Einführung
Nicht-pharmazeutische Interventionen (NPIs) können traditionelle Impfungen und antivirale Medikamente gegen Infektionskrankheiten ergänzen. NPIs sind von besonderer Bedeutung bei Krankheiten wie der Grippe, die nachweislich durch Impfung allein nicht gut bekämpft werden können. Weltweit sind schätzungsweise 5–10 % der Erwachsenen und 20–30 % der Kinder von der jährlichen Grippeepidemie betroffen, die zu 3 bis 5 Millionen schweren Erkrankungen und 250 000 bis 500 000 Todesfällen führt [1]. Diese Infektionen sind bei Kindern unter 18 Jahren für 10 % der weltweiten Krankenhauseinweisungen aufgrund von Atemwegserkrankungen verantwortlich [2]. Die direkten medizinischen Kosten (2015) für die stationäre Versorgung von Influenza wurden auf 3.650 bis 9.660 Dollar pro Fall geschätzt (untersucht in [3]) und die wirtschaftliche Gesamtbelastung durch Influenza in den USA auf über 87 Milliarden Dollar pro Jahr [4]. In Minnesota (MN), USA, war die Grippesaison 2014–2015 mit 4202 im Labor bestätigten Grippeinfektionen, die stationär behandelt werden mussten, und 10 bestätigten grippebedingten Todesfällen bei Kindern besonders schwerwiegend. Dies war die höchste Rate, die in den vergangenen sechs Jahren gemeldet wurde, einschließlich der H1N1-Grippe-Pandemie im Jahr 2009 [5]. Influenza und das Respiratorische Synzytial-Virus (RSV) machten über 50 % der Krankenhauseinweisungen (aller Altersgruppen) aufgrund von Atemwegsinfektionen aus, wobei zusätzlich 706 Ausbrüche von grippeähnlichen Erkrankungen in Schulen gemeldet wurden [5]. Dieser Anstieg der Influenza wurde der Antigendrift zugeschrieben, wodurch der Impfstoff weitgehend wirkungslos wurde. Die Grippesaison 2014–2015 zeigt, warum sich alternative Ansätze wie NPIs als wertvoll für die Krankheitsprävention erweisen könnten.
Die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung des Influenzavirus steigt in Situationen, in denen sich viele Menschen in geschlossenen Räumen und in unmittelbarer Nähe zueinander aufhalten, wie in Flugzeugen und Marineschiffen [6]. Kinder spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von akuten Atemwegsinfektionen innerhalb einer Gemeinschaft [7]. Das Überleben und die Übertragung des Influenzavirus können durch die Tröpfchengröße aerogener Influenzaviren beeinflusst werden. Größere Tröpfchen setzen sich schneller aus der Luft ab und dringen nicht so tief in die Atemwege ein, wo sie eine Infektion auslösen [8]. Unter Laborbedingungen wurde gezeigt, dass infektiöse Influenzaviren Stunden bis Tage (17 Tage auf Banknoten mit Atemwegssekreten [9]) auf so unterschiedlichen Objekten wie Oberflächenstaub [10], Stoff, Kissenbezügen, weichem Stoffspielzeug, Lichtschaltern, Resopal, Vinyl und Edelstahl [11, 12] überleben können. Forscher haben nachgewiesen, dass infektiöse Influenza-A-Viren von Edelstahloberflächen (bis zu 24 Stunden) oder von Papiertaschentüchern (15 Minuten) auf Hände übertragen werden und auf den Händen 5 [13] bis 60 [12] Minuten lang infektiös bleiben.
Die Sterblichkeits- und Übertragungsraten von Influenza-A-Viren wurden mit einer verringerten absoluten Luftfeuchtigkeit in Verbindung gebracht [14]. Dieser epidemiologische Zusammenhang deutet darauf hin, dass eine absichtliche Erhöhung der absoluten Luftfeuchtigkeit ein potenzieller NPI sein könnte, um die Ausbreitung von Influenza- und anderen Viren einzudämmen. Ein Ansatz besteht darin, die relative Luftfeuchtigkeit (rF) zwischen 40–60 % zu halten, dem optimalen Bereich zur Verringerung der Wachstumsbedingungen für Viren, Bakterien und Pilze [15]. Unsere frühere Studie hat gezeigt, dass eine Befeuchtung von Klassenzimmern mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40–60 % ein praktikabler Ansatz sein kann, um die absolute Luftfeuchtigkeit in Innenräumen auf Werte zu erhöhen, die das Überleben von Influenzaviren (Ziel von 10 mbar) und die Übertragung, wie durch Modellanalysen vorhergesagt, reduzieren können [16].
