新型コロナの主要感染様式は空気感染である

2021.08.27, 21:31更新

はじめに

前のプログ記事で、新型コロナウイルス感染症COVID-19は新しい概念の空気感染によって広がることを述べました（→感染力を増した変異ウイルスと空気感染のリスク、あらためて空気感染を考える）。この空気感染がSARS-CoV-2の主要伝播様式であることは、世界の常識になりつつあります。

今日（8月27日）、サイエンス誌に、新型コロナや呼吸系ウイルスが空気感染で伝播するという事実をだめ押しする論文 [1] が出ましたので、ここで紹介したいと思います。タイトルはずばり"Airborne transmission of respiratory viruses"です。

この論文は台湾、イスラエル、米国の共同研究チームによる成果をまとめたもので、比較的長文です。そこで、要旨と図表と考察のみを和訳して載せたいと思います。考察には空気感染に対する感染防止策が述べられています。要旨と考察を読むだけで、空気感染について十分に理解できると思います。

以下、筆者による論文（一部）の和訳です。

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"Airborne transmission of respiratory viruses" by Wang, C. C. et al. [1]

1. 主旨

COVID-19パンデミックは、呼吸器系病原体が宿主間でどのように伝播するかについての論争を起こし、未知数の部分を浮き彫りにした。従来、呼吸器系病原体は、咳で生じる大きな飛沫や、汚染された表面との接触（フォマイト）によって人の間に広がると考えられていた。しかし、いくつかの呼吸器系病原体は、空気の流れに乗って浮遊・移動する小さな呼吸器系エアロゾルを介して拡散することが知られており、感染者からの距離が短い場合、長い場合ともに、それを吸い込んだ人が感染することがある。

われわれは、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2（SARS-CoV-2）感染症やその他の呼吸器系病原体の拡散の研究で得られた空気感染の理解について最近の進捗状況をここでレビューする。SARS-CoV-2を含むいくつかの呼吸器系病原体では、空気感染が主要な感染形態である可能性があり、空気感染による感染のメカニズムをさらに理解することで、感染の緩和策がより明確になることを示す。

2. 背景

呼吸器系病原体の主な感染経路は、感染者の咳やくしゃみから発生する飛沫への曝露や、飛沫に汚染された表面（フォマイト）への接触であると広く認識されている。空気感染とは、主に感染者から 1～2 m 以上離れた場所で、5 μm 以下の感染性エアロゾルや「飛沫核」を吸い込むことと定義されており、このような感染は「珍しい」疾患にのみ関係すると考えられてきた。しかし、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス（SARS-CoV）、中東呼吸器症候群コロナウイルス（MERS-CoV）、インフルエンザウイルス、ヒトライノウイルス、呼吸器合胞体ウイルス（RSV）など、多くの呼吸器系ウイルスの空気感染を裏付ける確かな証拠がある。

COVID-19のパンデミックでは、飛沫感染、付着物感染、空気感染に関する従来の考え方では不十分であることが明らかになった。SARS-CoV-2の飛沫感染や付着物による感染だけでは，COVID-19パンデミックで観察された多数の超拡散現象や，屋内と屋外での感染の違いを説明できないことがわかった。COVID-19がどのように伝播するのか、またパンデミックを抑制するためにどのような介入が必要なのかをめぐる論争により、呼吸器系ウイルスの空気感染経路をより深く理解する必要性が明らかになった。

3. 新たにわかったこと

呼吸器の液滴やエアロゾルは、様々な呼気活動によって発生する。空気力学的粒子径測定法や走査型移動度粒子径測定法などのエアロゾル測定技術の進歩により、呼気エアロゾルの大部分は 5 μm 以下であり、呼吸、会話、咳などのほとんどの呼吸活動では大部分が 1 μm 以下であることが示されている。呼気エアロゾルには複数の大きさのモードがあり、これは呼吸器における生成部位や生成メカニズムの違いに関連している。

エアロゾルと液滴の区別には、これまで 5 μm が用いられてきた。しかし、エアロゾルと液滴の大きさの区別は、1.5 m の高さで5秒以上静止した空気中に浮遊し、通常は放出者から ～2 m の距離に到達し（エアロゾルを運ぶ気流の速さに依存する）、吸入できる最大の粒子径を示す 100 μm であるとすべきだ。感染者が作るエアロゾルには、感染性のあるウイルスが含まれている可能性があり、小さなエアロゾル（< 5 μm）にはウイルスが濃縮されているという研究結果がある。

