SARS-CoV-2暴露劑量與COVID-19潛伏期及病情發(fā)展趨勢的相關(guān)性研究

羅偉濠賀榮章庹勤慧盧光明李 凱廖端芳

(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)，湖南 長沙 410208；2.南方醫(yī)科大學(xué)附屬郴州市人民醫(yī)院，湖南 郴州 423000；3.人和未來生物科技 長沙有限公司，湖南 長沙 410000；4.蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院，江蘇 蘇州 215004；5.中國人民解放軍東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 南京大學(xué)附屬金陵醫(yī)院，江蘇 南京 210002)

由新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)引起的新型冠狀病毒性肺炎(COVID-19)爆發(fā)和蔓延，已經(jīng)導(dǎo)致發(fā)病人數(shù)和死亡人數(shù)均超過2003年SARS的程度[1-2]。迄今，多篇論文已經(jīng)對(duì)該疫情的流行病學(xué)特征和部分病例特征進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述性研究[3-6]，本文通過收集公開數(shù)據(jù)，對(duì)不同條件、不同地域疾病發(fā)生發(fā)展與感染者潛伏期進(jìn)行比較，希望對(duì)疫情防控和患者治療提供有價(jià)值的參考信息。

1 資料與方法

本文所有資料均來自公開發(fā)表的城市疫情報(bào)告和國家公布的疫情報(bào)告。湖北內(nèi)外的數(shù)據(jù)比較，直接采用國家數(shù)據(jù)。國家數(shù)據(jù)截至2020年2月18日。潛伏期長短的數(shù)據(jù)，為分別收集多個(gè)城市的數(shù)據(jù)，留取資料信息完整的病例作為統(tǒng)計(jì)使用。聚集感染的數(shù)據(jù)，來自通過城市數(shù)據(jù)中的接觸史明確的聚集事件。城市數(shù)據(jù)的采集截止2020年2月13日。

2 結(jié) 果

2.1 湖北內(nèi)外疫情的比較

從圖1可以看出，在發(fā)病時(shí)程上，湖北省尤其是武漢市作為此次疾病爆發(fā)的中心，累計(jì)發(fā)病人數(shù)其早期上升速度明顯高于湖北之外的地區(qū)。呈現(xiàn)重癥病例比例高、死亡人數(shù)高、治愈比例低的特點(diǎn)，尤其是治愈/死亡之比更是顯著低于湖北之外的其他地區(qū)。湖北的重癥病例與死亡病例與湖北之外其他省市相比較，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上具有高度顯著(圖2)。這些結(jié)果提示疫情不同時(shí)程對(duì)疾病的發(fā)病率及病情輕重的顯著影響。由于此次疫情的特殊人群結(jié)構(gòu)，即湖北之外其他省市存在500萬具有流行病學(xué)接觸史、在武漢封城之前離開的人群。在此條件下，湖北內(nèi)外COVID-19發(fā)病率仍具有顯著性的時(shí)間差異和病情嚴(yán)重性差異，間接提示潛伏期的影響不可忽視。而潛伏期的長短由暴露劑量所決定。

2.2 湖北省之外其他城市感染者潛伏期變化

我們通過公開信息收集了12個(gè)城市的疫情數(shù)據(jù)，一共包含1852例確診感染者。其中920例帶有接觸史和發(fā)病日期。以接觸史的最后日期和發(fā)病日期作為本研究潛伏期的計(jì)算方式。結(jié)果如圖3所示，總體上，隨著發(fā)病日期的變化，潛伏期表現(xiàn)為延長趨勢。對(duì)這些具有確切潛伏期患者的數(shù)據(jù)整理分析還發(fā)現(xiàn)，其潛伏期中位數(shù)大約為6天，大部分人的潛伏期范圍從1天到15天而不是14天(這里的15天是至少15天)。其中最長者推測長達(dá)為28天(某男，79歲，社旗縣李店鎮(zhèn)人?；颊邇鹤佑?月6日從武漢返回社區(qū)家中，一直與其同住，其于2月3日發(fā)病，現(xiàn)在社區(qū)所在縣人民醫(yī)院隔離治療，2月6日確診)。湖北以外地區(qū)潛伏期隨著疫情進(jìn)程逐漸變長的明確走勢，是多種防疫措施尤其是隔離措施發(fā)揮了降低環(huán)境病毒劑量的效應(yīng)，在暴露劑量與人群機(jī)體抵抗力二者之間的平衡上促進(jìn)了后者超過前者的作用。潛伏期的延長，對(duì)應(yīng)的是R0下降和疫情逐步得到控制。