Öffentliche Schulen sind aufgrund der Rolle von Kindern als Hauptquelle für die Übertragung des Grippevirus von der Öffentlichkeit in einen Haushalt vielversprechende Standorte für den potenziellen Einsatz von Luftfeuchtigkeit als NPI [4]. Wir haben ein neues Probenahmeverfahren (S1 Abb.) in der Schule entwickelt, das empfindlich genug ist, um das Vorhandensein, die Menge (virale RNA) und die Infektiosität des Influenzavirus nachzuweisen.
Außerhalb des Labors haben keine früheren Studien das Potenzial der Befeuchtung als NPI getestet. Einigen Gruppen ist es gelungen, Influenzaviren (RNA) aus Luftproben in Einrichtungen des Gesundheitswesens zu sammeln [17, 18]. Eine Gruppe wies auch Influenza-Viren (RNA) in Luftproben einer Kindertagesstätte (Baby- und Kleinkinderzimmer) und an Bord von Flugzeugen in den USA nach [18]. In diesen Studien konnte die infektiöse Influenza unter Feldbedingungen jedoch nicht nachgewiesen und von den Keimträgern isoliert werden. Diese Studie untersuchte das Vorhandensein und die Infektiosität des Influenza-A-Virus in aktiven Vorschulklassenräumen unter kontrollierten und befeuchteten Bedingungen.
Abb. 1. Absolute Luftfeuchtigkeit und Grippefälle im Krankenhaus.
(A) Werte der absoluten Außenluftfeuchtigkeit (n = 65; eine Messung pro Tag) von Rochester, MN und Influenza-Krankenhausfällen in MN (n = 1070, Woche endet am 16. Januar bis 19. März). Unter Anwendung des von Shaman et al. [34] beschriebenen nationalen Trendmodells für die lokale Feuchtigkeit und Krankheiten folgte der Ausbruch der Influenza der vorhergesagten Verzögerung von 10–16 Tagen (grauer Kasten) nach einem absoluten Feuchtigkeitstief (blauer Kasten). Spitzenfälle folgen (rosa Kasten), da die Inkubationszeit 1–4 Tage beträgt und der Virus bis zu 7 Tage nach Abklingen der Symptome ausgeschieden wird.
(B) Absolute Luftfeuchtigkeit in 4 Vorschulklassenräumen (Durchschnitt von zwei Sensoren mit 10-Minuten-Intervallen über 150 Minuten (n = 16 pro Sensor, Raum D) oder (n = 17 pro Sensor, Räume A,B,C) pro Klassenperiode pro Sensor). Die Mittelwerte sind Durchschnittswerte beider Sensoren während der Unterrichtszeit, Fehlerbalken sind SD und entsprechen der absoluten Luftfeuchtigkeit außen (n = 15, 1 pro Tag) an den 15 Tagen der Probenahme. Während der Probensammlung am 23. Februar liefen in den befeuchteten Räumen Luftbefeuchter.
Ergebnisse
Am Ende der Grippesaison 2015–2016 ergab eine Analyse der durch Influenzaviren verursachten Krankenhausaufenthalte in MN (Daten, die vom MN Department of Health über FluSurv-NET zur Verfügung gestellt wurden) [19] drei Tiefs bei der absoluten Luftfeuchtigkeit, wobei das ausgeprägteste (14. Februar 2016) [20] dem Höhepunkt des saisonalen Grippeausbruchs vorausgeht (Abb. 1A). Der Höhepunkt der bestätigten Fälle von Influenzaviren im Krankenhaus (positiv bestätigt) war die Woche bis zum 12. März 2016.
