒载量(19.)(补充案文,第S4部分)。如图所示图2 c,具有σ> 0的人口平均感染概率高于病毒限制的均匀曝光(σ= 0)的情况高于Pinf,pop.< ~ 50%。也就是说,当种群平均感染概率处于病毒有限的条件下Pinf,pop,0<0.5(图2 c),更广泛的分布(较大σ)意味着在富含病毒的条件下的传输事件的分数增加(例如,超级涂层事件),这导致整个掩模效能的减少。

COVID-19的基本繁殖数(R0≈2至4)(20.)可以与基本的人口平均感染概率有关,Pinf,pop,0, 通过R0Pinf,pop,0×c×d21.).平均感染时间(d≈10天)和人类联系人的平均每日数量(c每天约有10至25名接触者(22.23.),我们得到的估计范围为~0.8% ~ ~4%Pinf,pop,0,如中阴影部分所示图2 c.低水平的Pinf,pop,0表明病毒有限条件的普遍普遍存在。

不同的丰度机制不仅与呼吸颗粒和病毒有关,而且与不同类型的病毒有关。例如,具有较高传播性的病毒。,those with higher loads and rates of emission and exhalation, greater environmental persistence, or lower ID50 v,-May导致富有病毒的制度,并导致较高的基本生殖数量,如麻疹和其他高度传染病的观察到。我们的分析表明水平PR0不同的病毒会有很大的不同。这意味着气溶胶传播不一定会导致类似麻疹的高度R0相对较低的值PR0不要排除空中传输。基于使用ID的缩放50 v,,所示的曲线无花果。13.可以很容易地应用于评估口罩和其他预防措施对SARS-COV-2的新和更多感染性突变体的疗效,例如B.1.1.7。

图3 减少仅由感染者佩戴的口罩(源头控制)、仅由易感者佩戴的口罩(佩戴者保护)或所有人佩戴的口罩(通用口罩)的空气传播。

一个B)使用口罩情况下的人口平均感染概率(Pinf,pop,mask)与无口罩情况下的感染概率(Pinf,pop.) (A)和相应的掩膜效果——即,relative reduction of infection probability, ΔPinf,pop./Pinf,pop.策划与Pinf,pop.外科口罩(B)。(CD)与(a)和(b)相同,但对于n95或ffp2面具;具有线性缩放的绘图如图2所示。S8。这lines represent the results obtained for source control (red line), wearer protection (yellow line), and the combination of both measures, i.e., universal masking, (blue line) in a population where the virus exposure is lognormally distributed with a standard deviation of σ = 1 (supplementary text, section S5). The shaded areas indicate the level of basic population-average infection probability,Pinf,pop,0,对应于Covid-19的基本再现号。

图3.说明只有感染者(源控制)、易感者(防护)或所有人(通用口罩)佩戴口罩时,外科口罩和N95或FFP2口罩在病毒有限和病毒丰富的情况下的效果如何不同。在图3,在使用外科口罩情况下的人群平均感染概率(Pinf,pop,mask)与无口罩情况下的感染概率(Pinf,pop.).它表明,当无掩模感染概率低时,外科掩蔽在无掩模感染概率高的情况下越来越较低时,可以达到感染概率的大。图3B.显示了相应的口罩功效,即感染概率降低的百分比[Δ]Pinf,pop./Pinf,pop.= (Pinf,pop.-Pinf,pop,mask)/Pinf,pop.]。随着越来越长,它会缓慢降低Pinf,pop.在病毒有限的情况下,在向病毒丰富的情况过渡时,呈急剧下降趋势Pinf,pop.接近统一,并在零Pinf,pop.= 1。图3,c和d,显示了N95或FFP2口罩的等效图。

图3.说明单独的源控制比单独的佩戴者保护更有效,但通用掩蔽是最有效的。这是因为口罩更有效地去除较大的颗粒(图4),而新鲜产生的呼吸微粒通常在源头最大,在室内空气中蒸发后会缩小(20.).图3.只考虑通过空气传播的病毒。在考虑其他传播形式时,源头控制的相对重要性可能更高(补充文本,第S5节)(20.).

