COVID-19:n seulonta- ja seurantamahdollisuudet hiukkaslaskurin avulla (V2)

Zvi Bar-Yamin ja Yaneer Bar-Yamin tutkimusehdotus

Zvi Bar-Yam ja Yaneer Bar-Yam

Etsimme uusia menetelmiä COVID-19-tartuntatapausten tunnistamiseksi ja heidän tautinsa etenemisen seuraamiseksi. Tässä yhteydessä tarkastelemme hiukkasten laskentateknologiaa mahdollisena keinona. Kommentit ja palautteet ovat tervetulleita.

COVID-19:n aiheuttavien kapseloituneiden SARS-2-koronavirushiukkasten koko on 0,060−0,140 μ (60−140 nm). [1] [2] Uloshengityksessä se kiinnittyy usein hengitystie-eritteen hiukkasiin [3], joiden kokojakauman huippu on 1,0–1,4 μ. [4] Hiukkasten esiintyminen tässä kokoluokassa voidaan erottaa, koska hiukkaskokoon spektrissä on ilmassa aukko. [5] Infektiosta johtuvat muutokset keuhkokudoksessa, samoin kuin prosessi, jolla virushiukkaset päätyvät ilmaan, voivat vaikuttaa merkittävästi uloshengitettyjen hiukkasten kokoon. Olemassa oleva teknologialla voidaan mahdollisesti erottaa virushiukkasten läsnäolo, muutokset virushiukkasten tartuttamissa hiukkasissa ja yleisemmin uloshengitetyissä hiukkasissa ilmenevä muutos.

Hiukkaslaskurit, mukaan lukien optiset hiukkaslaskurit, aerodynaamiset hiukkaskokospektrometrit ja muut laitteet, ovat kaupallisessa käytössä 0,3−10 μ kokoisten hiukkasten lukumäärän laskemiseksi eri tarkkuustasoilla, toisin sanoen 2 biniä, 12 biniä tai 1024 biniä. Erikoislaitteet, kuten pyyhkäisyliikkuvuuskokoluokittelijat ja laser-aerosolispektrometrit, voivat laajentaa tämän alueen arvoon 0,090 μ, joten ne voivat laskea yksittäisiä virushiukkasia, jos niitä esiintyy erillisinä uloshengitetyssä ilmassa, ja ne voivat sisältää myös muita diagnostisia ominaisuuksia, kuten luminenssi-ilmaisimet bioaktiivisuuden määrittämiseksi. Virushiukkasten kokoluokassa muut hiukkaset ovat runsaampia, joten ne on kyettävä erottamaan muusta taustavasta.

Sekä standardinomaiset hiukkaslaskurit että erikoislaitteet on testattava. Tarvitsemme tietoa siitä, että pystyvätkö laitteet antamaan selvän allekirjoituksen ja laskennallisen virushiukkasten määrän niiden ihmisten hengitysilman määrässä, jotka ovat tai saattavat olla COVID-19 aiheuttavan koronaviruksen tartuttamia. Allekirjoitus voi antaa viitteitä infektiosta, sen vakavuudesta tai infektion asteesta, joka saattaa vaihdella infektion eri vaiheissa. Erottamiskykyisen allekirjoituksen kehittämiseen liittyvä erityishaaste on hiukkaskokojakauman yksilöllinen vaihtelu [4]. Erottuvat piirteet voidaan kuitenkin tunnistaa korkeampilaatuisten resoluutiohavaintojen avulla. Tällainen ajatus pitäisi tutkia nopeasti ja mahdollisuudet pitäisi määrittää.

Hiukkasmäärien testaus voi olla erityisen tärkeää viidellä eri tasolla:

1. Oireellisten tai mahdollisesti vielä oireettomien yksilöidenseulonta eritystä varten, jos riittävää PCR-testausta ei ole tarjolla;
2. Yksilöiden seulonta, jotta he voivat tehdä töitä;
3. Terveydenhuollollisten ja kansanterveydellisten interventioiden tehokkuuden ja tehon määrittely, mukaan lukien sekä farmaseuttiset että muut kuin farmaseuttiset interventiot;
4. Matkustajien seulonta 14 päivän karanteenia varten; ja
5. Taudin etenemisen parempi ymmärrys sekä yksilötasolla että koko väestössä.

Happinaamareita voidaan käyttää hengitysilman näytteenottoon. Pikanäytteenottoa useista yksilöistä ilman ristisaastumista olisi kuitenkin testattava vaihtoehtoisten näytteenottomenetelmien määrittelemiseksi. Erityisesti hengitysilmanäytteen saaminen ilman suoraa kosketusta saattaa olla mahdollista, jos epäilty tai todettu koronavirussairauspotilas hengittää muovipussiin ja imee ilmaa happilaitteesta. Tämä mahdollistaa useiden yksilöiden nopean testauksen, ehkä jopa useita joka minuutti, tuhansia testejä laitetta kohden. Monet valmistavat hiukkaslaskureita, joten on tärkeää vahvistaa niiden tuotantoa, jos selkeä allekirjoitus voidaan tunnistaa alkutestauksessa. Alkuperäinen testaus suoritetaan näytteenotosta, jossa oireellisilta tai oireettomilta yksilöiltä otetaan näyttöön, mukaan lukien ne ihmiset, joiden COVID-19-testitulos on ollut positiivinen.

—

Viitteet

[1] Chen N, Zhou M, Dong X, Qu J, Gong F, Han Y, ym., (15.2.2020). Epidemiological and clinical characteristics of 99 cases of 2019 novel coronavirus pneumonia in Wuhan, China: a descriptive study. Lancet. 395(10223): 507-513. doi:10.1016/S0140–6736(20)30211–7. PMID 32007143.

[2] N. Zhu ym., A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, 2019. New England Journal of Medicine. 2020; 382:727–733.

[3] Otten, JA & Burge, HA (1999). “Viruses”. Teoksessa J. Macher (toim.), Bioaerosols: Assessment and control (pp. 1-6). Cincinnati: American Conference of Governmental Industrial Hygienists.

[4] Papineni, RS & Rosenthal, FS, The size distribution of droplets in the exhaled breath of healthy human subjects. Journal of Aerosol Medicine 10.2 (1997): 105–116.

[5] W. Birmili, K. Heinke, M. Pitz, J. Matschullat, A. Wiedensohler, J. Cyrys, H.-E. Wichmann & A. Peters, Particle number size distributions in urban air before and after volatilisation, Atmospheric Chemistry and Physics, 10: 4643-4660, 2010 doi:10.5194/acp-10–4643–2010

Suomennos Zvi Bar-Yamin ja Yaneer Bar-Yamin (Twitter) tutkimusehdotuksesta “The potential for screening and tracking of COVID-19 using particle counters version 2”. Ehdotus ilmestyi New England Complex Systems Instituten verkkosivuilla 29.3.2020.

Zvi Bar-Yam on Massachusetts Dartmouthin yliopistosta eläköitynyt hadronifysiikan professori ja tutkija. Hän väitteli fysiikan tohtoriksi MIT:stä vuonna 1963.

Yaneer Bar-Yam on fyysikko, järjestelmätieteilijä ja New England Complex Systems Instituten perustaja. Hän on erikoistunut monimutkaisten järjestelmien tutkimukseen ja tehnyt tutkimusta lukuisilla eri tieteenaloilla aina materiaalitieteistä neuraaliverkkoihin. Yaneerin tunnetuimpia tieteellisiä teoksia on Dynamics of Complex Systems.

Kirjoituksen on suomentanut Thomas Brand (Twitter).