圖1 湖北與湖北之外內(nèi)地疫情比較湖北地區(qū)在發(fā)病率、重癥率、病死率三個(gè)方面都高于湖北之外的地區(qū)，而治愈率則更低

圖2 湖北內(nèi)外重癥率與死亡率統(tǒng)計(jì)比較

圖3 湖北外感染病例的接觸史分類和總體潛伏期趨勢A:以1月23日為拐點(diǎn)，輸入性病例由上升趨勢開始下降；B:本地病例新增數(shù)總體上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入病例。此圖選取具有明確潛伏期的病例，對(duì)本研究收集的多個(gè)城市樣本具有較好代表性，顯示湖北以外的R0小于1，疫情處于有效控制之中；C:潛伏期在輸入性病例上升階段變化時(shí)不顯著，隨著輸入性病例增加進(jìn)入下降趨勢，潛伏期明顯延長。提示本地二代和二代之后病例的潛伏期相對(duì)較長，可能與其暴露劑量比湖北地區(qū)相對(duì)較低有關(guān)

2.3 聚集發(fā)病個(gè)案分析

一個(gè)傳染源傳染的人數(shù)差別以及潛伏期的差別可能與傳染源向環(huán)境釋放病毒量有關(guān)，而更重要的影響因素是與其密切接觸且可能被傳染的人群數(shù)量。不同聚集傳染事件中的潛伏期差異較大。圖4為實(shí)驗(yàn)收集的部分聚集感染事件分析。結(jié)果顯示了5起聚集性傳染事件的數(shù)據(jù)。其中2起事件中的平均潛伏期均明顯短于已報(bào)道的平均潛伏期(～6天)，另外3起的潛伏期則相對(duì)較長。由于聚集事件的環(huán)境的差異，以及參與者抵抗力和傳染源釋放病毒能力的不同，不同事件導(dǎo)致的潛伏期各有差異。上圖中的邵陽與合肥兩起聚集感染，應(yīng)為非家庭成員，相同的基因背景導(dǎo)致相同的抵抗力低下可能性不高，而暴露劑量相對(duì)較高和高于易感者抵抗力上限，是較合理的解釋。

圖4 代表性聚集性感染潛伏期實(shí)例

3 討 論

本研究通過對(duì)不同條件下COVID-19發(fā)生與潛伏期關(guān)系的分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)病率高低與潛伏期成負(fù)相關(guān)，且發(fā)病率高低與疾病輕癥、重癥比例和病死率密切相關(guān)。鑒于潛伏期與暴露劑量具有依賴性，本研究結(jié)果提示：COVID-19是否發(fā)生、病情嚴(yán)重程度以及病死率高低均可能與被感染者受感染時(shí)的SARS-CoV-2暴露劑量相關(guān)。

COVID-19主要由空氣傳染，空氣中SARS-CoV-2含量或單位體積空氣中病毒拷貝數(shù)，取決于傳染源單位時(shí)間內(nèi)釋放到空氣中的量和病毒在特定環(huán)境中的生存時(shí)間。前者與傳染者人數(shù)及其體內(nèi)病毒載量相關(guān)，后者則受環(huán)境溫度、濕度、通風(fēng)條件、紫外光照、以及空氣中其他干擾(有/不利于)病毒生存因素的綜合影響[7-9]。一種病原微生物的傳染性在流行病學(xué)上常用基本傳染數(shù)(Basic reproduction number，R0)表示，指在沒有外力介入、同時(shí)所有人都沒有免疫力的情況下，一個(gè)感染到某種傳染病的人，會(huì)把疾病傳染給其他多少個(gè)人的平均數(shù)。即當(dāng)傳染源為單一個(gè)體、且被傳染者是在傳染源和被傳染者均對(duì)疾病并不知情、同時(shí)社區(qū)不存在對(duì)該疾病采取預(yù)防措施條件下，一個(gè)傳染源所能感染的下一代被感染者人數(shù)。關(guān)于SARS-CoV-2的R0，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道R0為2.24～3.58之間，表明該病毒具有高度傳染性[10-13]。