ウイルスを含んだエアロゾルの移動は、エアロゾル自体の物理化学的特性や、温度、相対湿度、紫外線、気流、換気などの環境因子に影響される。人が吸い込んだウイルスを含むエアロゾルは、気道のさまざまな部位に沈着する。大きなエアロゾルは上気道に沈着することが多いが、小さなエアロゾルは上気道に沈着することもあり、肺胞の奥深くまで侵入することもある。

空気感染を示す強力かつ明白な証拠としては、換気が感染に与える強い影響、屋内と屋外での感染の違い、十分に立証されている長距離感染、マスクや目の保護具の使用時に観察されたSARS-CoV-2の感染、SARS-CoV-2の屋内での高頻度のスーパースプレッダー現象、動物実験、気流シミュレーションなどが挙げられる。

SARS-CoV-2の飛沫感染ははるかに効率が悪く、飛沫が支配的になるのは、個人同士が0.2 m 以内で会話をしているときだけであることがわかっている。エアロゾルと飛沫の両方が感染者の呼気活動中に生成されることがあるが、飛沫は数秒以内に地面や表面に速やかに落下するため、飛沫よりもエアロゾルの方が多くなる。

空気感染の経路は、これまで飛沫感染とされてきた他の呼吸器系ウイルスの感染拡大に寄与していると考えられる。世界保健機関（WHO）と米国疾病予防管理センター（CDC）は、2021年にCOVID-19を短距離と長距離の両方で拡散させる上で、ウイルスを含んだエアロゾルの吸入が主な感染様式であることを公式に認めた。

4. 今後の展望

病原体の空気感染は、これまで十分に評価されてこなかった。その理由のほとんどは、エアロゾルの空気中での挙動についての理解が不十分であったことと、少なくとも部分的には、逸話的観察結果が誤って伝えられていたことによる。飛沫感染や糞尿感染の証拠がないことや、エアロゾルが多くの呼吸器系ウイルスの感染に関与しているという証拠がますます強くなっていることを考えると、空気感染はこれまで思われていたよりもはるかに広く起こっていることを認識しなければならない。

SARS-CoV-2感染について分かったことを考えると、すべての呼吸器系感染症について、エアロゾルによる感染経路を再評価する必要がある。換気、気流、空気ろ過、紫外線消毒、マスクの装着などに特に注意して、短距離と長距離の両方でエアロゾル感染を軽減するための予防措置を講じなければならない。これらの対策は、現在のパンデミックを終わらせ、将来のパンデミックを防ぐための重要な手段である。

5. 図表について

表1 呼吸器系ウイルスの空気感染
様々な呼吸器系ウイルスの空気感染の代表的な証拠とその基本再生産数（R0）. ダッシュのついたセルは該当しないことを示す.

筆者注: Table 1に示されている括弧付き番号は引用文献番号であり、それぞれのカラム項目に関連する代表的研究事例を示しています。米国CDCの内部資料によれば、SARS-CoV-2デルタ変異体の感染力は水ぼうそうウイルス（varicella zoster virus、VZV）並みであり、感染者1人が平均5–9.5人にうつす可能性があるとされていることが報道されています [2]。

図1.呼吸器系ウイルスの空気感染.
ウイルスを含んだエアロゾルの空気感染には、(i) 発生・呼気、(ii) 輸送、(iii) 吸入・沈着・感染、の各段階がある。各段階は、空気力学的、解剖学的、および環境的な要因の組み合わせによって影響を受ける。(ウイルスを含むエアロゾルの大きさは縮尺なし).

図2 ウイルス入りエアロゾルの物理化学的特性.
ウイルスを含んだエアロゾルの挙動や運命は、物理的な大きさ、ウイルス量、感染力、エアロゾル中の他の化学成分、静電気、pH、気液界面の性質など、エアロゾルの特徴的な性質によって本質的に支配される.

図3 エアロゾルは空気中でどのくらい滞留するか？
静止した空気中のさまざまなサイズのエアロゾルの滞留時間は、球状粒子に対するストークスの法則から推定できる。例えば、100 μm、5 μm、1 μm のエアロゾルが 1.5 m の高さから地面（または表面）に落下するのに必要な時間は、それぞれ5秒、33分、12.2時間となる.

図4 室内空気感染に影響を及ぼす要因.
大きな液滴の動きは主に重力に支配されているが、エアロゾルの動きは気流の方向やパターン、換気の種類、空気のろ過や消毒などに強く影響される.

