『呼吸器系ウイルスの空気感染』Science誌より 4/5
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（Review Summaryの図）呼吸器系ウイルスの空気感染に関わる段階。
ウイルスを含んだエアロゾル（100μm未満）は、まず感染者の呼吸活動によって発生し、それが吐き出されて環境中に運ばれます。これらのエアロゾルは、感染力が維持されていれば、潜在的な宿主が吸い込んで新たな感染症を引き起こす可能性があります。飛沫（100μm以上）とは対照的に、エアロゾルは空気中に何時間も留まり、吐き出した感染者から1～2m以上離れた場所まで移動し、近距離でも遠距離でも新たな感染を引き起こす。
なお文章中の括弧の数字は引用論文等を示している。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd9149
エアロゾル感染に影響を与える環境要因
エアロゾル中のウイルスの生存率（持続性、安定性、感染性の保持とも呼ばれる）は、回転ドラムを用いて実験的に測定するのが一般的で、静止したチャンバーに比べてエアロゾルを長く浮遊させることができる。ウイルスの崩壊は、以下のような一次速度論で表される。
C = Co × e-kt
ここで，Cは時間tにおける感染性ウイルスの濃度，Coは感染性ウイルスの初期濃度，kは不活化速度定数である（122）。不活化速度定数は、ウイルスによって異なり、温度、湿度、紫外線、ウイルスがエアロゾル化した液体の化学組成など、多くの要因に依存する（45, 46, 123）。このような依存性、特に呼吸器系の液体組成に依存するため、異なる研究結果を比較することは困難である。99.99％の不活化に必要な時間は、数時間から数ヶ月と様々である（124）。減衰速度は半減期で定量化でき、実験室で生成されたエアロゾル中のSARS-CoVとSARS-CoV-2では約1～3時間である（125-127）。
温度
エアロゾル中のウイルスの生存と感染には、温度が非常に重要である（125、128、129）。これは、ウイルスを構成するタンパク質、脂質、遺伝物質の安定性に影響を与えるためと考えられる。上気道は肺よりも数度低い温度に保たれており(130)、上気道での複製能力が高まっていることが示唆されている(131)。SARS-CoV(132)、SARS-CoV-2(133)、インフルエンザウイルス(134)は、低温でより安定しているが、これはおそらく、（アレニウス方程式に支配されるように）崩壊速度が遅くなり、エンベロープ型ウイルスのリン脂質の秩序が強くなるためである。疫学的証拠や動物実験によると、上気道に感染することが知られている呼吸器系ウイルスの感染は、低温の方が有利であることが示唆されている（128, 135）。
相対湿度
相対湿度（RH; relative humidity）は、エアロゾルの蒸発速度と平衡サイズを調整することで、エアロゾルの輸送とエアロゾルに含まれるウイルスの生存率に影響を与える（113、114、129）。呼吸器エアロゾルは、飽和環境から低いRHに移行する際に、呼吸器から周囲の空気に放出される際に蒸発する。蒸発プロセスは数秒で終わると予想される(114, 136)。低い周囲RHでは、蒸発はより迅速に起こり、より小さな平衡サイズで平衡化する(136)。80%以下のRHでは、呼吸器系エアロゾルは元のサイズの20〜40%の最終直径に達する(129)。
インフルエンザウイルス、風邪の原因となるヒトコロナウイルス、RSVなどの症例の季節性は、少なくとも部分的にはRHに起因している(134)。RHに対するウイルスの感受性は、環境中のウイルスの持続性および/または免疫防御に対するRH関連の影響によって影響を受けるかもしれない。粘膜繊毛のクリアランスは、低いRHではそれほど効率的ではない(134)。動物実験では、インフルエンザウイルスの感染は低RHで有利であることが示されている(135, 137)。しかし、2009年のパンデミックインフルエンザAウイルス(H1N1)をより生理学的に現実的な媒体で研究した結果、ウイルスは20〜100%の広いRH範囲で非常に安定して感染力を維持したと報告されている(138)。また、空気中に浮遊する11種類のウイルスのRHに対する感受性を調べた研究では、一部のRNAウイルスは低RHで最もよく生存するが、その他のウイルスは高RHでよりよく生存することがわかった(139)。液滴やエアロゾル中のRHとウイルスの生存率の関係は、ウイルスに特徴的であり、ウイルスの固有の物理化学的特性と周囲の環境の両方によって調節される(113, 129, 139)（図2）。
紫外線照射
紫外線照射は，インフルエンザウイルス(127, 140)，SARS-CoV，その他のヒトコロナウイルス(141)など，空気中に浮遊するウイルスを不活性化するための効果的な手法として古くから確立されている。培養液中のSARS-CoV-2（142）やエアロゾル中のSARS-CoV-2（47）は，地上の太陽光に含まれる波長の紫外線によって急速に不活性化される．紫外線は遺伝物質にダメージを与え、ウイルスを不活性化させる(143)。とはいえ、紫外線消毒ランプの操作時には、目や皮膚に直接触れないように注意しなければならない。