然而，根據(jù)定義，R0不是病毒毒力的內(nèi)在指標(biāo)，而是病毒毒力與人為環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。對(duì)于同一病毒，不同環(huán)境下所得到的R0各不相同。對(duì)SARS-CoV-2而言，一個(gè)十分難得而能夠驗(yàn)證其R0數(shù)值的、且具有人體實(shí)驗(yàn)效果的事例，是目前感染人數(shù)持續(xù)攀升的(日本)鉆石公主號(hào)災(zāi)難性感染事件。本文收集數(shù)據(jù)中多個(gè)規(guī)模大小不一的其他聚集性感染同樣呈現(xiàn)出潛伏期短、感染率高的現(xiàn)象。提示空氣中病毒濃度越高，相應(yīng)的應(yīng)通過隔離控制病毒向公眾環(huán)境釋放、采取通風(fēng)與消毒加快空中病毒死亡，方可達(dá)到降低環(huán)境中病毒密度，從而壓低R0值、延長潛伏期、降低感染率，最終起到加快疫情消退的效果。

從個(gè)體生活的縱向時(shí)間軸線來說，當(dāng)致病微生物的暴露劑量小于個(gè)體抵抗力時(shí)，表現(xiàn)為無癥狀感染和隨后的感染消失；當(dāng)兩者相當(dāng)時(shí)，則為持續(xù)非疾病狀態(tài)的病原攜帶者；只有當(dāng)暴露劑量大于個(gè)體抵抗力時(shí)，疾病才得以發(fā)生。對(duì)一些長期存在于機(jī)體的病毒如帶狀皰疹病毒和單純皰疹病毒，無疾病攜帶狀態(tài)與疾病狀態(tài)可以隨著身體內(nèi)二者的此消彼長而交替進(jìn)行。由于SARS-CoV-2是一個(gè)全新的病毒，其與人體宿主相互作用的最后結(jié)果，是僅僅表現(xiàn)為短期無癥狀感染和致病兩種情形，還是在較長時(shí)間內(nèi)將表現(xiàn)為第三種情形——重復(fù)感染，還需要時(shí)間予以觀察證實(shí)。從目前能收集到的短期個(gè)案報(bào)道分析,難以推測第三種情形是否為真[14]。

上述討論SARS-CoV-2暴露劑量與疾病發(fā)生與否的三種情形，是針對(duì)個(gè)體依據(jù)時(shí)間縱向而言，其中的SARS-CoV-2暴露劑量(尤其是第三種情形)，已經(jīng)包含了不同時(shí)間段機(jī)體內(nèi)病原體存在和繁殖的部分。對(duì)人群橫向而言，當(dāng)暴露于含有一定感染源的環(huán)境時(shí)，若暴露時(shí)間較短、暴露劑量中病原體在被暴露者體內(nèi)的繁殖部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于環(huán)境中的劑量，則暴露劑量可以視為衡量而非變量。此時(shí)暴露劑量與抵抗力的相互關(guān)系中，不同個(gè)體的抵抗力是唯一變量。當(dāng)暴露劑量較低時(shí)，僅表現(xiàn)為個(gè)別抵抗力較低且低于暴露劑量者的散發(fā)性感染；當(dāng)暴露劑量相對(duì)較高、且高于部分人的抵抗力時(shí)，則表現(xiàn)為一部分人群的小規(guī)模群體感染；而當(dāng)暴露劑量遠(yuǎn)高于所有在場個(gè)體的抵抗力時(shí)，則會(huì)造成所有人均被感染的極端情形。后兩種情形，尤其是第二種情形(小規(guī)模群體感染)，是聚集性感染得以發(fā)生的原因。