Fig. 4 Volume size distributions of respiratory particles emitted during different respiratory activities with and without masks.

(A to D) Distributions for sneezing (A), coughing (B), speaking (C), and breathing (D). The open circles are measurement data obtained without masks, and the solid lines are bi- or trimodal fits to the measurement data (2527) (supplementary text, section S1.1). The dashed and dotted lines were obtained by scaling with the filter efficiency curves of surgical masks and of N95 or FFP2 masks, respectively (supplementary text, section S3). The symbols vp and Dp represent the volume concentration and diameter of respiratory particles, respectively, and dvp/dlog Dp represents the volume distribution function (supplementary text, section S1.1).

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图4 在不同呼吸活动中发出的呼吸粒度的体积尺寸分布,呼吸活动和没有面具。

一个D)打喷嚏(a),咳嗽(b),讲话(c)和呼吸(d)的分布。开放圆圈是没有掩模获得的测量数据,并且实线是对测量数据的双向或三极管的拟合(25.- - - - - -27.)(补充文本,S1.1节)。虚线和虚线分别根据医用口罩和N95或FFP2口罩的过滤效率曲线进行缩放得到(补充文本,S3节)。这些符号vpDp分别代表呼吸粒子的体积浓度和直径,Dvp/ dlog.Dp表示卷分布函数(补充文本,第S1.1节)。

掩模效果对感染风险的非线性依赖性与假设由于掩模使用而导致的感染概率的百分比变化将与吸入粒子数的百分比变化成比例(20.).在这种假设下,穿着掩模对任何水平的感染概率在任何水平的病毒疾病的传播都具有相同的效果。然而,我们的分析表明,面部面膜的疗效强烈依赖于感染概率和病毒丰富的水平:掩模通过其在病毒限制中的呼吸粒子的过滤效率降低感染概率,但在病毒丰富的政权(图3).因此,当在富含病毒的条件下进行时,实验研究可能会发现低掩膜效率。与其他影响因素相同,如一致和正确的掩模使用(补充文本,S7.3),病毒丰富和病毒有限的条件之间的变化可能导致来自不同环境中的实验室研究和随机对照试验的不同结果(20.)(补充文本,S8节)。值得注意的是,在病毒丰度较低的情况下使用口罩的效率越来越高,这意味着将口罩与其他减少空气传播的病毒浓度的预防措施相结合,如通风和社交距离,会产生协同效应。例如,通风可以将一个病毒丰富的环境变为病毒有限的环境,这可能对SARS-CoV-2丰度相对较高的医疗中心尤为重要(图2和补充文本,第s6节)。另一方面,不仅面部面罩的功效,而且可以在病毒的环境中减少差距的功效(补充文本,第S6节)。使用的措施越多,每种措施越有效地将包含病毒传输。如果吸入剂量也可能影响感染的严重程度(14.),正如目前正在辩论的那样(24.),即使减少的剂量仍然导致感染仍然导致感染仍然可能是有用的。

图4.显示不同人类活动发出的呼吸粒子的尺寸分布(25.- - - - - -27.).气溶胶物理学定义为直径小于100μm的空气传播的固体或液体颗粒,其可以在延长的时间内保持悬浮。然而,在医学研究中,阈值直径通常用于区分所谓的气溶胶模式和所谓的液滴模式。我们对来自呼出和环境空气样本的测量数据的分析表明所谓的气溶胶模式(<5μm)含有比所谓的液滴模式(>5μm)更多的病毒(11.),尽管后者包括从呼吸道发射的较大体积的液体(表S1和S2)。这可以通过以下机制解释:在下呼吸道中发生的更高病毒载量,其中产生较小的气溶胶颗粒(28.)在产生较小的气溶胶颗粒时,富集有机表面活性剂和病毒(29.).在气溶胶模式中富集病毒可以增强它们的透射率,因为较小的颗粒保持较长的时间,这导致空气中的积累和分散更强。这可能导致较高的空中病毒浓度,吸入病毒数和感染风险,特别是在密集的占据室内,通风差和长时间的暴露。此外,小气溶胶颗粒具有较高的渗透率和达到下呼吸道的较高概率(图S5和S6)。

