Вице-президент Фонда «Сколково» по науке и образованию Николай Суетин формулирует наиболее важные, с его точки зрения, научные и технологические вопросы, ответ на которые может иметь принципиальное значение для дальнейшей борьбы не только с эпидемией COVID-19, но и, возможно, с другими высококонтагиозными инфекционными заболеваниями, распространяющимися воздушно-капельным и контактным путем.
Еще несколько месяцев назад мало кто слышал про коронавирус SARS-CoV-2, а сегодня инфекционное респираторное заболевание COVID-19 превратилось в глобальную пандемию, на борьбу с которой брошены практически все имеющиеся научные и технические ресурсы человечества. Достаточно быстро вирус-возбудитель был идентифицирован, определена структура его РНК, появились методы для тестирования и диагностики, ведется активная разработка и испытания вакцин и лекарств. Однако создание и испытание вакцины и новых медицинских препаратов требует достаточно большого времени и ресурсов. Поэтому, основные усилия практического здравоохранения направлены на лечение уже заболевших и сдерживание распространения заболевания.
Вице-президент Фонда «Сколково» по науке и образованию Николай Суетин.
Фото: Sk.ruНаиболее действенным способом для снижения скорости распространения COVID-19 оказалась изоляция населения и сокращение возможных контактов, приводящих к передаче возбудителя болезни. Как ни удивительно, но, несмотря на весь научный и технический прогресс, во всем мире, как сотни лет назад, это стало основным средством борьбы с распространением вируса. Такой подход доказал свою практическую эффективность, но уже привел к очень серьезным экономическим и социальным последствиям.
Альтернативным и наиболее действенным подходом в борьбе с основными известными эпидемиями является всеобщая вакцинация. К счастью, для многих наиболее распространенных вирусов уже созданы вакцины. Однако, в случае возникновения ранее не известных возбудителей (а, по оценке ряда специалистов, они будут возникать все чаще) такой подход (как мы видим на примере SARS-CoV-2) не применим, по крайней мере, до появления массово доступной вакцины. Но для ее разработки, испытаний и масштабного производства могут потребоваться многие месяцы, если не годы. Кроме того, не ясно насколько быстро вирус мутирует, и будет ли эффективна такая вакцина к новым штаммам. Еще большие опасения вызывают сообщения о повторных заражениях и об отсутствии иммунитета у ранее переболевших людей.
Возникает вопрос: какие еще возможны методы и меры для снижения, а еще лучше полного предотвращения развития такого рода эпидемий? Нам необходимо найти и разработать их, поскольку есть мнения, что у нынешней эпидемии осенью будет вторая волна, а также, что эпидемии COVID-19 могут быть регулярными из-за постоянной мутации вируса. Важно отметить, что, по сравнению с другими известными инфекционными заболеваниями, вызванными коронавирусами, у некоторых людей COVID-19 может протекать бессимптомно и имеет достаточно длинный инкубационный период, что значительно увеличивает сложность обнаружения, мониторинга и предотвращения его распространения. Предлагаемые методы и меры должны быть не только эффективны с эпидемиологической точки зрения, но также экономически более выгодны, чем изоляция и карантин, быть приемлемыми социально и иметь минимальные экологические последствия.
Это очень комплексная (а для COVID-19 во многом не решенная) задача, требующая привлечения кроме врачей, вирусологов, генетиков широкого круга специалистов, в том числе, инженеров, физиков, химиков, специалистов по аэрозолям, материаловедов… Именно поэтому несколько профессоров 8 апреля с.г. со страниц одного из ведущих журналов Американского химического общества обратились к широкому кругу ученых и инженеров со статьей «COVID-19: вызов физикам и инженерам» (COVID-19: A Call for Physical Scientists and Engineers).
Попробуем, используя основные тезисы и идеи этой работы, сформулировать наиболее важные научные, и технологические вопросы, ответ на которые может иметь принципиальное значение для дальнейшей борьбы не только с эпидемией COVID-19, но и, возможно, с другими высококонтагиозными инфекционными заболеваниями, распространяющимися воздушно-капельным и контактным путем. При этом мы оставим в стороне вопросы, связанные с созданием вакцин, тестов и лекарственных средств, разработка которых уже ведется широким фронтом и которые, надеемся, дадут результаты в ближайшее время.
