Studie Übertragung von Grippe-Viren durch die Luft

Übertragung von Grippe-Viren
durch die Luft

Autoren: John D. Noti, Francoise M. Blachere, Cynthia M. McMillen, William G. Lindsley,
Michael L. Kashon, Denzil R. Slaughter, Donald H. Beezhold

Originaltitel: High humidity leads to loss of infectious influenza virus from simulated coughs

Quellenlink: http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0057485

Veröffentlicht: 27. Februar 2013


Kurzzusammenfassung



Versuchsaufbau / Methode

Vernebelte Influenzaviren wurden in einen Untersuchungsraum gehustet und Bioaerosol-Probenehmer sammelten größenfraktionierte Aerosole (< 1 μm, 1-4 μm und > 4 μm aerodynamische Durchmesser) neben dem Mund der Atempuppe und an weiteren Stellen im Raum. Bei konstanter Temperatur wurde eine relative Luftfeuchtigkeit von 7 bis 73% variiert und die Infektiosität durch den Virus-Plaque-Assay bewertet.


Ergebnis

Die gesamten Viren, die innerhalb von 60 Minuten gesammelt wurden, behielten eine Infektiosität von 70,6 bis 77,3% bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von ≤23%, aber nur 14,6–22,2% Infektiosität bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von ≥43%. Die Analyse der einzelnen Aerosolfraktionen zeigte einen ähnlichen Verlust an Infektiosität unter allen Fraktionen. Die Zeitintervallanalyse ergab, dass der größte Teil der Infektiositätsverluste innerhalb jeder Aerosolfraktion zwischen 0 und 15 Minuten nach dem Husten auftrat. Danach setzten sich die Infektiositätsverluste bis zu fünf Stunden nach dem Husten fort. Die Abnahmerate bei 45% relativer Luftfeuchtigkeit unterschied sich jedoch statistisch nicht von der Abnahmerate bei 20%, unabhängig von der analysierten Aerosolfraktion. <


Fazit
Bei einer niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit behält Influenza eine maximale Infektiosität bei. Die Inaktivierung des Virus bei einer höheren relativen Feuchtigkeit tritt schnell nach dem Husten auf. Viren in Aerosolpartikeln < 4 μm können zwar länger in Luftströmungen schweben und sich über größere Entfernungen als Viren mit größeren Partikeln ausbreiten, ihre rasche Inaktivierung bei hoher Luftfeuchtigkeit kann dies jedoch verhindern. Die Aufrechterhaltung einer relativen Luftfeuchtigkeit in Innenräumen von > 40% verringert die Infektiosität des aerosolisierten Virus erheblich.
Hust- und Atmungs Simulator

Husten-Simulator

Das National Institute of Safety und Health (NIOSH) sammelte Aerosole durch den Mund, 10 cm auf beiden Seiten des Mundes der Puppe wie gezeigt. Die Mündungen der Husten- und Atemsimulatoren befanden sich 152 cm über dem Boden (ungefähre Mundhöhe eines auf einem Untersuchungstisch sitzenden Patienten und ein stehender medizinischer Mitarbeiter).



Studie von Dr. D. Noti



Wintergrippeausbrüche treten in gemäßigten Klimazonen mit saisonaler Regelmäßigkeit auf und es wurde vermutet, dass die Luftfeuchtigkeit die Übertragung beeinflussen kann [1], [2]. Frühere Studien mit Influenza-Aerosolen in kleinen Absetzkammern ergaben im Allgemeinen, dass das aerosolisierte Virus bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit (r. F.) inaktiviert war, bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit jedoch viel besser überlebte [3] [4] [5]. Andere Studien [6] [7] zeigten, dass das Überleben bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit optimal, bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit moderat und bei mittlerer relativer Luftfeuchtigkeit minimal war.

Die aerodynamischen Durchmesser der aerosolisierten Partikel wurden in keiner dieser Studien bestimmt; daher wurde über den Einfluss der Partikelgröße auf die Inaktivierung des Virus nicht berichtet. Lowen et al. [8] verwendeten ein Meerschweinchenmodell um direkt zu testen, ob die Luftfeuchtigkeit die Übertragung der Influenza von infizierten Tieren auf nicht infizierte Tiere durch Aerosole beeinflusste, die in benachbarten, aber getrennten Käfigen in einer Umweltkammer mit fünf relativen Luftfeuchten zwischen 20 und 80% bei 20 °C untergebracht waren. In ihrer Studie betrugen die Übertragungsraten 75 bis 100% bei 20%, 35% und 65% relativer Luftfeuchtigkeit, jedoch nur 25% bei 50% relativer Luftfeuchtigkeit und 0% bei 80% relativer Luftfeuchtigkeit. Es wurden jedoch keine Luftproben entnommen, um zu bestätigen, dass Meerschweinchen, die bei unterschiedlichen relativen Luftfeuchten gehalten wurden, ähnliche Mengen an aerosolisiertem Virus abgaben.

