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N95未能阻止传播

为什么 N95 无法阻止传播

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自大流行开始以来,我们一直确信遵守社区口罩规定将解决我们的问题并阻止 SARS-CoV-2 的传播。 然而,现实世界的应用程序数据一直表明,它们作为个人保护的缓解措施是失败的,我们没有根据随意发布的指南纠正路线,而是被告知 面膜 更难 具有越来越严格的限制,尽管实际上是非缓解设备。 

但是, 为什么 他们失败了吗,为什么他们继续失败? 下面,我们将深入探讨 N95 无法减缓 SARS-CoV-2 传播的具体原因,即使假设假设具有完美的捕捉能力。 

我们应该首先根据疾病的严重程度、给定个体的免疫反应以及病程的进展,将病毒的传播性和传染性物质的输出视为光谱。 这些都已被证明对感染 SARS-CoV-2 的个体的病毒载量有重大影响。 我们将讨论输出数据与感染率的关系,以及最小感染剂量的测量方法。 

这些都是在减轻病原体时需要单独考虑的重要因素,但结合起来,它们可以具体向我们展示给定的方法是否会在消除传染性危害方面产生预期的结果。 呼吸排放物的输出数据显示了一个人排出了多少物质,以及它们是否可以通过呼吸道病原体传播,但输出数据在疾病发作、恢复期和 PCR 阴性等更严重阶段之间差异很大对于给定的病原体。

通过比较输出与粒子与噬菌斑形成单位 (PFU) 的比率,我们可以得出有多少粒子是能够引起感染的活病毒粒子。 这些传染性单位中的每一个都称为 PFU。 潜在宿主需要接受的 PFU 数量以最小感染剂量 (MID) 的形式给出,这是一个阈值,一旦达到,就会预计感染的发生。 

通过查看颗粒与 PFU 比率的数字并计算 MID 潜力,最终产品是在给定时间段内可能被感染的潜在人数。 

有了这个潜在传染性的 MID 阈值,我们就可以应用给定设备的假设完美捕获能力,以查看最佳情况是否会导致设备减轻或防止达到危害的 MID 阈值的可能性。 

在这里,我们查看 SARS-CoV-2 的输出、粒子与 PFU 比率和 MID,与假设的 N95 的完美捕获能力相比较,以证明即使具有完美的捕获率(在这种情况下,远小于设备被批准或设计用于捕获的物质),5% 从未捕获的百分比仍然足以潜在地暴露于传染性物质以导致感染。 

发射物质的粒子范围和相应行为

大流行缓解措施应该从最小活粒子尺寸开始,SARS-CoV-2 的最小活粒子尺寸为 0.06-0.14 µm。 虽然经常受到公共卫生官员的推动,但 N95 的评级和批准仅限于捕获大于 0.3 µm 的物质。 超过 90% 的呼出颗粒物已被证明会下降 0.3 微米。 这种大小的物质会在空中停留很长时间——数小时,甚至数天,具体取决于给定空间内的空气交换率。 SARS-CoV-2 已被证明在宿主体外以气溶胶形式存在数小时后仍可存活,并可在表面存活数天。 

SARS-CoV-2 观察到病毒是 存活3小时. 在气溶胶中,传染性病毒浓度从 103.5 到102.7 TCID50 每升空气。”

这项研究使用了实验室产生的含有传染性 SARS-CoV-2 的气溶胶,并观察了随着时间的推移,不同表面和气溶胶排放物质的生存能力。

在考虑以下因素时,人们还想知道多孔口罩和呼吸器膜是否在增加病毒物质的存活期限方面发挥了作用:

生存时代 表面上的空气传播病毒 不同基于 表面是无孔的(例如塑料、不锈钢、玻璃)还是多孔的(例如纸和衣服)。 无孔表面是疾病传播的主要原因,因为观察到空气传播的病毒在无孔表面上的存活时间比多孔表面长得多。” 

口罩和呼吸器当然算作多孔表面。 许多呼吸器也是由熔喷塑料制成的。 是否对口罩膜上的病毒活力进行了足够程度的研究? 