図5 エアロゾルのサイズに依存した気道内への沈着メカニズム.
(A) ヒトの呼吸器の各部位における主な沈着メカニズムとそれに対応する気流の流れ. 大粒のエアロゾルは慣性力によって鼻咽頭に沈着し、小粒のエアロゾルは重力沈着とブラウン拡散によって気管支と肺胞に沈着する傾向がある. 気管支と肺胞の拡大図で沈着のメカニズムを示す. (B) ICRPの肺沈着モデルに基づいたエアロゾルの直径の関数としての気道の異なる領域でのエアロゾルの沈着効率を示す. 大きなエアロゾルの大部分は鼻咽頭領域に沈着し、十分に小さいエアロゾルだけが肺胞領域に到達して沈着する.

6. 考察

空気感染は、呼吸器系ウイルス疾患の感染に寄与する経路として、長い間、十分に評価されてこなかった。その主な理由は、ウイルスを含んだエアロゾルの生成と移動プロセスの理解が不十分であることと、逸話的な観察結果が誤って伝えられていることにある。SARS-CoV-2の空気感染の優位性を示す疫学的証拠は、時間の経過とともに増加し、ますます強くなっている。

まず、屋内と屋外の感染の違いは、飛沫感染では説明できない。なぜなら、重力で動く飛沫は屋内でも屋外でも同じ動きをするからだ。屋外での感染に比べて屋内での感染が多いことから、空気感染の重要性が指摘されている。屋内での感染と超拡散クラスタにおける換気の悪さの役割が実証されているが、これはエアロゾルの場合にのみ当てはまるものであって、飛沫やフォムライトによる感染は換気の影響を受けないからである。SARS-CoV-2の長距離空気感染は、感染が非常に少ない国のホテルの検疫所や大規模な教会で観察されている。

新種の呼吸器系ウイルスが出現した場合、リスクを軽減し、感染拡大を防ぐためには、すべての感染様式（空気感染、飛沫感染、排泄物感染）を考慮した、より包括的なアプローチが必要である。空気感染を認識して対策を立てようとする前に、サンプリングしたエアロゾルの感染性を示す直接的な証拠が必要であるとしてしまうと、人々を潜在的なリスクにさらしてしまう。SARS-CoV-2、インフルエンザウイルス、およびその他の呼吸器系ウイルスの感染経路に関する従来の定義にとらわれなければ、これまでの証拠は、ごく近距離にいる人の粘膜に吹き付けられたまれにしかない大きな飛沫による感染よりも、100 μm 以下のエアロゾルによる感染の方が、はるかに一貫性があると言える。最近、WHOや米国CDCがSARS-CoV-2の空気感染を認めたことで、この感染経路に対する防御策を近距離と遠距離の両方で実施する必要性が高まっている。

空気感染のメカニズムを十分に理解した上で、エアロゾルによる感染は至近距離で最大であるということを認識すると、飛沫とエアロゾルの両方に対する予防策や緩和策（距離を置く、マスクをするなど）は重複することになるが、近距離と遠距離の両方でエアロゾルによる感染を緩和するためには、特別な配慮が必要になる。具体的には、換気、気流、マスクの装着と種類、空気ろ過、紫外線消毒などに注意し、屋内と屋外の環境を区別して対策を講じる必要がある。われわれの知見は依然として増え続けているが、呼吸器系ウイルスの空気感染をより確実に防ぐための防護策を追加するには十分な知識があり、「飛沫予防策」は置き換えられるものではなく、むしろ拡大されるものであることを指摘しておきたい。

SARS-CoV-2に感染しても、検査時に無症状の人の割合は高い。SARS-CoV-2に感染した人の約20～45％は、感染後も無症状のままであるが、一部の感染者は発症前の段階を経て、感染後数日後に症状が出始める。SARS-CoV-2の感染力は、症状が出る2日前にピークを迎え、1日後まで続く。また、インフルエンザウイルスやその他の呼吸器ウイルス感染症でも、高い無症候性感染率が報告されている。

空気感染は、特に唾液中のウイルス量が少ないと思われる無症状の人や軽度の症状の人にとっては、効率的な感染経路ではないとする研究もあるが、発症前の人のウイルス量は、症状のある患者と同程度である。症状のない感染者が話したり、歌ったり、単に呼吸したりしたときに発生する感染性ウイルスを含んだエアロゾルにさらされないような管理を行うことが重要である。これらの人々は、自分が感染しているという自覚がないため、一般的に社会活動を続けることで、空気感染を引き起こしている。