Während des Winters verbringen die Menschen den größten Teil ihrer Zeit in Innenräumen und das Risiko einer Influenza-Aerosolübertragung durch Husten, Niesen und Atmen ist besorgniserregend, da lungengängige Partikel, die Influenza übertragen, über einen längeren Zeitraum in der Luft bleiben können. Influenza-RNS wurde im ausgeatmeten Atem und im Husten von Patienten mit Influenza nachgewiesen [9] - [11]. Klinische Studien während der Influenza-Saison zeigten, dass Influenza in Aerosolpartikeln ≤4 µm nachgewiesen wurde [12] [13]. Eine kürzlich durchgeführte Studie über Innenräume, in denen Jet-Reisende wahrscheinlich mit Einheimischen interagieren, ergab, dass die relative Luftfeuchtigkeit einer der Hauptfaktoren für die Aerosolübertragung von Influenza ist [14].

Im Gesundheitswesen tätige Personen, die Influenzapatienten behandeln, sind besonders anfällig für Infektionen, da sie im Laufe eines Tages mehreren Patienten in geschlossenen Untersuchungsräumen ausgesetzt sein können. Ein neuartiger Ansatz zur Bewertung von Risikofaktoren ist die Verwendung von Puppen in einer kontrollierten Umgebung. Dieser Ansatz wurde verwendet, um die Strömung der menschlichen Atemluft in einem Raum [15], die Auswirkungen der Beatmung auf die Atemluft [16] - [18] und die Wirksamkeit von Mundschutzmasken und Atemschutzmasken zum Schutz von medizinischem Personal, das Influenza-Husten-Aerosolen ausgesetzt ist [19], [20], zu studieren.

Um herauszufinden, ob die Luftfeuchtigkeit das Risiko einer Influenza-Aerosolübertragung erhöht, wurde ein mit Umweltkontrollen ausgestatteter simulierter Untersuchungsraum mit einer Husten- und Atempuppe gebaut, um die Exposition eines Beschäftigten im Gesundheitswesen zu simulieren [19] [20]. In dieser Studie wurde das an der Atempuppe gesammelte Virus gemäß ihren aerodynamischen Durchmessern (> 4 μm, 1–4 μm und < 1 μm) in drei Größenfraktionen aufgeteilt. Wir zeigen, dass bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit die Infektiosität von Viren aus einer Partikelfraktion innerhalb der ersten Stunde nur geringfügig abnimmt. Bei mittlerer relativer Luftfeuchtigkeit sind jedoch 60 bis 80% des Virus inaktiviert und von der Viruspartikelgröße abhängig. Die schnellste Inaktivierungsrate wurde bei einer Partikelgröße von > 4 μm beobachtet, bei der 78% der Infektiosität innerhalb von 16 bis 30 Minuten nach einem Husten verringert wurden.

Zellen und Viren

Madin-Darby Canine Kidney (MDCK)-Zellen (ATCC CCL-34) und der Influenza-Stamm A/WS/33 (H1N1, ATCC VR-825) wurden von der American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA) gekauft und wie beschrieben gepflegt [21].

Bioaerosol-Probenehmer
Bioaerosol-Probenehmer des Nationalen Instituts für Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz (NIOSH), die Aerosole in drei Fraktionen (> 4 µm, 1–4 µm und < 1 µm aerodynamische Durchmesser) sammeln und zerkleinern, wurden zum Sammeln von Influenza-haltigen Aerosolen verwendet [ 12], [22].

Echtzeit qPCR
Die Menge des Gesamtvirus (infektiös und nicht infektiös) in einer Aerosolprobe wurde durch die Echtzeit-qPCR-Analyse bestimmt, um die Anzahl der Matrix1-Genkopien wie beschrieben zu beurteilen [21].

Virus-Plaque-Assay (VPA)
Die Anzahl der infektiösen Viren in einer Aerosolprobe wurde durch den VPA bestimmt. Aerosole, die infektiöse Influenza enthielten, wurden auf einen konfluenten Rasen aus MDCK-Zellen geimpft und die Plaquebildenden Einheiten (PFU) wurden wie beschrieben berechnet [21].