降低暴露劑量之所以導(dǎo)致潛伏期變長和發(fā)病率降低，是因?yàn)闊o癥狀感染者比例提高所致。感染性疾病是由病原體感染宿主導(dǎo)致宿主生理功能出現(xiàn)短期或長期破環(huán)、不能維持在生理范圍而進(jìn)入病理范圍所致。對(duì)于物理性和化學(xué)性致病因子，決定病與非病以及疾病的嚴(yán)重程度，基本上都依從量效關(guān)系。但是，對(duì)生物學(xué)致病因子如細(xì)菌或病毒，除了量效關(guān)系之外，少部分人的疾病嚴(yán)重性還取決于機(jī)體免疫系統(tǒng)的參與，經(jīng)典鏈球菌感染所致的腎功能障礙和SARS-CoV-2感染引起的炎癥風(fēng)暴就是有力證明。

本文為流行病學(xué)數(shù)據(jù)分析，沒有采集環(huán)境和被感染者生物標(biāo)本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。雖然難以排除武漢封城之前離開湖北的450～500萬人在平均抵抗力上可能略微高于留在武漢的1000萬人，但這種抵抗力的有限差異完全無法解釋這兩個(gè)亞人群表現(xiàn)出來的湖北內(nèi)外重癥患者比例和死亡比例顯著高于湖北之外的事實(shí)。有一點(diǎn)無可爭議，即武漢和湖北在武漢封城之前沒有達(dá)到疫情的高峰期，其時(shí)感染者人數(shù)不多，由感染者釋放到環(huán)境的病毒相對(duì)較少，封城之前離開的人群暴露劑量也相應(yīng)較低。而留在武漢的1000萬人則在封城后隨著疫情的惡化繼續(xù)暴露在較高劑量病毒環(huán)境下，最后形成了兩個(gè)亞人群暴露病毒劑量的差別。如上所述，高劑量暴露的被感染者潛伏期相對(duì)較短，突然出現(xiàn)的高載量病毒使免疫系統(tǒng)缺少了與病毒互相適應(yīng)的必要過程，從而在疾病發(fā)生發(fā)展中容易出現(xiàn)對(duì)外來病毒的炎癥因子風(fēng)暴，使病毒復(fù)制的主要所在的肺部并迅速出現(xiàn)大量滲出和細(xì)胞壞死，甚至呼吸衰竭。嚴(yán)重病例的炎癥風(fēng)暴還可以波及其他重要器官，導(dǎo)致多器官衰竭。而對(duì)于潛伏期相對(duì)較長的被感染者，免疫系統(tǒng)有時(shí)間對(duì)病毒建立相互辨認(rèn)和適應(yīng)，炎癥則以較為溫和的普通細(xì)胞內(nèi)免疫反應(yīng)為主，逐步有體液免疫的加入，最后大多得以痊愈。