Некоторые общие сведения из инфекционной эпидемиологии COVID-19
Основным источником и переносчиком острых инфекционных заболеваний, таких, как грипп, SARS, MERS и COVID-19 является зараженный человек и, возможно, животные (хотя, пока, прямых доказательств нет). В окружающее пространство вирусы попадают через капли жидкости (диаметром от <1 до 200 мкм), выделяемые инфицированным человеком во время чихания, кашля и, как показали последние исследования, при разговоре. Причем количество и размер капель сильно варьируется и зависит как от тона, так и амплитуды звука.
Передача вируса SARS-CoV-19 через дыхание пока не обнаружена, что, однако, не исключает и такого пути передачи возможных новых инфекций.
В окружающем воздухе, влажность которого, как правило, ниже 100%, вода из микрокапель начинает достаточно быстро испаряться, при этом они существенно уменьшаются в диаметре. Это важно учитывать, поскольку эффективность фильтрации частиц с размерами меньше микрона резко снижается для большинства общедоступных масок и респираторов. Более того, даже задержанные современной маской или фильтром респиратора вирионы достаточно длительное время жизнеспособны.
Далее, в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха, капли могут оставаться жидкими или высыхать, превращаясь в твердые или вязкие частички.
Большинство крупных капелек и высушенных частиц достаточно быстро оседает на различных окружающих объектах (например, столешницах, кнопках, поручнях и сенсорных экранах), превращая их в потенциально инфекционные источники. Капли, как правило, с размерами порядка нескольких микрон и менее могут оставаться в воздухе в течение часов и переноситься воздушными потоками на десятки метров.
Непосредственное заражение может произойти при вдыхании вирионов другими людьми. Наиболее вероятно это, если находиться в непосредственной близости от зараженного, например, в толпе, или в относительно замкнутом пространстве, где капельная аэрозоль сохраняется достаточно долго. Инфекция может также передаваться, когда вирионы, выделенные зараженными людьми, оседают на их руки и одежду, а затем передаются другим при близком контакте, таком, как рукопожатие. Инфицирование происходит также в случае, если вирионы с загрязненных предметов и поверхностей попадают (например, через прикосновение) в рот, нос или глаза.
Необходимо рассмотреть и использовать все существующие методы для блокирования выделения, дезактивации подавляющего большинства уже выделенных в окружающую среду вирионов, а также недопущения их проникновения в организм здорового человека.
Многие меры сейчас уже активно применяются, включая ношение средств индивидуальной защиты, выявление и изоляцию инфекционных пациентов, очистку и дезинфекцию предметов и поверхностей, фильтрацию загрязненного воздуха, частое мытье рук и т.д. Задача состоит как в улучшении уже существующих методов, так и в развитии новых, создающих дополнительные барьеры для распространения вирусов. При этом придется смириться с тем, что основной целью должно быть не полное исключение вероятности передачи заражения (как это пытаются сделать в специализированных клиниках и научных центрах), а максимально возможное снижение вероятности переноса вируса от носителей к здоровым людям до уровня, индекса репродукции R0<1; это означает, что зараженный пациент в среднем передает инфекцию менее, чем одному человеку.
Возможные дополнительные барьеры на пути распространения вирусов
Вообще говоря, вирусы являются по существу метастабильными наночастицами ядро-оболочка, которые биологически продуцируются в клетках процессом самосборки. Ядро - свернутый геномный полимер - плотно упаковано в оболочку защитного белка, называемого капсидом. Они могут быть повреждены рядом физических воздействий, таких, как УФ-облучение, нагревание и высушивание, а также химической дезинфекцией с использованием кислот, окислителей, спиртов или некоторых специализированных поверхностно-активных веществ. Подобные подходы могут показаться относительно примитивными, однако демонстрируют высокую эффективность для замедления или даже предотвращения распространения и передачи вируса. Вместе с тем необходимо отработать методологию их применения именно для SARS-CoV-2.
Первый барьер для инфекции должен быть установлен в начальной точке – непосредственно на источнике вирусов. Для этого широко используются разного рода маски и респираторы. Причем их задача не только отфильтровать большую часть капель, но и за счет большого газодинамического сопротивления резко снизить расстояние, на которое капли разлетаются при чихании и кашле. Учитывая большой процент бессимптомных больных, в некоторых странах ношение масок в общественных местах является обязательным для ВСЕХ.