ユニバーサルマスク着用は、ウイルスを含んだエアロゾルをブロックするための効果的かつ経済的な方法である。モデルシミュレーションによると、マスクは無症候性感染を効果的に防ぎ、COVID-19による感染者数や死亡者数を減らすことができる。マスクはその配分を最適化することが重要である。サージカルマスクは、感染者が大気中に放出するエアロゾル＜ 5 μm 中のインフルエンザウイルス、季節性ヒトコロナウイルス、ライノウイルスを最大で100％減少させることが示されているが、減少しない人もいる。とはいえ、マスクは飛沫を制限するのに効果的である。異なる生地を組み合わせたマスクや多層構造のマスクは、漏れなく適切に着用すれば、0.5～10 μm の粒子を90％までブロックすることができる。

マスクの素材と皮膚の間にわずかな隙間があると、全体のろ過効率が大幅に低下してしまう。2.5 μm 未満のエアロゾルでは、相対的な漏れ面積が1%の場合、ろ過効率が50%低下する。ある研究では、モデルウイルスを用いてN95マスク、サージカルマスク、布製マスクのウイルスろ過効率を比較したところ、N95マスクと一部のサージカルマスクの効率は99％を超え、テストしたすべての布製マスクの効率は少なくとも50％であった。SARS-CoV-2を含むエアロゾルを遮断するためのN95マスク、サージカルマスク、コットンマスクの有効性が、対面式のマネキンを使って調査されました調べられた。その結果、感染したSARS-CoV-2を遮断する効果が最も高かったのはN95マスクであった。

ほとんどすべてのマスクは、少なくともある程度の保護効果があるが、100％の効果はない。医療施設では、医療用マスク（エアロゾルではなく飛沫用に設計されている）や目の保護具を使用しているにもかかわらず、SARS-CoV-2の感染が発生している。このことは、特にリスクの高い屋内環境では、適切な個人用保護具（PPE）を使用し、空気感染に対して複数の介入を重ねる必要があることを示している。

医療施設は、呼吸器系ウイルスに感染した患者を収容する可能性が高い。そのため、医療従事者には、空気中への曝露を低減するための適切なPPEを提供する必要がある。屋内で生活している人は、高濃度のウイルスを含んだエアロゾルにさらされる可能性が高く、特に換気の悪い場所や混雑した屋内では、ウイルスを含んだエアロゾルが容易に蓄積される。飛行機、電車、バス、船、クルーズ船など、比較的狭い密閉された空間で、最適な換気が行われているとは限らない状態での移動は、常に予防策を講じる必要がある。

多くの研究では、屋外環境での空気感染のリスクは屋内環境よりも大幅に低いことが示されている。しかし、屋外での感染のリスクは、近接した状況、特に長時間にわたって話したり、歌ったり、叫んだりした場合には存在する。屋外での感染リスクは、SARS-CoV-2のある種の変異体など、ウイルスの寿命や伝達性が高まると上昇する可能性がある。ウイルスを含む廃水や病院の糞便のエアロゾル化も、潜在的な屋外暴露リスクとなるが、これを過小評価してはいけない。

効果的な換気システムを導入することで、感染性ウイルスを含んだエアロゾルの空気感染を減らすことができる。十分な換気量を確保し、再循環を避けるなどの戦略が推奨される。二酸化炭素センサーは、呼気の蓄積の指標として使用することができ、換気をモニターして最適化するための簡単な方法とる。エアロゾルセンサーは、HEPAおよびHVACのエアロゾルろ過効率の評価にも使用できる。最低限の換気量を4～6回/時とし、二酸化炭素濃度を700～800 ppm 以下に維持することが推奨されているが、換気の種類や気流の方向、パターンも考慮する必要がある。HVACシステムの空気ろ過の効率を上げたり、独立型のHEPA清浄機を導入したり、上階の部屋に紫外線消毒システムを導入することで、ウイルスを含んだエアロゾルの濃度をさらに下げることができる。

また、飛沫感染の緩和策として導入されている物理的な距離をとることも、エアロゾルを吸い込む機会を減らすのに有効である。WHOや多くの国の公衆衛生機関は、物理的な距離を 1 m または 2 m に保つことを推奨しているが、この距離では、その範囲を超えて移動するエアロゾルを防ぐのに十分ではない。もし大きな飛沫が感染の主役であれば、距離をとるだけでSARS-CoV-2の感染を効果的に抑えることができたはずである。