Die erhöhte Befeuchtung in Klassenräumen wurde bei durchschnittlich 9,89 mb in befeuchteten Räumen gehalten, verglichen mit 6,33 mb in Kontrollräumen (25. Januar bis 23. Februar). Die absolute Luftfeuchtigkeit wurde auf etwa 10 mb angestrebt, basierend auf zuvor erreichbaren Werten in Klassenzimmern mit einem im Winter laufenden Befeuchter [16]. Die absolute Luftfeuchtigkeit in der Schule erreichte im späten Frühjahr und frühen Herbst oft 10 mb und 60 % relative Luftfeuchtigkeit [16], die 1-Stunde-Überlebensrate des Influenzavirus lag bei 35 % (gegenüber 75 % der am niedrigsten gemessenen absoluten Luftfeuchtigkeit von 2,67 mb). Die Abwesenheit der Schüler während der Schulzeit ist in Tabelle 1 ersichtlich, gefolgt von den positiven Influenza-A-Virus-Proben in Tabelle 2.
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Kontroll-Klassenzimmer |
Befeuchtetes Klassenzimmer |
| Kategorie der Abwesenheit |
% Ausfall |
Gesamtteilnahme |
% Ausfall |
Gesamtteilnahme |
| Allgemein |
9,17 |
1788 |
8,37 |
2293 |
| Krank |
1,29 |
1788 |
1,00 |
2293 |
| Grippeähnl. Erkrankung |
0,39 |
1788 |
0,13 |
2293 |
Tabelle 1
Die Gesamtteilnahme ist die Anzahl der Schüler, die in Kontroll- oder befeuchteten Klassenzimmern eingeschrieben sind, multipliziert mit der Gesamtzahl der Schultage. % Ausfall für allgemein bedeutet, dass die Schüler aus allen Gründen (Krankheit, Grippeähnliche Erkrankung, Urlaub) weg sind, geteilt durch die Gesamtteilnahme. % Ausfall krank repräsentiert Schüler, die aufgrund einer ausdrücklichen Krankheit nicht im Unterricht waren, geteilt durch die Gesamtteilnahme. % Ausfall wegen grippeähnlicher Erkrankung zeigt an, dass der Schüler selbst berichtete Symptome von Fieber plus Husten oder Fieber plus Halsschmerzen hatte. Statistische Analysen werden aufgrund kleiner Stichproben von Abwesenheiten nicht durchgeführt.
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Kontroll-Klassenzimmer |
Befeuchtetes Klassenzimmer |
Kontroll- vs. Befeuchtetes Klassenzimmer |
| Proben-Typ |
Prüfung |
% positiv |
n |
% positiv |
n |
OR, [95% CI], P > |z| |
| Gemischt (Infektionsträger und Luft) |
Elektrische Impedanz |
48,1 |
27 |
16,7 |
18 |
LCSα |
| Gemischt (Infektionsträger und Luft) |
PCR |
20 |
320 |
14,5 |
330 |
LCSα |
| Infektionsträger |
PCR |
22,1 |
140 |
18 |
150 |
0,51, [0,33-0,78], 0,002 |
| Luft (gesamt) |
PCR |
18,3 |
180 |
11,7 |
180 |
0,51, [0,29-0,89], 0,20 |
| Luft < 1 µm |
PCR |
13,3 |
60 |
10 |
60 |
1,25, [0,91-1,72], 0,174 |
| Luft 1-4 µm |
PCR |
25 |
60 |
16,7 |
60 |
0,48, [0,16-1,42], 0,183 |
| Luft > 4 µm |
PCR |
16,7 |
60 |
8,3 |
60 |
0,51, [0,23-1,10], 0,087 |
Tabelle 2
Der prozentuale Positivwert wurde berechnet, indem die Anzahl der positiven Proben durch die Anzahl der unter diesen Bedingungen entnommenen Proben geteilt wurde. Die Probennummer (n) ist angegeben. Durch PCR getestete Proben umfassten alle Infektionsträger- und Luftproben und sind kombiniert und in Infektionsträger- und Luftkategorien (insgesamt) unterteilt. Zusätzlich wurden Luftproben in die drei Größen der gesammelten Luftpartikel getrennt. Statistische Analysen von OR, 95% CI und P> | z | sind angegeben. α zeigt eine niedrige Zellgröße (LCS) an, sodass statistische Analysen aufgrund der geringen Probengröße nicht durchgeführt werden.