Исследование A British Journal of Medicine еще 2008 года показывает, что сочетание частого мытья рук и ношения масок и халатов может снизить вероятность распространения вирусов на 91%. Важная роль ношения масок для снижения скорости распространения именно COVID-19 подтверждена в публикации в журнале Lancet.
В ней подчеркивается, что «эта мера смещает акцент с самозащиты на альтруизм, активно вовлекает каждого гражданина и является символом социальной солидарности в глобальном ответе на пандемию». Думаю, что мы на территории инновационного центра должны показать пример такой социальной солидарности.
При этом маски не могут отфильтровать существенную долю капель малого диаметра, поэтому часть капель попадает наружу. Для снижения вероятности попадания их на слизистые поверхности здоровых людей предлагается поддерживать «социальное дистанцирование». По-видимому, рекомендованные 2 метра являются разумным компромиссом, однако, судя по последним расчетам, расстояние, на которое может распространяться вирион, зависит от влажности и температуры окружающего воздуха, наличия вентиляции, скорости и направления ветра и других факторов, которые следует изучить более подробно.
Для выстраивания следующего барьера необходимо более глубокое понимание динамики изменения структуры капли и молекулярных механизмов инактивации вирионов, находящихся в окружающем пространстве, а также разработка методов их детекции.
Капли дыхательной жидкости содержат множество других компонентов, обычно в несколько весовых процентов, включая нерастворимые частицы, такие, как белки, ферменты, вещества из слизистой оболочки дыхательных путей; поверхностно-активные вещества, холестерин; а также соли и лактаты. Следовательно, в летучих каплях или высушенных частицах вирусы всегда окружены этими материалами, количество которых варьируется в зависимости от состояния пациентов.
При разработке физических и химических подходов для дезактивации вирионов необходимо учитывать окружающую их «дыхательную» массу. С одной стороны, эти неинфекционные компоненты могут выступать в качестве защитной матрицы для вирионов, а, с другой, - они могут быть использованы для ускоренной инактивации, например, за счет разрушения оболочки вируса при их кристаллизации. По всей видимости, жизнеспособность вириона во многом определяется концентрацией оставшейся в капле воды, а также скоростью ее испарения. А это, в свою очередь, во многом зависит от температуры и влажности окружающей среды.
Здесь нужно рассмотреть несколько вариантов. Если влажность высокая (более 90%), а температура невысокая (порядка 10 С), то капли испаряются достаточно медленно и, скорее всего, просто упадут. С другой стороны, при относительно низкой влажности (менее 20%) и высокой температуре вода быстро испарится и образуется твердая частица, что может привести к инактивации вириона. В зависимости от внешних параметров и состава капли возможно и более сложное строение оставшейся частицы в виде комбинации твердой и жидкой фаз. При относительно высокой влажности 50-60 % капля сначала испаряется и уменьшается в размере, но не высыхает полностью из-за достаточно высокой концентрации растворенных солей. Такая капля может существовать достаточно долго в воздухе в виде аэрозоля и проникать через маски и слизистые поверхности глаз. Наиболее надежным способом борьбы с такими аэрозолями является постоянное проветривание помещений.
В только что появившейся в Nature публикации был проведен анализ аэродинамического распространения вирусов SARS-CoV-2 в двух госпиталях в Ухане. Была отмечена особая роль именно субмикронных частиц диаметром 0.25 - 0.5 микрона в распространении инфекции. При этом максимальная концентрация вирусного материала обнаружена в плохо проветриваемых замкнутых пространствах (углах комнат, туалетных кабинках и т.д.). По-видимому, эти выводы должны быть учтены при проектировании систем вентиляции не только госпиталей, но и офисов и торговых центров, а также общественного транспорта.
Очевидно также, что необходимо разрабатывать материалы и конструкции масок или респираторов, которые могли бы с высокой эффективностью фильтровать капли и частицы субмикронного размера, а также обладали и дезинфицирующими свойствами при сохранении приемлемых эргономических характеристик и стоимости. В качестве примера можно привести только что опубликованное исследование ученых Арагонской национальной лаборатории, которые показали, что чередование слоев нескольких достаточно доступных материалов существенно повышает вероятность фильтрации субмикронных капель и частиц.