Aerosolbelastungs-Simulationskammer
Der simulierte Untersuchungsraum (Aerosolbelastungs-Simulationskammer) ist 3,16 m × 3,16 m × 2,27 m hoch und enthält einen HEPA-Filter und eine UV-Lampe [19], [20] zur Desinfektion der Kammer. Die Viruslösung wurde mit einem Aeroneb-Mikropumpenvernebler mit 2,5 bis 4 μm (Aerogen, Galway, Irland) aerosolisiert und für insgesamt fünf Husten in Intervallen von ungefähr einer Minute aus der Ferne wie beschrieben in den Hustensimulator geladen [19], [20], [21]. Der Hustensimulator verwendet einen Metallbalg, der von einem computergesteuerten Linearmotor (Modell STA2506, Copley Controls, Canton, MA) angetrieben wird, um den Fluss und das Aerosolmuster eines menschlichen Hustens zu reproduzieren. Der Husten hatte ein Volumen von 4,2 Litern mit einem Spitzenfluss von 16,9 Litern/Sekunde und einem mittleren Fluss von 5,28 Litern/Sekunde. Der digitale Atmungssimulator (Warwick Technologies Ltd., Warwick, UK) war mit einer standardmäßigen mittelgroßen Kopfform (Sheffield, Modell 189003, ISI Lawrenceville, GA) ausgestattet. Die Atmungswellenform war sinusförmig mit einer Flussrate von 32 Litern/Minute (ISO-Standard für einen Erwachsenen mit einer Größe von 1,88 m und einer Masse von 85 kg bei mäßiger Arbeit) [23]. Die Husten- und Atemsimulatoren wurden so synchronisiert, dass jeder Husten zu Beginn einer Inhalation ausgelöst wurde. NIOSH-Aerosolprobenehmer sammelten Aerosole 1 mm über dem Mund der Puppe (durch den Mund), 10 cm rechts und links vom Mund und an zwei Stellen (P1 und P3) im Raum. Für die Zeitverlaufsanalyse wurden Untersuchungsraumluftproben von drei Probenehmern außerhalb des Raums (P2) gesammelt, um eine sofortige Verarbeitung der gesammelten Proben zu ermöglichen. Die Aerosolpartikelkonzentrationen in der Belastungskammer wurden kontinuierlich unter Verwendung eines optischen Partikelzählers (OPC; Modell 1.108, Grimm Technologies, Inc., Douglasville, GA) überwacht, der sich 55 cm unterhalb des Mundes der Hustenpuppe befand. Der Hustenaerosolausstoß des Hustensimulators wurde unter Verwendung eines Spraytec-Aerosolanalysators (Malvern Instruments, Worcestershire, UK) gemessen.

Die Aerosolbelastungs-Simulationskammer (Enviroline Walk-In Chamber, Norlake, Hudson, WI) hielt die ausgewählte Temperatur und die Luftfeuchtigkeit unter Verwendung eines industriellen Luftentfeuchters auf Trockenmittelbasis (IAT-150-E, Innovative Air Technologies, Covington, GA), eines Zentrifugalzerstäubers (Norlake), eines Fernheiz-/Kühlsystems (NAWE150RL-3, Norlake) und eines programmierbaren Temperatur-/Luftfeuchtigkeitsreglers (CP8L, Norlake) aufrecht.

Nachdem sich die Kammer auf die gewünschte Temperatur und Luftfeuchtigkeit eingestellt hatte, wurde das Umgebungskontrollsystem abgeschaltet; die Klappen im System verhindern Aerosolpartikelverluste im Luftentfeuchter und im Heiz-/Kühlluftkreislaufsystem. Die Wand- und Bodennähte der Kammer sind mit Silikondichtmasse dicht verschlossen, um das Austreten von Aerosolpartikeln zu verhindern. Die Eingangstür verfügt über manuelle Schlösser, die die Tür fest gegen Dichtungen drücken, um ein Austreten von Aerosol während der Ausgleichs- und Sammelperioden weiter zu verhindern.

