北大研究团队首次证实-人体呼吸是新冠病毒重要排放传播方式
北大研究团队首次证实-人体呼吸是新冠病毒重要排放传播方式
时间:2020-11-18    作者:    来源:北京大学

编者按

最近,全球科学家们呼吁承认COVID-19的空气传播,世界卫生组织(WHO)也相应地对指南进行了修改,指出不排除在拥挤和封闭环境下的空气传播可能,但是关于新冠病毒是如何排放到空气中的直接证据非常稀少,也因此成为争论的主要焦点。

针对这一系列问题,北京大学要茂盛教授团队与北京市朝阳区疾病预防控制中心合作,采集并检测到了早期新冠患者呼出气中的新冠病毒,证实了人体呼吸本身就是非常重要的新冠病毒排放传播的方式。同时也为通过利用呼出气结合生物传感开展现场无创快速新冠肺炎患者筛查包括处于潜伏期的和无症状感染者提供了新的技术思路。

研究成果以“Coronavirus Disease 2019 Patients in Earlier Stages Exhaled Millions of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Per Hour”为题在线发表(Corrected Proof)在美国传染病学会的旗舰期刊Clinical Infectious Diseases杂志上。

 

 

最新进展与突破

为进一步探索并揭示新冠病毒的传播方式,环境科学与工程学院要茂盛教授团队与北京市朝阳区疾病预防控制中心合作,招募了近60名新冠患者(境外输送的和北京本土病例)、15名健康人群以及部分非新冠呼吸系统感染人群,通过利用北大团队以前发明的呼出气采集方法(获发明专利),收集了这些人群的呼出气冷凝液(Exhaled Breath  Condensate),并利用RT-PCR(核酸扩增)方法展开进一步研究。

 

 

要茂盛团队人员在采集新冠患者呼出气冷凝液

研究发现早期新冠患者通过呼吸排放大量新冠病毒,每小时排放量高达几百万个。其中新冠患者呼出气的新冠病毒阳性率高达约27%(总样本量n=52),而新冠患者的所处环境相关物表的阳性率只有5.4%(总样本量n=242)(每平方厘米检出7-1700 个新冠病毒核酸)。此外,团队对医疗环境、隔离酒店环境空气中的新冠病毒也做了检测,在部分样品如卫生间空气也发现了新冠病毒,浓度高达6000个病毒核酸每立方米,但由于医院通风等措施,空气中新冠病毒浓度偏低,低于RT-PCR检测限。

 

 

 

 

要茂盛团队人员在采集监测隔离酒店走廊的空气中新冠病毒

有效控制新冠疫情需要阻断其主要传播途径。目前世卫组织将大的呼吸液滴和直接接触传播作为新冠疫情的主要传播途径。相比之下,团队研究发现新冠患者经常使用的手机表面(总样本量n = 22)和各种手柄(总样本量n = 35)的表面新冠病毒的检出率较低(分别为9.0%和0%)。

“不少研究通过流行病调查和回顾手段,间接证实新冠肺炎在半封闭环境中真实存在。例如,在华盛顿州的一个唱诗班,中国广州的一家餐馆,还有近日的美国白宫玫瑰花园举行的大法官提名仪式发生了群体感染事件。虽然我们没有研究新冠病毒传染性和传播概率以及患者其它病毒释放活动,如说话和唱歌,但我们的研究表明呼吸在新冠病毒向空气中的排放中起着重要作用,这可能对观察到的发生气溶胶传播的集群感染和持续的大流行起到了很大的作用。因此,加强通风和使用面罩等措施对于将空气中新冠病毒感染的风险降至最低至关重要。”—— 要茂盛

要茂盛教授团队过去利用同样的方法,采集并检测到了流感患者呼出气中的流感病毒(Nano Lett. 2012, 12, 7, 3722–3730),而最近的这项研究首次证实人体呼吸本身就是非常重要的新冠病毒排放传播的方式,呼出气中大部分颗粒都小于PM2.5(粒径小于2.5微米的颗粒)(Aerosol Air Qual Res. 2017; 17: 198-208),从而进一步揭示气溶胶传播扩散新冠病毒的事实,为未来更好阻断空气传播、防控新冠病毒感染提供了重要的科学依据。

该研究同时也为通过利用呼出气结合生物传感开展现场无创快速新冠肺炎患者筛查包括处于潜伏期的和无症状感染者提供了新的技术思路。研究成果以“Coronavirus Disease 2019 Patients in Earlier Stages Exhaled Millions of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Per Hour”为题在线发表(Corrected Proof)在美国传染病学会的旗舰期刊Clinical Infectious Diseases杂志上。(在传染病领域所有期刊中,Clinical Infectious Diseases杂志一直处于最有影响力的前三名)。北京市朝阳区疾病预防控制中心的马建新副主任医师是论文的第一作者,要茂盛为唯一通讯作者。合作作者还包括北京朝阳疾控制中心齐啸等,北京大学研究生陈灏轩、李心月、张璐,以及地坛医院、加州理工、圣路易斯华盛顿大学、辛辛那提大学、昆士兰理工大学的科研人员。该项目得到国家自然科学基金新冠专项项目(基金号22040101)以及国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金(基金号21725701)的资助。