Insgesamt wurden 650 Proben entnommen (320 in Kontrollräumen, 330 in befeuchteten Räumen), von denen 112 (17 %) mittels RT-PCR positiv auf das Influenza-A-Virus getestet wurden (Tabelle 2, S2 Abb.). In befeuchteten Räumen gab es im Vergleich zu den Kontrollräumen weniger positive Proben des Influenza-A-Virus und zwar sowohl für die Keimträger als auch für die Gesamtluft. Bei der Untersuchung einzelner Größen von Luftpartikeln erreichten die Unterschiede jedoch keine statistische Signifikanz. Die Verteilung der positiven Proben des Influenza-A-Virus innerhalb der verschiedenen Größen der Luftpartikel variierte mit dem größten Prozentsatz positiver Proben innerhalb der Größe 1–4 μm sowohl für Kontrollräume als auch für befeuchtete Räume (Tabelle 2).
Quantitative RT-PCR des Influenza-A-Virus zur Bestimmung der Genomkopienzahl ergab eine signifikante Verringerung der mittleren Kopienzahl in befeuchteten Räumen im Vergleich zu den Kontrollen für Infektionsträger (P < 0,001) und Luft (gesamt) (P < 0,001) (Abb. 2A). Der Mittelwert der genomischen Kopien von Influenza A pro Probe für befeuchtete Räume betrug 24,6 im Vergleich zu 34,5 für Kontrollräume für Infektionsträger. Für Luft (insgesamt) betrug der Mittelwert der genomischen Kopien von Influenza A pro Kubikmeter Luft 36,1 für befeuchtete Räume und 79,1 für Kontrollräume (Abb. 2B). Die qRT-PCR-Daten bei einzelnen Partikelgrößen zeigten, dass Luft < 1 μm (P = 0,010) und Luft > 4 μm (P = 0,011) eine signifikante Verringerung der mittleren genomischen Kopien des Influenza-A-Virus erfuhr. Diese Differenz ist sowohl als gemessene genomische Kopienzahl als auch als berechnete Kopienzahl pro geschätztes Luftvolumen in S1 Tabelle ersichtlich. Die mittleren Influenza-A-Virus-Genomkopien für Luft zwischen 1–4 μm (P = 0,208) waren in befeuchteten Räumen tendenziell niedriger, unterschieden sich aber statistisch nicht von Kontrollräumen bei einem CI von 95 %. Die Genomkopien des Influenza-A-Virus variierten zwischen den verschiedenen Probentypen, wobei die Infektionserreger die höchste Kopienzahl aufwiesen, gefolgt von Luftpartikeln 1–4 μm (S1 Tabelle). Der elektrische Impedanztest wurde auch von anderen Gruppen [21, 22] zur Beurteilung der Infektiosität von Influenza A und für andere Virusinfektionen [23, 24] verwendet. Das Instrument misst den Zellindex als Ergebnis von Zelladhäsion, Lebensfähigkeit und Wachstum. Wenn keine Zellen vorhanden sind, ist der Zellindex null (wie mit Vertiefungen mit unbehandeltem Medium kalibriert). Sobald die Zellen ausgesät sind, sich anheften und wachsen, steigt der Zellindex an. Ein elektrischer Impedanztest ergab, dass 35,6 % der RT-PCR-positiven Klassenzimmerproben als infektiös getestet wurden (Tabelle 2 und S3 Abb.). Es gab einen geringeren Prozentsatz infektiöser Proben aus den befeuchteten Räumen (3 von 16 getesteten,19 %) als aus den Kontrollräumen (13 von 16 getesteten, 81 %).
Abb. 2. Genomische Kopien des Influenza-A-Virus von positiven Proben.
Horizontale Balken zeigen die mittlere Kopienzahl an, die Fehlerbalken entsprechen 95 % CI. Infektionsträger Kontrolle, n = 31; Infektionsträger befeuchtet, n = 27; Luft (gesamt) Kontrolle, n = 33; Luft (gesamt) befeuchtet, n = 21. * Gibt den berechneten Mittelwert der Luftproben pro Kubikmeter Luft basierend auf dem Luftprobenvolumen an. * P < 0,001.