本文對(duì)潛伏期與疾病發(fā)生發(fā)展的探討，對(duì)當(dāng)前疫情的防治仍然具有較為廣泛的參考價(jià)值。其一、一種新流行病的爆發(fā)，其潛伏期和R0都不是自始至終固定的，潛伏期表現(xiàn)為由長變短再變長的過程；相應(yīng)的，R0則表現(xiàn)為由小變大再變小直至接近或等于0的過程。其二、為有效促進(jìn)疫情消退，各種減少環(huán)境暴露劑量的措施都有實(shí)施的意義。因此，自2020年1月23日，我們多次向武漢疫情防治組、廣州多個(gè)醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)、國家衛(wèi)健委、全國人大和國務(wù)院公眾建議網(wǎng)站等提出建議：1)采集SARS康復(fù)者、COVID-19康復(fù)者和兩種病毒感染的非患者血液；2)放棄基因檢測陽性作為確診病人標(biāo)準(zhǔn)；3)快速研發(fā)基于CRISPR/cas13針對(duì)SARS-CoV-2的腺病毒；等等。其三、鑒于部分SARS-CoV-2感染者并無臨床表現(xiàn)，開展無癥狀感染者的篩查，應(yīng)當(dāng)成為除湖北之外疫情防控的工作重心[15-16]。對(duì)無癥狀感染者篩查的時(shí)間，需要考慮SARS-CoV-2在病人愈來愈長的潛伏期特點(diǎn)，即該病毒有可能在無癥狀條件下存在于宿主體內(nèi)數(shù)周甚至更長的可能性。其四、在病人治療方面，對(duì)潛伏期較短的患者，要提防其隨時(shí)加重病情的可能。其五、作為監(jiān)控和評(píng)價(jià)不同地區(qū)疫情，非輸入性病例的增長數(shù)量和區(qū)分輸入病例的潛伏期長短應(yīng)當(dāng)作為直接的和最為可靠的指標(biāo)。一些特殊的例子，如西藏的輸入性病例迄今尚未導(dǎo)致非輸入性病例的發(fā)生。同樣的，國際上多個(gè)國家較長時(shí)間以來一直保持報(bào)告病例數(shù)僅為1例，除密切接觸者較少之外，還與暴露劑量沒有超過被暴露者的抵抗力具有一定關(guān)系。與此相反，湖北疫情較長時(shí)間得不到有效控制，一方面與有限空間大量病例不停向環(huán)境釋放病毒導(dǎo)致暴露劑量增高有關(guān)；另一方面也可能與隔離人群的聚集感染、醫(yī)院高感染率、病房交叉感染使輕癥惡化成重癥具有一定關(guān)系。為了提高治愈率，武漢輕癥病例可以向治愈率高、R0低的地區(qū)轉(zhuǎn)移。最后，中國抗擊疫情的經(jīng)驗(yàn)和暴露劑量對(duì)感染發(fā)病的關(guān)系，為國際社會(huì)有效防控COVID-19提供了有價(jià)值的參考，并且提示SARS-CoV-2在全球范圍流行中導(dǎo)致大量病患和死亡的可能性較小。這正是本研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注的重點(diǎn)。

需要再次強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：首先，這里有關(guān)重癥與死亡相關(guān)解釋，只是推測，有待未來實(shí)驗(yàn)室證據(jù)的支持；其次，潛伏期長短與病癥輕重和死亡病例的相關(guān)性，在本次疫情迄今已經(jīng)導(dǎo)致數(shù)以萬計(jì)的重癥患者和數(shù)以千計(jì)的死亡患者并還將擴(kuò)大數(shù)字的情況下，疫情結(jié)束后如果這些病例的潛伏期數(shù)據(jù)得以公開，將直接驗(yàn)證或修正本文的推測，為未來抗擊流行病，提供十分有價(jià)值的指導(dǎo)作用。

綜上，依據(jù)病原體與宿主抵抗力相互作用，本文在有限數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上推測和強(qiáng)調(diào)了暴露劑量的意義。疫情早期中心區(qū)與蔓延后外周區(qū)之間發(fā)病率的差異、以及聚集感染與散發(fā)感染人群之間重癥與病死率的差異，均可能與前者存在高暴露劑量相關(guān)；而無癥狀和輕癥感染者，則可能是接觸低暴露劑量的結(jié)果。由于突發(fā)傳染病減毒疫苗難以應(yīng)急制備，人類未來應(yīng)對(duì)傳染病爆發(fā)的策略，應(yīng)不必排除極低暴露劑量天然病毒作為接種的方案。迄今通過人為努力成功消滅的唯一一個(gè)惡性傳染病——天花的接種，就曾走過采用天然人天花病毒和天然牛天花病毒的歷程，值得借鑒。最后，鑒于國際社會(huì)具有控制環(huán)境暴露劑量的較有利條件，SARS-CoV-2應(yīng)不大可能構(gòu)成全球健康重大風(fēng)險(xiǎn)。

致謝：本研究得到湖南省科技廳“長株潭國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)(2018XK2106)”和中國核工業(yè)集團(tuán)“菁英人才”項(xiàng)目支持；同時(shí)感謝BIOCELL Diagnostics,Inc.公司徐文斌博士提供幫助。