气溶胶存活率很重要,因为它们证明了在没有可传播个体存在的情况下在封闭空间中的传播能力。 一个可传播的个体存在并排放到给定的空间中,输出将是一个常数,并且活的病毒物质会在每次呼吸的基础上增加病原体的大气饱和度。 

面罩和呼吸器的一个被忽视但至关重要的问题是密封——小缝隙区域使这些设备对佩戴者无效。 很少,如果有的话,有人会根据必要的佩戴条款正确佩戴这些设备,因此我们会遇到已经无法缓解的设备被错误佩戴。 

根据这些适合度与渗漏率的数据,3.2% 的渗漏率相当于 100% 的无效率。 

在解决设备未能减轻给定危险的原因时,这些都是必须考虑的因素。 通过接下来检查排放量、最小感染剂量、斑块形成单位以及它们之间的关系,我们可以更好地理解为什么工程控制总是正确的反应,而不是大规模实施呼吸保护装置。

“生病”患者的呼吸排放物——PCR 阳性与阴性测试结果:

在健康与 SARS-CoV-2 PCR 阳性测试对象的气溶胶排放研究中,PCR 阳性测试对象 90% 以上的排放颗粒小于 0.3 µm,排放物质的数量是通过比较不同严重程度的个体进行的PCR 阴性受试者的疾病。 

中位数呼出 与健康对照组 (2/L [1490.5–46.0/L] 相比,SARS-CoV-34,772.0 PCR 阳性患者 (252.0/L [0.0–882.0/L]) 的颗粒计数显着升高;p < 0.0001。” 

如果我们使用每分钟 4.3-29 升的呼吸排放率(来自 EPA 暴露因素手册),则最高输出 PCR 阳性范围为每升 34,772 个颗粒乘以每分钟 29 升,高达每分钟排放 1,008,388 个颗粒. 

虽然我并不是说所有这些颗粒都是单个病毒颗粒,或者就此而言是活的病毒颗粒,但 PCR 阳性和阴性个体排放的物质存在非常显着的差异(中值 1,490.5 对 252)。 在讨论 PFU 的作用后,将介绍将颗粒转化为 PFU 的比率。

颗粒大小和排放率:

该研究之前讨论了 SARS-CoV-2 阳性和阴性受试者的测量发射粒径范围。 

关于粒子 尺寸分布、可用尺寸通道(总共 14 个尺寸通道,从 0.15 到 5.0 μm)在三个尺寸带中进行了分析:<0.3 μm、0.3–0.5 μm 和 >0.5–5.0 μm。 对于这两个组,大多数气溶胶(SARS-CoV-90 PCR 阳性组 >2%,阴性组 >78%)都在最小范围内(<0.3 μm)。 特别是对于 COVID 阳性组,总气溶胶浓度的增加主要是 ≤0.3 μm 颗粒的增加。” 

抽样的 64 名住院患者中有 64.8 人属于最严重的病例,约占呼出颗粒计数的 XNUMX%,因此在这种情况下,重要的是要了解 最少 在运行输出和最小感染剂量计算时,保守的输出范围和传染性的可能性。 具体来说,论文指出:

在 SARS-CoV-2 PCR 阳性组,15.6% (n = 10/64) 显示高计数,占该组所有呼出颗粒计数的 64.8%。 此外,15.6%,相当于所有患者的 3.5% (n = 10/288),占所有呼出颗粒的 51.2%。” 

如果我们将那些经历最严重疾病的人与传染率进行比较,我们可以更多地了解可传播个体的活粒子输出。 考虑到 PCR 阴性和恢复 PCR 阳性测试对象排放的物质和病毒体的产量都很低,可以安全地推测这说明无症状传播成为病毒传播主要因素的可能性很低。 