Die Mehrzahl der Luftpartikel war sowohl in befeuchteten Räumen als auch in Kontrollräumen kleiner als 1 μm. Die durchschnittliche Partikelkonzentration (Anzahl pro Kubikzentimeter Luft) nahm unabhängig vom Befeuchtungszustand in allen vier Klassenräumen mit zunehmender Größe ab (Abbildung 3). Die vom Luftbefeuchter erzeugten Partikel und die durchschnittlichen Zählungen aus 7 unabhängigen Messungen über einen Zeitraum von 22 Minuten zeigten, dass mehr als 96 % der befeuchteten Partikel kleiner als 1 μm waren. Befeuchtete Räume zeigten eine annähernde Verdoppelung sowohl von 1–4 μm, als auch von > 4 μm Luftpartikeln (Fig 3). Es gab einen signifikanten Anstieg der Anzahl größerer Partikel (1–4 μm und > 4 μm) in den befeuchteten Räumen im Vergleich zu den Kontrollräumen (Abb. 3). Diese Beobachtung stützt die Hypothese der Kombination der durch die Befeuchtung zugeführten kleinen Partikel mit vorhandenen (und potenziell grippetragenden) Partikeln. Größere Partikel bleiben weniger lange in der Luft (4-μm-Partikel brauchen 33 Minuten, um sich 1 Meter in ruhender Luft abzusetzen, während Partikel von 1 μm Größe 8 Stunden brauchen) [17] und sind nicht in der Lage, sehr tief in die Atemwege zu gelangen, so dass sie als weniger pathogen gelten [8].
Vom 25. Januar bis zum 11. März 2016 wurden 10 grippeähnliche Erkrankungen bei Schülern vom Schulpersonal erfasst (Tabelle 1). Sieben dieser Krankmeldungen entfielen auf (nicht befeuchtete) Kontrollräume und drei auf befeuchtete Räume. Beide Raumgruppen (Kontrollräume und befeuchtete Räume) wiesen insgesamt die gleiche Anzahl krankheitsbedingter Abwesenheiten auf (23). Die Unterschiede in Vervielfältigung und Infektiosität sind auf die Anzahl der positiven Proben normiert. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, waren bei einem Vergleich der befeuchteten Räume und der Kontrollräume pro Raum der Prozentsatz der positiven (Anzahl PCR+ / Gesamtproben pro Raum), der Prozentsatz der infektiösen (Anzahl positiv nach Infektiosität / Anzahl PCR-positiv getestet pro Raum) und in Tabelle 1 der Prozentsatz der Schüler mit Abwesenheit wegen grippeähnlicher Erkrankungen (Anzahl Schüler mit Fieber + Husten oder Fieber + Halsschmerzen / Gesamtanwesenheit der Schüler pro Klassenraum während der Studie) alle in befeuchteten Räumen niedriger als in Kontrollräumen.
Diskussion
Diese Studie untersuchte das Vorhandensein, die genomische Kopienzahl und die Infektiosität des Influenza-A-Virus in Vorschulklassenzimmern während der trockenen Wintermonate (niedrige Raumluftfeuchtigkeit), was dem Höhepunkt der Infektionen mit dem Atemwegsvirus in Minnesota entspricht. Ein Anstieg der durchschnittlichen absoluten Luftfeuchtigkeit von 6,33 mb in Kontrollräumen auf 9,89 mb in befeuchteten Räumen (rF ~42–45 %) war im Vergleich zu Kontrollräumen mit einem signifikanten Rückgang der Influenza-A-Viren in Infektionsträgern und Luftproben in befeuchteten Räumen verbunden. Darüber hinaus wiesen PCR-positive Proben aus befeuchteten Räumen eine geringere Infektiosität auf als Proben aus Kontrollräumen. Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Anstieg der Kopien des Genoms des Influenza-A-Virus und die Abnahme der Infektiosität normiert auf die Anzahl der positiven Proben gezeigt wird, um auszuschließen, dass die erhöhte Kopienzahl und Infektiosität als einfacher Ausdruck der Anzahl kranker Kinder interpretiert werden kann. Die Abnahme der Infektiosität könnte durch eine geringere Viruslast der PCR-positiven befeuchteten Raumproben im Vergleich zu PCR-positiven Kontrollraumproben bedingt sein. Dies korreliert mit den niedrigeren Genomkopien von PCR-positiven Proben des Influenza-A-Virus, die in befeuchteten Räumen beobachtet wurden. Umhüllte Viren wie Influenza sind in der Umwelt weniger stabil als unumhüllte Viren und reagieren empfindlicher auf höhere relative Luftfeuchtigkeit [25–27]. Der genaue Mechanismus, der der Wirkung von Feuchtigkeit auf das Überleben des Influenzavirus zugrunde liegt, ist immer noch nicht vollständig erforscht [28]. Mehrere Studien haben die Hypothese aufgestellt, dass die Oberflächeninaktivierung bei Viren mit strukturellen Lipiden auf die Denaturierung der Lipoproteine in umhüllten Viren und Phasenänderungen in der Phospholipid-Doppelschicht zurückzuführen sein könnte, was zu einer Quervernetzung verbundener Proteine führt [25]. Zusätzlich beeinflusst die relative Luftfeuchtigkeit die Salzkonzentration innerhalb der Tröpfchen und bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit (< 50 %) kristallisieren die gelösten Stoffe aus und die Lebensfähigkeit des Influenzavirus bleibt erhalten [29].