早期抗击新冠疫情之路

2020年1月21日,为了帮助大众对新型冠状病毒有一个更好的认识,减少恐慌、降低疫情传播蔓延风险,北京大学环境科学与工程学院生物气溶胶实验室要茂盛教授团队发布了对新型冠状病毒(COVID-19)的形势分析报告(简要介绍了冠状病毒、历史上类似的冠状病毒爆发事件、武汉新病毒疫情及主要进展,以及新冠状病毒的检测和防护等方面),短时间内被阅读9万。

依据新型冠状病毒不耐高温,56℃死亡的特性,要茂盛教授团队阐述了一种可以采用微波灭活技术来有效杀死COVID-19病毒的方法,利用微波加热使口罩上的病毒失活,从而可以在口罩严重短缺时再生口罩(对没有金属丝的或摘掉金属丝后)。

为了探索外界环境对COVID-19传播的影响,要茂盛教授团队发布题为“海拔高度与环境因素对新冠病毒疫情的影响”的报告,分析了湿度、温度、臭氧等对新冠病毒活性与新冠肺炎传播的影响。

2020年1月27日,要茂盛组织召开了新冠病毒疫情网络研讨会,要茂盛教授提到地面扬尘气溶胶可能是病毒暴露的另一途径。面对之后《环球时报》记者关于“气溶胶能否传播新冠病毒”的采访,要茂盛教授回应:“如果没有足够的通风,例如在狭窄的空间,例如汽车或办公室内部,也应该考虑气溶胶的传播。”

COVID-19科普与抗疫

受到媒体、学者联合会的邀请,要茂盛教授就COVID-19在空气中传播扩散的科学依据及如何科学防护进行了较为全面的宣传科普,对帮助公众提高COVID-19的认识和防控意识起到重要作用。

疫情初期,许多公众缺乏防疫意识。要茂盛教授接受新华社、《中国科学报》等采访时,便针对气溶胶传播新冠病毒的条件和影响因素做了较为全面科普,提供了相关指导与建议,为科学防疫做出了积极贡献。

为了更好地了解疫情动态及发展,要茂盛自建数学模型预测国内外疫情动态,特别是武汉的疫情发展趋势,模型预测与个别国家和地区的实际疫情非常吻合。与此同时,要茂盛教授团队利用他们的专业性,优化升级了采样机器人等病毒检测设备,并为武汉、北京进行空气中的病毒检测,为抗击疫情提供了实质性的帮助。

 

 

早期中国新冠肺炎疫情的预测

为帮助快速检测空气中的新冠病毒,要茂盛教授团队受中国工程院、国家自然基金委的资助,对现有国家发明专利(ZL 2016 1 0857255.9)进行改造升级,集成实验室研发的大流量空气采样与机器人、核酸扩增与现有恒温扩增等技术,创建了现场空气中新冠病毒快速检测系统Air-Cov-Watch(ACW)。通过利用机器人采样,可以针对医疗环境以及公共场所进行程序化扫描式地采集气溶胶样品,无需人员进入即可获取在任何区域的气溶胶样品,然后指令机器人将样品送到指定地点,工作人员可以对气溶胶样品中新冠病毒展开现场快速检测。

 

 

疫情初期,要茂盛团队联合江苏疾控与北京朝阳疾控同时启动了环境空气、新冠患者呼出气以及环境物体表面新冠病毒的监测。通过利用创建机器人采样采集空气中的新冠病毒,利用自主研发的呼出气冷凝液采集装置采集呼出气中的新冠病毒。

今年4月7日,要茂盛受International Society of Indoor AirQuality and Climate的邀请向来自全世界200多位专家以“Aerosol and Breath Transmission ofSARS-CoV-2 Virus”为题,分享了抗击新冠疫情的最新进展。作为“迎接世界卫生组织考察专家组”的病毒学专业组的专家之一,要茂盛对北京新发地疫情的可能存在的气溶胶传播情形做了分析与指导。

要茂盛简介

要茂盛,北京大学长聘教授、博士生导师,2017年获国家杰出青年科学基金资助,北京大学生物气溶胶实验室负责人,主要从事生物气溶胶与空气污染健康研究。1998年本科毕业于中南大学矿物加工系,1999 -2007年留学美国,先后获美国阿拉巴马大学环境工程硕士、Rutgers大学环境科学博士,2006-2007于耶鲁大学化工与环境工程从事博士后研究,2007年入选北京大学“百人计划”。

主持10多项国家自然基金项目,创建了空气生物安全防御系统BioSTAND,并实现产业化。相关成果在武汉、北京新冠疫情监测得到大量应用。研究成果以第一/通讯作者身份在Nano Letters、Angew Chem Intl Ed、Clinical Infectious Diseases、ES&T等SCI刊物发表75篇文章,研究成果获ES&T刊物2018年度最佳论文奖,多次被美国化学协会CE&N等媒体选为研究亮点或学术新闻宣传报道。

曾获美国气溶胶协会Kenneth T. Whitby、欧洲Marian Smoluchowski、亚洲AYASA青年气溶胶科学家杰出贡献奖。于2016年获国家技术发明二等奖(“生物气溶胶实时监测危害预测与控制技术”)与第44届日内瓦国际发明展特别金奖(“GREATpa”技术)。作为执行主席之一,组织召开首届生物气溶胶香山科学会议(2017年)以及耐药基因香山科学会议(2019年)。指导的博士生论文获美国气溶胶协会(AAAR)Sheldon K. Friedlander杰出博士论文奖。目前担任中国环境科学学会室内与环境健康分会常务副理事长。

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