RNA 拷贝的存在与活病毒粒子的浓度

并非所有 RNA 拷贝或病毒颗粒都能形成 PFU,从而导致病毒复制。 虽然已经提供了产生多少感染单位的数据,但这是 并非 排放产出率。 这些是对感染期间总病毒产量的估计。 

除以估计 对于病毒清除率的倒数,估计总产量为 3 × 109 至3×1012 病毒粒子,或 3 × 105 至3×108 在特征性感染的整个过程中的感染单位。” 

简单来说,就是在病程中总共产生了 3 亿到 3 万亿个病毒颗粒,或者说 300,000 万到 300 亿个感染单位。 

病毒粒子输出

建立病毒颗粒输出的方法有多种,并排查看时提供的范围略有不同。 一些研究表明发出的总病毒粒子,例如:

有些病人有 病毒滴度超过 Wölfel 等人的平均滴度两个数量级以上,从而使发出的液滴中的病毒数量增加到每分钟说话超过 100,000 个。” 

其他研究给出了总粒子数,并依赖于使用从总输出到活病毒粒子的转换因子。 重要的是要确定总体病毒颗粒输出不等于总活病毒体,这意味着能够产生斑块形成单位 (PFU) 的病毒体。 

PFU——了解形成单个斑块形成单位 (PFU) 所需的病毒颗粒:

虽然所有释放的病毒 RNA 和病毒颗粒都不能进行病毒复制和产生 PFU,但据了解,每个 PFU 都是由一个活病毒颗粒产生的。 以下摘录讨论了 PFU 对病毒感染和发病的影响。 

该测定法被设计 因此每个斑块都是通过繁殖单个感染性病毒颗粒而产生的感染。 因此,PFU/ml 被认为是每毫升感染单位数 (IU/ml) 的量度,但需要注意的是,不能确定所应用的等分试样中斑块与感染性颗粒的比例是一比一。 ” 

对于大多数动物病毒,一个传染性颗粒足以引发感染。” 

线性性质 剂量反应曲线表明单个病毒粒子能够引发感染。 然而,许多病毒的高颗粒与 pfu 比率表明并非所有病毒粒子都是成功的。 高颗粒与 pfu 比率有时是由于存在具有致命突变或在生长或纯化过程中受损的基因组的非感染性颗粒引起的。”

一般认为 斑块是单个病毒颗粒感染细胞的结果。 如果是这种情况,那么斑块中的病毒产生的所有病毒都应该是一个克隆,换句话说,它们在基因上应该是相同的。” 

总而言之,一个有活力的病毒颗粒或病毒颗粒能够产生一个 PFU,该病毒颗粒在其中进行复制。 有些创造的物质只是病毒RNA,不能独立引起感染,有些创造的物质可以复制和感染。

之间的关系 粒子的总输出和 PFU 的创建称为粒子与 PFU 的比率。 对于 SARS-CoV-2,排放粒子与 PFU 的比率为 1000 至 1,000,000。 

PFU 和最低感染剂量研究

我们的呼吸频率因年龄和活动水平而异。 人的平均呼吸频率为每分钟 16-20 次。 出于本次讨论的目的,将使用每分钟 4.3-29 升的呼吸速率(来自 EPA 暴露因素手册)。 此参考给出的范围高达每分钟 53 升。 我们将以每分钟病毒粒子的形式研究输出,以 PFU 和传播病毒粒子的形式研究最小感染剂量,因为两者都在现有研究中进行了探索。 

文献中的最小感染剂量 (MID) 数据:

不同呼吸道病毒的比较研究和 SARS-CoV-2 动物研究已被用于许多 MID 估计,但本文尽可能只关注人类研究。 

虽然中期 人类 SARS-CoV-2 需要更多研究,预计大约有 100 个病毒颗粒。 唯一一项关于冠状病毒的人体研究报告了 HCoV-229E,其 MID 为 9 PFU。 此外,如果气溶胶传播是主要模式,那么 MID 会更低。” 