室内環境の空気の流れは、換気システムの種類（窓やドアを開けた自然換気か、送風機を使った機械換気か、あるいはそれらのハイブリッドか）、空気の流れのパターン、空気交換率、空気ろ過などの補助システムなど、換気システムの設計と運用状況によって左右される（145、148）(Figure.4) 。WHOは最近、一人当たり毎秒10リットルの換気量を推奨している（149）。また、0.3μm以上のエアロゾル粒子を99.97％以上除去できる携帯型の高効率微粒子空気（HEPA; High Efficiency Particulate Air Filter）清浄機を適切に配置することも、特に換気やユニバーサルマスキングと組み合わせることで、感染性エアロゾルの曝露を減らすのに有効である（150-152）。換気やろ過は、ウイルスを含んだエアロゾルを除去するのに役立つが、エアロゾルの拡散や吸入のリスクを減らすためには、正しく実施する必要がある（93、151）。ある研究では、エレベーター、教室、スーパーマーケットにおいて、無症候性の人によるCOVID-19の空気感染のリスクを、現場での測定と数値流体力学（CFD; computational fluid dynamics）シミュレーションを組み合わせて定量的に評価し、不適切な換気によって、他の部屋の場所よりもリスクがはるかに高いホットスポットが生じる可能性があることを示した（93）。さらに、室内での咳やくしゃみによる飛沫の飛散を防ぐために設計された物理的なプレキシガラスの障壁は、空気の流れを妨げ、さらには高濃度のエアロゾルを呼吸ゾーンに閉じ込める可能性があり、SARS-CoV-2の感染を増加させることが示されている（153）。
翻訳、一部追記。
空気感染のリスクと換気量との相関関係は、ウイルス輸送の箱型モデルとWells-Riley感染モデル(17, 64)によって評価することができる。
ここで、Pは感染確率、Nは感染確定例数、Sは感受性例数、Iは感染者数、qは量子（感染量）発生率（量子／時間）、pは感受性者の肺換気量（立方メートル／秒）、tは曝露時間（時間）、Qは室内換気量（立方メートル／秒）である。Wells-Riley法を用いたモデルを、ある合唱団の練習でCOVID-19の大規模な地域集団発生に適用したところ、症状があることがわかっている指標症例が1例あり、出席していた61人のメンバーのうち53例が感染した（二次発病率87％）。その結果、換気の悪さに加えて、混雑した会場、大きな声での発声、長時間の活動などが二次攻撃率の高さにつながったと結論づけられた（64）。合唱団の練習では、顔を合わせる機会が少なく、手指の消毒に細心の注意が払われていたため、糞便や飛沫感染による大きな影響は否定された（64）。今後は、さまざまな条件下で許容される最低限の換気量や、換気の種類が感染のリスクに及ぼす影響についての研究が必要である。
ウイルスを含んだエアロゾルの沈着
ウイルスを含んだエアロゾルを吸い込むと、宿主となる可能性のある人の気道に沈着する可能性がある。気道の解剖学的構造、呼吸パターン、気道内のエアロゾル輸送の空気力学、および吸入エアロゾルの物理化学的特性を含む多くの解剖学的、生理学的、空気力学的要因が沈着パターンに影響を与えるが、エアロゾルの大きさが沈着場所を決定する上で再び中心となる。ウイルスが感染力を維持し、適切な受容体が存在する場合には、沈着部位で感染が開始される可能性がある。
100μmまでのエアロゾルを吸入することができる。エアロゾルは、その大きさに応じて、慣性沈降、重力沈降、ブラウン拡散、静電沈降、遮断など、いくつかの重要なメカニズムのいずれかに基づいて、気道の異なる領域に沈着する(154, 155)（Figure.5A）。吸入時には、ほぼ飽和状態の気道で吸湿成長するため、吸入されたエアロゾルのサイズが大きくなることがある(156)。国際放射線防護委員会（ICRP）は、人間の肺構造に基づいて、エアロゾルの大きさの関数として沈着効率を定量化するモデルを開発した（157）（Figure.5B）。5μm以上のエアロゾルは、主に慣性による圧迫と重力による沈降により、主に鼻咽頭部に沈着する（87〜95％）（115）；5μm未満のエアロゾルもそこに沈着するが、肺のより深い部分に侵入して肺胞内腔に沈着することもある（115、157、158）。ブラウン拡散は、気管支および肺胞領域における0.1μm未満の吸入粒子の主な沈着メカニズムである（78, 116, 159）。自然な静電気を帯びたエアロゾルは、気道壁に引き寄せられる可能性がある（160）。沈着部位に細胞受容体が存在すれば、感染が開始される可能性がある。感染効率は、気道に沿った細胞受容体の分布とウイルス-宿主間の相互作用によってさらに支配される。
翻訳、一部追記。
疾患のある肺では、気道の表面構造の変化や粘液による閉塞のため、エアロゾルの沈着が正常な肺とは異なる可能性がある(161)。喘息の気道における呼吸器上皮の表面特性の変化や、慢性閉塞性肺疾患（COPD; chronic obstructive pulmonary disease）による気道狭窄は、吸入エアロゾルの気流や空気力学的挙動を変化させ、その結果、エアロゾルの沈着動態や沈着部位を変化させる（162、163）。一般にCOPD患者は健常者に比べて沈着量が多く、喘息や慢性気管支炎の患者では気管支への沈着量が多い(154)。
ウイルスは小さなエアロゾル（5μm以下）に多く含まれるため、下気道の奥深くまで移動し、沈着する可能性があります。SARS-CoV-2は、上気道に比べて下気道でのウイルス量が多く、ウイルスの残存期間も長いことが報告されている（164、165）。現在のスクリーニングでは、綿棒を使って鼻咽頭や口腔から検体を採取するのが一般的であるため、下気道で感染が始まると、患者の診断に技術的な課題が生じる。