Statistische Methoden
Die Analyse der Anzahl von PFUs, die durch von den Probenehmern gesammelte Viruspartikel induziert wurden, wurde unter Verwendung der SAS/STAT-Software erzeugt, Version 9.2 des SAS-Systems für Windows (SAS Institute, Cary, NC). Die Daten wurden transformiert, indem der natürliche logarithmische Wert der PFUs vor der Analyse berechnet wurde, um die Annahmen der statistischen Tests (Homogenität der Varianz) zu erfüllen. Für Proben, die 60 Minuten lang bei sieben verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeitswerten gesammelt wurden, wurde eine bidirektionale faktorielle Varianzanalyse (ANOVA) mit relativer Luftfeuchtigkeit und Fraktion durchgeführt. Dies wurde unter Verwendung der relativen Luftfeuchtigkeit als numerische unabhängige Variable zur Berechnung der Steigungen sowie als kategoriale Variable durchgeführt, um Vergleiche zwischen den mittleren PFU-Werten in jeder Fraktion bei jeder relativen Luftfeuchtigkeit zu ermöglichen. Eine signifikante Wechselwirkung in einem Modell mit Feuchtigkeit als numerische Variable zeigt an, dass die Steigungen der Linien, die PFUs als Funktion der relativen Luftfeuchtigkeit darstellen, über Brüche hinweg nicht gleich sind. Das zweite Experiment, das 60 Minuten lang in 15-Minuten-Intervallen bei zwei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeitsgraden getestet wurde, wurde mit einer dreifachen faktoriellen gemischten Modell-ANOVA auf relative Luftfeuchtigkeit, Zeit und Fraktion analysiert, wobei jede als Klassenvariable verwendet wurde. Das letzte Experiment, das 60 Minuten lang zwischen vier und fünf Stunden nach der Aerosolerzeugung durchgeführt wurde, wurde unter Verwendung einer Zweiwege-Mischmodell-ANOVA auf relative Luftfeuchtigkeit und Fraktion analysiert. In allen Analysen wurde der Versuch als Zufallsvariable in „Proc Mixed“ aufgenommen, um die mangelnde Unabhängigkeit zwischen den Fraktionen in einem bestimmten Versuch zu berücksichtigen. Die Wechselwirkungen wurden analysiert, indem einfache Haupteffekte mit der Option „Slice“ untersucht wurden. Alle paarweisen Vergleiche wurden bei p < 0,05 als signifikant angesehen.


Ergebnisse


Hohe Luftfeuchtigkeit reduziert die Infektiosität von Influenza

Um den Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Infektiosität zu beurteilen, wurde das Influenzavirus in einen simulierten Untersuchungsraum gehustet, in dem die relative Luftfeuchtigkeit von 7 bis 73% eingestellt wurde. Der Untersuchungsraum enthielt Husten- und Atempuppen in einem Abstand von 200 cm zueinander (Abb. 1). Ungefähr 1,0 × 108 Gesamtvirus wurde in den Untersuchungsraum gehustet, der sich auf 4,5 × 103 Gesamtvirus/Liter Raumluft (bewertet durch qPCR-Matrix-Gen-Kopien) äquilibrierte.

Ein Partikelzähler direkt unter dem Mund der Hustenpuppe zeigte, dass die optischen Durchmesser der Hustenpartikel weitgehend im Bereich der lungengängigen Größe lagen (Abb. 2). Der größte Teil des Virus wurde in der 1–4 μm-Aerosolfraktion (74,6% ± Standardfehler 1,99%) und der < 1 μm-Fraktion (18,5% ± Standardfehler 2,17%) gewonnen. Der Rest wurde in der Fraktion > 4 um (7,5% ± Standardfehler 0,70%) nachgewiesen. Die Gesamtmenge der von jedem Probenehmer eingefangenen Viren war unabhängig von ihrer Position im Raum ungefähr gleich (Daten nicht gezeigt). Ungefähr 4,6% der insgesamt 4,5 × 103 Viren/Liter Raumluft, die in den Untersuchungsraum geladen wurden, waren vor dem Husten infektiös (laut VPA).

Der Prozentsatz des Virus, der die Infektiosität (Anzahl der PFUs/Anzahl der qPCR-Matrix-Kopien in einer Aerosolprobe) im Vergleich zu dem vor dem Husten beibehielt, wurde als am höchsten (70,6 bis 77,2%) bei 7 bis 23% relativer Luftfeuchtigkeit und mit einem dramatischen Abfall als am niedrigsten (14,6%) bei 43% relativer Luftfeuchtigkeit bestimmt (Fig. 3A). Die Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit auf 57% führte zu einer geringfügigen Erhöhung der Infektiosität (22,2%). Ein ähnliches Muster der Infektiosität als Reaktion auf Feuchtigkeit wurde bei den drei Aerosolfraktionen beobachtet, wenn sie nach 60 Minuten Sammlung untersucht wurden (Abb. 3B bis D). Insbesondere war in jeder der drei Fraktionen eine signifikante Abnahme der Infektiosität zu verzeichnen, wenn der Feuchtigkeitsgehalt anstieg. Diese prozentuale Abnahme der Infektiosität als Funktion der Luftfeuchtigkeit tritt jedoch über die drei Fraktionen in ähnlichem Ausmaß auf, da sich die drei Steigungen nicht signifikant voneinander unterscheiden.