其实, 气溶胶感染 需要更少的剂量,例如,比基于液滴的感染少约 100 倍。” 

最小感染剂量 在评估的横断面研究和病例系列研究中,SARS-CoV-2 在人类中引起 COVID-19 的比例很低; 在一项调查来自 273 名 SARS-CoV-15 阳性患者的 2 份样本的感染剂量的病例系列研究中,在 COVID-1.26-RdRp/Hel 检测中检测到的体外最低感染剂量为 19 PFU。1 在另一项研究中,248对 COVID-19 个体的口鼻咽样本进行了评估,据报道感染剂量为 364 PFU。” 

在案例系列研究中 评估了 97 名 10 岁及以下儿童、78 名 11-17 岁儿童和 130 名成人,11-17 岁儿童的感染剂量低于其他两组 (125 PFU)。 与成人相比,儿童活病毒生长较低、循环阈值较高、病毒浓度较低,因此儿童不是主要的感染携带者。 10 岁的儿童比其他人更有可能没有症状。” 

其中最 讨论得很好的一项(原文如此)是 Basu 等人所做的研究,其主要目标是评估极有可能引起感染的飞沫的大小。 但除了这一发现之外,他们还有一些与可能导致感染的病毒载量有关的观点。 他们发现,在 2.5 小时的持续时间内,放置在靠近个体鼻咽部的病毒粒子数量约为每分钟 (11/5) 个病毒粒子 × 60 分钟 × 2.5 小时 = 330。

包括其他冠状病毒在内的比较研究表明,呼吸道病毒的 PFU 可能非常低。 

估计传染性 SARS-CoV-1 与其他冠状病毒具有可比性,包括 HCoV-229E,后者是人类轻度感冒的病原体。 在一项实验研究中,SARS-CoV-10 的 ID50 和 ID1 分别报告为 43 和 280 PFU (400 TCID50)。” 

人类身份50 据报道,导致人类轻度普通感冒的季节性冠状病毒亚型 229E 为 13 TCID50设立的区域办事处外,我们在美国也开设了办事处,以便我们为当地客户提供更多的支持。“ 

所提供的关于 SARS-CoV-2 的研究中讨论的数字是 1.26、100、125、330 和 363 PFU 的传播,再次说明了广泛的易感性。 

活病毒粒子的输出与最小感染剂量阈值潜力

通过使用这些可用数据,我们可以通过查看输出贡献、排放的病毒物质的传染性潜力、PFU 范围来解决 N95 对传染性气溶胶具有有意义的保护价值的断言,然后我们可以权衡这些范围与 N95 假设的完美捕获能力捕获了 95% 的物质,而其余未捕获的物质为 5%。 再次请注意,N95 的设计和批准并非旨在捕获 <0.3 µm,我们正在讨论一种病原体,其最小活颗粒大小为 0.06-0.14 µm。

呼吸排放 来自可传播个体的病毒已被证明在一分钟内达到超过 100,000 个病毒粒子,尽管并非所有发射的病毒粒子都可以被认为具有传染性。 其他研究论文声称产量高达 750,000 个病毒粒子/分钟(但缺乏支持这种说法的数据)。 还应该注意的是,我们当然不会吸入一个人的所有过期物质,但我们与可传播个体的接近程度、他们的输出率、空间内的持续时间以及给定空间内的通风都是会产生影响的因素。对无法以线性或可预测方式表达的传播可能性的影响。

在研究中 我们在上面探讨过,最高输出 PCR 阳性范围为每升 34,772 个颗粒,排放最高范围的输出占排放总量的 64%。 

首先,我们将创建 每个范围的每小时输出,然后对 1,000 到 1,000,000 的每个范围应用粒子与 PFU 比率。 

输出范围A

一个可传播的个体在封闭空间中每分钟释放 100,000 个病毒粒子一小时将产生 6 万个病毒粒子(100,000×60 分钟)。 封闭空间内的 8 小时相当于释放了 48 万个病毒粒子(100,000×480 分钟)。 粒子与 PFU 的比率为 1,000 比 1,000,000,这使我们在一小时内有 6,000 个活病毒体,在 48,000 小时内有 8 个。 