超広域感染で繰り返し示されているように、空気感染は換気の悪い部屋で、居住者が感染した部屋の空気を吸い込むことで起こる。さらに、距離を置くことは、呼吸プルームの最も集中した部分から人々を遠ざけるのに有用だが、距離を置くだけでは感染を止めることはできず、換気やろ過、感染性エアロゾルを放出している人の数、密閉された空間で過ごす時間など、他の対策を考慮しなければ十分ではない。特定の環境下に存在する無症候性（発症前を含む）の感染者の数が不明であることは、呼吸器疾患対策における新たな課題である。空気感染のリスクを低減するためには、換気、ろ過、上室の紫外線消毒などによりエアロゾル濃度を低減する工学的対策が重要である。

呼吸器系ウイルスの空気感染についての認識は高まっているものの、さらなる調査が必要な問題が数多く存在する。例えば、エアロゾルや飛沫に含まれるウイルスの濃度を大きさの関数として直接測定し、新たな感染を引き起こす可能性を調べる必要がある。さまざまなサイズのエアロゾル中のウイルスの残存性については、体系的な調査が必要である。エアロゾルや飛沫によってもたらされるウイルス量と感染症の重症度との関係を定量化するためには、さらなる研究が必要である。また、病気の重症度がエアロゾルの大きさや数、気道に付着した場所と相関しているかどうかを調べることも重要である。

このように多くの研究が必要であるが、空気感染がSARS-CoV-2をはじめとする多くの呼吸器系ウイルスの感染拡大の主要な経路であることは明白な証拠がある。換気、気流、空気ろ過、紫外線消毒、マスクの装着などを中心に、短距離と長距離の両方でエアロゾル感染を軽減するための予防措置を講じなければならない。これらの介入は、現在のパンデミックを終息させ、将来のパンデミックを防ぐための重要な戦略である。室内空気の質を改善するために提案されたこれらの対策は、今回のCOVID-19のパンデミックを超えて、長期にわたる健康上のメリットをもたらす改善法であることに留意すべきである。

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筆者あとがき

今回のサイエンス論文は、SARS-CoV-2の空気感染に関する先行論文（例：[3, 4]）を強化し、空気感染に対する対策について内容を深めたものになっています。従来の 5 μm 以下の飛沫核による空気感染という古典的概念を一新して、100 μmまでのエアロゾルによる感染を空気感染としてとらえています。そのように解釈しないと、SARS-CoV-2の主要感染形態を説明できないとしているわけです。その上で、感染緩和策としての換気対策、マスク着用、物理的距離の確保などに提言を行なっています。

翻っていまだに古典的医学ドグマに拘泥して「空気感染」を認めていないのが、わが国の厚生労働省、感染症コミュニティ、および周辺の医クラの皆さんです（→あらためて空気感染を考える）。PCR検査の精度にことさら言及しながら検査抑制論を展開した人たちが、SARS-CoV-2の主要感染様式についてもアップデートな情報に基づいて解釈することなく、いまだに国民に対して誤ったメッセージを送り続けています。一方で、これらの人たちが、ワクチン接種になると途端に積極的に推進しているというのも不思議です。

記事更新（2021.08.27, 21:31）

このブログを公開した後すぐに、朝日新聞が当該サイエンス論文 [1] を取り上げて記事にしていました [5]。

引用文献

[1] Wang, D. C. et al: Airborne transmission of respiratory viruses. Science  373, eabd9149 (2021). https://science.sciencemag.org/content/373/6558/eabd9149

[2] NHK NEWS WEB: “デルタ株「水ぼうそう」と同程度の感染力か” 米CDC内部資料. 2021.08.01. https://www3.nhk.or.jp/news/html/20210801/k10013174941000.html

[3] Kimberly, A. et al.: Airborne transmission of SARS-CoV-2. Science 370, 303-304 (2020). https://science.sciencemag.org/content/370/6514/303.2

[4] Greenhalgh, T. et al.: Ten scientific reasons in support of airborne transmission of SARS-CoV-2. Lacet 397, 1603–1605 (2021). https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)00869-2

[5] 野口憲太: コロナは空気感染が主たる経路」研究者らが対策提言. 朝日新聞デジタル 2021.08.27. https://news.yahoo.co.jp/articles/694fc9ee7cb1a79c830e23126ba994f8ca93f64a

引用したブログ記事

2021年7月5日 あらためて空気感染を考える

2021年4月13日 感染力を増した変異ウイルスと空気感染のリスク

カテゴリー：感染症とCOVID-19