我们的分析集中在呼吸颗粒和直径小于100 μm的液滴上[气溶胶的传统物理定义(30.)]。由于重力快速沉降,大于100 μm的呼吸道飞沫可在数秒内从空气中清除,但它们仍可能到达密切接触者的上呼吸道,并通过其巨大的液体体积携带大量病毒而引起感染。例如,在病毒载量为10的情况下,一个1毫米的液滴可以携带多达5万个病毒8这是现实的,而且高于SARS-CoV-2的估计感染剂量(14.).然而,如此大的液滴,即使用简单的口罩(图4和补充文本,第S3部分),进一步强调了面部面膜对预防感染的重要性和有效性。由于强大的依赖性,并避免含糊不清,我们建议在通过细呼吸气溶胶颗粒或较大液滴讨论空气传播时明确地明确地指定直径范围。

我们的结果对理解和沟通防止空气传播病毒的预防措施具有重要意义,包括SARS-COV-2。当人们看到通过谈话或咳嗽呼出的数百万呼吸粒子的图像或视频时,它们可能担心有限过滤效率(例如,30%至70%)的简单面具不能真正保护它们吸入这些颗粒。然而,只有少量呼吸粒子含有病毒,大多数环境都处于病毒限制状态,戴口罩可以保持吸入病毒的数量低于 -P制度并可以解释面部面膜在防止Covid-19传播方面观察到的疗效。然而,不利的条件和病毒载量的巨大可变性可能导致某些室内环境中的病毒制度,例如治疗Covid-19患者的医疗中心。在这种环境中,应使用高效的面具和高效通气的额外保护措施,使感染风险降低。掩盖效果对空气传播病毒浓度-1的非线性依赖性 - I.,较低病毒丰度的较高掩模功效 - 也强调了与其他预防措施相结合的重要性。有效的通风和社会疏散将降低环境病毒浓度,并提高含有病毒传输的面罩的有效性。此外,高遵从性和正确使用掩码对于减少Covid-19的再现号码来确保通用掩蔽的有效性非常重要(辅助文本,第S7.3和图11)(20.).

补充材料

www.www-goto.com/content/372/6549/1439/suppl/DC1

补充文本

无花果。S1, S14系列

表S1至S6

参考 (32- - - - - -60

MDAR再现性清单

https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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参考和笔记

应答:作者要感谢审稿人提供的非常有用的反馈。这项研究得到了马克斯·普朗克学会(MPG)的支持。资助:Y.C.感谢MPG的Minerva项目。作者的贡献:Y.C.和H.S.设计并领导了这项研究。h.s., y.c.和N.M.进行了这项研究。upp和m.o.a讨论了结果。c.w. s.r.和P.S.W.对手稿作了评论。y.c., h.s.和U.P.在新m和所有合著者的输入下撰写了这份手稿。利益争夺:作者声明没有相互竞争的利益。数据和材料可用性:在稿件中生成结果的数据和代码可自由地提供(31).所有数据都在主文本或补充材料中提供。这项工作在创意公共4.0国际(CC Cody 4.0)许可证下许可,该许可证许可在任何媒体中无限制地使用,分发和再现,只要原始的工作被正确引用。要查看本许可证的副本,请访问https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.本许可证不适用于归功于第三方的文章中包含的数字/照片/艺术品或其他内容;在使用此类材料之前从权利持有人获取授权。

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