讨论的研究给出的 PFU 数字是 1.26、100、125、330 和 363 PFU,作为最小感染剂量。 我用每个 PFU 数字除以每个活病毒粒子的数量,以获得列出的 MID 阈值的每个潜力。 

输出范围 B

在 PCR 阳性颗粒收集研究中,收集到的最高范围是每升 34,772 个颗粒,排放和计数的总颗粒中约有 64% 来自 10 个受 SARS-CoV-2 感染影响最严重的来源. 如果我们查看 34,772 个粒子乘以每分钟 29 升的排放量,则输出范围高达每分钟排放 1,008,388 个粒子。 

EPA 曝光手册列出的每分钟范围高达每分钟 53 升,因此使用每分钟 29 升的数字并不是可能的最高输出范围。 将使用每分钟 7 和 29 升的输出范围,因为它们是处于久坐到中等活动水平范围内的输出范围。 

以每分钟 29 升乘以每升 34,772 个颗粒(1,008,388 个颗粒),对于 60 分钟的输出持续时间,乘积为每小时 60,503,280 个(1,008,388×60)个颗粒,每 484,026,240 小时周期为 8 个(1,008,388×480)分钟)。

对于 COVID,粒子与 PFU 的比率为 1,000 至 1,000,000,这使我们每小时释放 60,503 个活病毒粒子,每 484,026 小时释放 8 个活病毒粒子。 

这些计算为我们提供了可传播个体的输出潜力,不仅包括排放了多少病毒颗粒,还包括根据使用的 PFU 数字达到 MID 阈值以感染给定人数的潜力。 

虽然 SARS-CoV-2 的 PFU 范围相当广泛,但我们应该根据个人健康状况和免疫反应来预测一系列传播能力。 虽然 1.26 PFU 似乎很低,但 SARS-Cov-1 的 PFU 已被证明低至 13 PFU 即可满足感染发作的 MID 阈值。

即使使用每分钟 7 升的较低排放输出,也给出了每分钟 243,404 个颗粒 (34,772 x 7)、每小时 14,694,240 个颗粒 (234,404 x 60) 和每 116,833,920 个 243,404 (480 x 8) 个颗粒的速率- 小时周期。 应用 1,000 到 1,000,000 的粒子与 PFU 比率时,1 小时的时间段输出 14,604 个活病毒粒子,116,833 小时的时间段输出 8 个。 

有了这些从久坐到中等强度的输出范围,很多时候所有已建立的 PFU 数字都满足了 MID 阈值。 

为什么 N95 失败/正在失败/将会失败 

具有 N95 等级的呼吸器经过设计和批准,可捕获 95% 的大于 0.3µm 的非油基物质。 SARS-CoV-2 的最小活粒子大小为 0.06-0.14 µm,远低于 0.3µm 的阈值,即使与更大的物质结合也是如此,因此这是对粒子范围的完美捕获能力的假设,这些设备并非设计或获准捕获,他们的应用程序数据也没有显示他们的性能达到或接近 95%。

为了练习假设的完美捕获能力,我们将假设他们拥有 95% 的完美捕获率。 如果我们将 5% 的 MID 数字应用于输出范围 A 和 B 中的证明,它将证明活病毒体的传染性与 5% 从未捕获(例如,无泄漏)相比,如果假设 95% 的完美率捕获满足。

输出范围A

输出范围 B

每分钟29公升

每分钟7公升 

如果我们假设 N95s 具有这些设备未设计或未获准捕获的物质粒径范围的假设完美捕获能力,并应用剩余的 5% 从未捕获的百分比,则绝大多数输出​​范围与满足 MID 所需的 PFU对于每个既定的输出范围,阈值仍然允许在 1 小时和 8 小时内暴露许多人的潜在感染 MID 阈值的许多倍。