Еще одним, достаточно парадоксальным примером может служить недавнее сообщение канадских исследователей о повышении барьерных свойств масок, у которых внешний слой пропитан солью, взаимодействие с которой, по мнению авторов, приводит к деактивации вирионов.
Не менее важно разработать способ деактивации вирионов, попавших на поверхность фильтрующего материала, а также добавления в маски разного рода устройств и пропиток, которые могли бы обладать дополнительным дезинфицирующим воздействием на проходящие через маску капли. Один из рассматриваемых вариантов – использование внутри респиратора ультрафиолетовых светодиодов.
Рассмотрим еще один потенциальный канал заражения – через капли, попавшие на окружающие поверхности или одежду.
Для капель, попавших на поверхность, важное значение имеет структура и смачиваемость этой поверхности. Сообщалось, что как вирионы SARS-CoV-1, так и SARS-CoV-2 могут оставаться инфекционными в течение нескольких дней на гладких поверхностях, таких, как стекло, пластик и нержавеющая сталь. При этом на пористых гигроскопичных поверхностях, текстильных и бумажных материалах они остаются инфекционными в течение нескольких часов. Это критически важно, потому что нержавеющая сталь повсеместно используется для изготовления медицинских принадлежностей и оборудования, а также большинства инженерных конструкций и приборов.
Насколько нам известно, влияние поверхностной пористости недостаточно изучено. Одна из гипотез состоит в том, что на пористых поверхностях происходит более быстрая потеря воды вокруг вирионов, что может сказаться на их дезактивации по целому ряду механизмов. Таким образом, необходима разработка новых антивирусных покрытий как для уже имеющегося, так и создаваемого оборудования и изделий, которые должны резко снизить время жизни вирулина на поверхности.
Крайне привлекательно выглядит идея создания самоочищающихся поверхностей, которые могут медленно выделять дезинфицирующие химические вещества.
Перспективны активные противовирусные покрытия на основе фотокаталитической, фототермической или электротермической стимуляции.
Однако, пока такие материал и покрытия разрабатываются, наиболее надежным является постоянна дезинфекция поверхностей с использованием различных антивирусных ходкостей или аэрозолей. Создание и массовое производство такого рода дезинфекторов уже активно происходит, в том числе, и с участием резидентов «Сколково».
Другим, уже «традиционным» методом обеззараживания является использование различного рода ультрафиолетовых излучателей, в том числе, и на мобильных робототехнических платформах, которые могут использоваться для обеззараживания как воздуха, так и поверхностей.
Модельные системы для вирионов
Одним из основных препятствий для широкого круга ученых и инженеров внести свой вклад в борьбу с эпидемией является отсутствие так называемых модельных вирионов. Поскольку работать с реальными вирусами, вызывающим инфекционные заболевания, могут лишь специализированные лаборатории, то для остальных исследователей практически нет возможности исследовать многие поднятые выше вопросы.
При этом, многие физические и инженерные подходы к дезактивации вирионов основаны на механизмах довольно широкого спектра, и модельные системы для таких исследований, по крайней мере, на начальных этапах, не должны быть специфичными для вида вируса и вообще содержать какой-либо геномный материал. Например, модельный вирион был бы крайне полезен при изучении того, как частицы вириона взаимодействуют с окружающей средой в каплях и на поверхностях. Наличие такой модельной, но общепринятой («стандартизованной») системы было бы чрезвычайно полезно и помогло бы ускорить разработку многих научно-технических решений, необходимых для борьбы с распространением вирусных инфекций.
Заключение
Пандемия COVID-19 - это глобальная проблема, которая выходит за пределы всех существующих границ, и ее решение требует инициативы и синхронизованной работы самых разных специалистов. Многие научные издательства дали бесплатный доступ ко всем публикациям, относящимся к этой проблеме, а некоторые университеты и компании предоставили свои патенты в общее пользование.
Фонд и инновационный центр «Сколково», опираясь на специализированный регуляриторный статус и наличие на его территории большого количества высокотехнологических компаний, Московского медицинского кластера, а также Сколтеха, мог бы выступить инициатором развития перечисленных выше технологий и поддержать поиск решения означенных проблем через объявление специализированных конкурсов и оказание помощи в кооперации различных разработчиков и ученых, а также грантовой поддержки проектам, нацеленным на развитие технологий снижения вероятности развития вирусных инфекций.