Frühere Studien haben sich weitgehend auf den Einfluss der Luftfeuchtigkeit (relativ oder absolut) auf das Überleben des Influenzavirus unter Laborbedingungen konzentriert ([8, 27–30]). In einer Studie wurde das Überleben des Influenzavirus in verschiedenen Bereichen der absoluten Luftfeuchtigkeit in geschlossenen Räumen und der in Schulumgebungen erreichbaren Befeuchtungsniveaus modelliert [16]. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse stellten wir die Hypothese auf, dass die Befeuchtung von Klassenzimmern ein praktikabler Ansatz ist, um die absolute Luftfeuchtigkeit in Innenräumen auf Werte zu erhöhen, die das Überleben und die Übertragung des Influenzavirus verringern. Im nächsten Schritt wurden Probensammlungen aus Klassenraumumgebungen einbezogen und gezeigt, dass befeuchtete Räume weniger positive Influenza-A-Virus-Proben und weniger genomische Kopien aufweisen. Außerdem waren positive Influenza-A-Virus-Proben in befeuchteten Räumen weniger infektiös. Zusammen stützen diese Ergebnisse die Hypothese, dass eine absichtliche Befeuchtung die Aktivität von Influenza-A-Viren in Schulumgebungen mildern kann.
In dieser Studie haben Luftbefeuchter die Gesamtmenge der Partikel signifikant erhöht, insbesondere durch die Erhöhung der Anzahl kleiner Luftpartikel, was zu einer Zunahme größerer Partikel führte und eine Verschiebung der Verteilung hin zu den größten Partikeln (> 4 μm) bewirkte. Dies könnte auf die Aggregation von Partikeln in der befeuchteten Luft zurückgeführt werden, wodurch die Zeit der Luftlagerung und der Übertragung durch Einatmen verkürzt wird (Abb. 3). Diese Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis des Einflusses von Feuchtigkeit auf das Überleben von Influenza-A-Viren (Oberflächen und Objekte) sowie der Übertragbarkeit von Viren über Aerosole, indem die Größe von Aerosolpartikeln und die Verteilung von Viren innerhalb verschiedener Partikelgrößen gemessen wird.
Abb. 3. Luftpartikelkonzentrationen nach Größe in Klassenräumen.
Balken geben die mittlere Partikelzahl pro Kubikzentimeter Luft nach Größe der Luftpartikel an, die Fehlerbalken entsprechen 95 % CI. Kontrolle, n = 23; Befeuchtet, n = 30. * P < 0,05, ** P < 0,01.
Die Einbeziehung direkter Messungen des Influenzavirus (oder anderer respiratorischer Viren) in einer größeren Versuchspopulation könnte bei diesem Ansatz zu genaueren Ergebnissen führen. Darüber hinaus müssen die Auswirkungen der exogenen Befeuchtung auf andere Viren in ähnlicher Weise gemessen werden, um den vollen potenziellen Einfluss dieser NPI auf andere Quellen übertragbarer Atemwegsinfektionen besser zu verstehen.
