Беседа с Николаем Суетиным, вице-президентом фонда "Сколково" по науке и образованию, о том, каким образом мы должны подготовиться к возможным вспышкам новых инфекций
Вице-президент Фонда «Сколково» по науке и образованию, доктор физико-математических наук 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.
Николай Суетин, вице-президент фонда "Сколково" по науке и образованию. Фото: Sk.ru
– Николай Владиславович, все мы знаем, что наиболее действенным подходом в борьбе с эпидемиями является всеобщая вакцинация. Как вы думаете, удастся ли решить эту задачу и для нынешнего коронавируса?
– 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 неприменим, 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, неясно насколько быстро вирус мутирует и будет ли эффективна такая вакцина по отношению к новым штаммам. Еще большие опасения вызывают сообщения о повторных заражениях и об отсутствии иммунитета у ранее переболевших людей. Поэтому создавать вакцину нужно, но рассчитывать только на неё нельзя.
– Тогда возникает вопрос: какие еще возможны меры для предотвращения эпидемий?
– Это комплексная и во многом не решенная задача, требующая привлечения, кроме врачей, других специалистов – вирусологов, генетиков, а также инженеров, физиков, химиков, специалистов по аэрозолям, материаловедов… Именно поэтому несколько профессоров 8 апреля со страниц одного из ведущих журналов Американского химического общества обратились к широкому кругу ученых и инженеров со статьей «COVID-19: вызов физикам и инженерам».
Попробую 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.
Как известно, основным переносчиком острых инфекционных заболеваний, таких, как грипп, SARS, MERS и COVID-19 является зараженный человек и, возможно, животные. 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 от амплитуды звука.
В окружающем воздухе, влажность которого, как правило, ниже 100%, вода из микрокапель начинает 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 нескольких часов и переноситься воздушными потоками на десятки метров.
Всё это означает, что нам необходимо рассмотреть и использовать все существующие методы для блокирования выделения или дезактивации уже выделенных в окружающую среду вирионов, а также недопущения их проникновения в организм здорового человека.
– Каким же образом можно это сделать?
– 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 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 минимального уровня, или индекса репродукции R0<1. Это означает, что зараженный пациент в среднем передает инфекцию менее чем одному человеку.
Вирусы – это, по существу, метастабильные наночастицы 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 – например, УФ-излучением, нагреванием и высушиванием, а также химически 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 можно широко использовать 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 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 только что 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».
– Но ведь маски не могут отфильтровать существенную долю капель малого диаметра, поэтому часть капель попадает наружу, а значит, риск заражения сохраняется.
– Да, это действительно так. Маска лишь снижает количество вирионов, поступающих вовне, и дистанцию их распространения. Для снижения вероятности попадания их на слизистые поверхности здоровых людей предлагается поддерживать «социальное дистанцирование». А вот для выстраивания следующего барьера необходимо более глубокое понимание динамики изменения структуры капли и молекулярных механизмов инактивации вирионов, находящихся в окружающем пространстве. 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 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 большая их часть, скорее всего, просто упадет. 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 относительной влажности 50-70 % 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 обычные маски.. Наиболее надежным способом борьбы с такими аэрозолями является регулярное проветривание помещений.
– Неужели столь простая мера действительно может быть эффективной?
- 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 ней, по мнению авторов, приводит к деактивации вирионов.
– А ученые из Новосибирска сообщают о разработке «активных масок» с напылением из наночастиц серебра, которые также с высокой долей вероятности могут стать надежным барьером на пути проникновения коронавируса.
– Сегодня крайне важно разработать способы 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. Ещё один из рассматриваемых вариантов – использование внутри респиратора ультрафиолетовых светодиодов.
– Как известно, заражение может также происходить через капли, попавшие на окружающие поверхности или одежду.
– Да, большая часть выделившихся вирионов в виде капель оседает на разные поверхности. Для «выживаемости» вириона важное значение имеет структура и смачиваемость этой поверхности. Сообщалось, что как вирионы SARS-CoV-1, так и SARS-CoV-2 могут оставаться активными 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 только в течение нескольких часов. Это критически важно, потому что нержавеющая сталь повсеместно используется для изготовления медицинских принадлежностей и оборудования.Насколько нам известно, влияние пористости поверхности 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 вириона 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 разработка таких материалов требует времени. А что делать сейчас?
– Пока такие материалы и покрытия разрабатываются, наиболее надежным является регулярная дезинфекция поверхностей с использованием различных антивирусных жидкостей 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.
– Какие разработки резидентов «Сколково» уже готовы к использованию в борьбе с COVID-19?
– У резидентов «Сколково» есть перспективные разработки, способные помочь в борьбе с коронавирусной инфекцией. Например, компания «Тион» производит очистители воздуха на основе технологии активной HEPA-фильтрации, которая позволяет добиться высоких показателей очистки и обеззараживания воздуха при минимальном энергопотреблении оборудования и стоимости сменных элементов. «Клеофас» создает системы обеззараживания воды, воздуха и поверхностей на основе высокоэффективной технологии бактерицидного излучения. «Лаборатория Био Зет» производит препарат для обработки поверхностей, снижающий развитие патогенной микрофлоры, включая различные вирусы.
Нынешняя пандемия показала, как важно объединить усилия. Сегодня многие научные издательства дали бесплатный доступ ко всем публикациям, относящимся к этой проблеме, а некоторые университеты и компании предоставили свои патенты в общее пользование. Инновационный центр «Сколково», опираясь на специализированный регулярторный статус и наличие на его территории большого количества высокотехнологических компаний, Московского медицинского кластера, а также Сколтеха, мог бы выступить инициатором развития всех этих технологий.
Мы также можем поддержать поиск решения всех этих задач через объявление специализированных конкурсов и оказание помощи в кооперации разработчиков и ученых, а также выделения грантовой поддержки проектам, нацеленным на развитие технологий снижения вероятности развития вирусных инфекций. Ведь борьба с эпидемиями, их предотвращением – наша общая задача.
Беседу вела Наталия Лескова
Источник: medbook.ru