总结

在 SARS-CoV-2 爆发期间,我们的缓解标准变得松懈,因为这种病原体对绝大多数人来说并不致命,存活率约为 99.8%。 当应用于更致命的病原体和暴露因素时,这种针对特定危害的轻率反应是非常危险的。

通过检查假设的最佳情况,我们可以更好地预测给定措施是否会对已识别的危害产生缓解影响。 对于 N95 与输出、粒子与 PFU 的比率以及 SARS-CoV-2 的 MID,假设完美捕获这些设备既未设计也未获准捕获的物质的最佳情况表明它们仍然无法缓解这种危险及其使用建议应立即重新考虑。 

其他资源:

讨论样本的平均病毒载量: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2196-x

最低感染剂量

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7090536/ (一般针对 MID,而非特定于 SARS-CoV-2)。

词汇表

气溶胶 – 分散在空气或气体中的颗粒,定义为尺寸小于 5 微米。

无症状(传播)– 将病原体传播给他人但未表现出该病原体的任何既定症状的理论概念。 

大气饱和度 – 在封闭空间内保持在高处的活物质的数量。 

排放 – 呼出的呼吸道物质。

层流状态 – 流体粒子在层中遵循平滑的路径。

最低感染剂量 – 为了预测疾病的发作,一个人必须接触到的最小危害量。 

N95 - 一种非捕油微粒过滤呼吸器,能够阻挡高达 95% 的大于 0.3 µm 的物质。

发作 – 一旦达到最低感染剂量阈值,疾病就会开始蔓延。 

输出 - 可传播个体释放到特定环境中的排放物。 

输出为常量 – 一个封闭空间内的个体向特定大气中排放含有传染性颗粒的呼吸道气溶胶,每次呼吸都会使特定大气中充满更多的传染性物质。 

颗粒与 PFU 比率 – 一种用于计算致病性输出的比率,用于衡量排放的颗粒总数与具有传染性的颗粒之间的比值。 

PCR 阴性 – 当用 PCR 方法对给定病原体进行测试时,给定测试对象未收到阳性测试结果。 PCR代表使用聚合酶链反应技术。 

PCR 阳性 – 当使用针对特定病原体的聚合酶链反应技术进行测试时,特定测试对象会收到阳性测试结果。 

完美的捕捉能力—— 以产品给出的匹配百分比功效捕获有害物质作为其假设的最佳可能率。  

斑块形成单位 (PFU) – PFU 的产生需要一个病毒粒子感染宿主细胞,病毒复制开始于此。 疾病发作需要给定数量的 PFU 阈值,称为最低感染剂量。

RNA 拷贝 – 在细胞内复制蛋白质所需的遗传物质。 RNA 拷贝不等同于能够复制的活病毒粒子。 

TCID50 – 组织培养感染剂量的缩写,它是在培养测定中感染 50% 细胞所需的病毒稀释度。 

病毒载量 – 给定物质、排放物或可传播个体体内的病毒颗粒数量。

病毒活力 – 能够感染细胞并产生噬菌斑形成单位 (PFU) 的病毒体。

病毒体或活病毒体- 一个完整的传染性病毒颗粒。



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如需转载,请将规范链接设置回原始链接 褐石研究所 文章和作者。

作者

  • 梅根曼塞尔

    梅根·曼塞尔(Megan Mansell)是前地区特殊人群融合教育主任,为患有严重残疾、免疫功能低下、无证、自闭症和行为障碍的学生提供服务;她还拥有危险环境个人防护装备应用的背景。她在完全遵守 ADA/OSHA/IDEA 合规性的情况下,在编写和监控免疫功能低下的公共部门访问协议实施方面拥有丰富的经验。您可以通过 MeganKristenMansell@Gmail.com 联系她。

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