来自麻省理工学院的女科学家通过数学模型研究疾病传播机制
1月27日，德国汽车零部件供应商伟巴斯特首次宣布，一名来自上海的中国员工在访问公司总部返回中国后，接受病毒检测且结果呈阳性。在接下来的一周内，该公司披露了其他位于德国境内的患病员工数量信息。至1月31日，该公司受感染的员工数量已增至7人，其中，5名为德国公民，2名为中国公民，此前这些员工都曾前往位于德国巴伐利亚州斯托克多夫的伟巴斯特总部，多次参加长时间会议。

无数事实证明与特定病毒（如新型冠状病毒）携带者同处一室感染风险极高。人们不禁产生疑问，为什么病毒具有如此强有力的传染力度，其内在蕴含的传播机制是什么？
nature杂志对该研究的报道
让我们看看一位麻省理工学院科学家的研究！其实证结果发现：根据环境条件，较大的喷嚏和咳嗽液滴或飞沫喷射距离可能分别达到8米和6米，并保持长达10分钟之久的悬浮状态——该距离和时间足以使其传遍整个（大型）房间，触及天花板通风系统（并通过中央空调传播到别的房间）更不在话下。
疾病隔空传播机制研究
自从发现某些疾病的传染特性以来，人类已经发明了很多针对各类传染疾病的治疗方法。1934年，威廉·威尔斯（William Wells）成为首位以令人信服的方式描述疾病如何通过空气传播的科学家。他提出病原体传播的两种主要方式：出于重力而掉落尘埃的大液滴和散播在空中的小飞沫。尽管证据存疑，大家还是相信，诸如结核病之类的病原体通过大液滴传播，而像麻疹这样的疾病可能经由小飞沫感染。
尽管此后新型疾病不断肆虐、生活方式发生巨变、以及创新技术层出不穷，但令人惊讶的是，人类对疾病传播基本途径的理解却与八十年前相差无几。直至最近，麻省理工学院副教授兼疾病传播实验室流体力学主任，数学家和流体力学家莉迪亚·布鲁伊巴（Lydia Bourouiba）开始重新验证这些基本原理，并推本溯源地反思呼吸道疾病的传播机制。
nature杂志报道布鲁伊巴的视频
布鲁伊巴最初研究流体力学方面的数学问题。当她来到多伦多攻读研究生学位后，她意识到类似的数学原理同样可以应用于模拟疾病如何传播。这也是为什么布鲁伊巴开始通过数学方法完善流行病研究。她表示：“
我注意到医学界对疾病传播机制的理解存在问题，并认识到流体力学可以用于填补这些空白。
”

传统上，科学家根据描述疾病如何在人群之间传播的各种参数，通过数学方程设立流行病学模型。然而，这些参数多为原始数据，并没有基于物理学原理（例如，喷嚏如何散播疾病，或者更准确地说，何种因素决定喷嚏带菌飞沫移动距离或滞留时间）。
布鲁伊巴坚信，提升参数准确度将根本性改善上述模型及防范策略。她表示，任何模型必须涵盖底层物理学原理，“如果模型参数没有与一种可以直接测量、验证和控制的机制合理结合，任何人都无法具备（对疾病传染）预测和控制能力。”
于是，布鲁伊巴来到麻省理工学院，尝试根据人际传播模式来解释世界范围内人们为何被同一种疾病感染。布鲁伊巴及其团队采用高速摄像机、通过精密的模型、并观测大量的患者，开始对于疾病传播机制最基本的问题提供答案。他们通过慢镜头分解飞沫喷射的全过程，从而使医学界得以更深入地理解传染病的传播机制。
激烈呼吸状态
那么，你是如何使研究对象适当的时候打喷嚏呢？


“这是一个我经常被问到的问题，”布鲁伊巴微笑着回答道。解决方案出人意料地简单：只需用一个小型杆状物挠研究对象的鼻孔几秒钟，然后——啊嚏！
打喷嚏百态
对数学家和流体动力学家布鲁伊巴来说，研究需要的就是打喷嚏。她与其麻省理工学院团队通过一至两台每秒数千帧运行的高速摄像机，完整记录打喷嚏以后的全部过程。慢动作回放的视频显示，唾液和粘液呈片状从嘴巴中猛烈喷发出来，随后分解成液滴并悬浮在湍流的空气。
布鲁伊巴录制的视频使她能够测量包括液滴直径以及液滴喷射速度在内的所有数据，这些数据有助于了解这些液滴是如何将病毒和其他病原体传播至下一个被感染者。她已经证明，喷嚏和咳嗽产生的飞沫和液滴可以遍布大多数房间的室内区域，甚至向上触及屋顶的通风设施（从而通过中央空调系统传播到其他房间）——表明飞沫中微生物的传播比目前理论所认为的距离更远，延续时间更长。
布鲁伊巴指出，这项研究工作的最终目标是为流行病学和公共卫生奠定数学和物理学基础。当尽力防止疾病肆虐时，她表示，“我们希望提供经过实验验证、具有科学依据的建议。”在实际应用中，该研究成果有助于精确估算传染病患者身边的感染风险，优化防护设备从而保护医疗工作者免遭特定细菌的伤害，并且更好地预测疾病在人群中的传播方式。

佐治亚理工学院生物流体力学研究员大卫·库（David Ku）表示，虽然并非首位使用高速视频研究流体力学的研究人员，布鲁伊巴却是第一位意识到该项技术在呼吸领域应用潜力的科学家。位于荷兰鹿特丹的伊拉斯谟大学医学中心病毒学家罗恩·福切尔（Ron Fuchier）指出，布鲁伊巴的方法对该领域可能具有革命性影响，“只有通过这种物理知识才能充分认识病毒的传播机制。”
这些“激烈的呼吸行为”（布鲁伊巴在一篇论文中如此定义喷嚏和咳嗽）被认为是呼吸道疾病传播的一个主要途径。但是，这种传播是如何具体实现的？流行病学研究根据人们感染时的动作和行为判断疾病的传播方式。病菌究竟通过人与人之间直接触碰感染疾病，比如与感染者握手？还是通过门把手等受污染的物体表面受到感染？是附着于较大的液滴直接从感染者呼吸道直接喷射至其他人呼吸道中？还是分解为较小液滴在空气中悬浮片刻再被旁人吸入？还是上述方式的某种组合？
过往研究得出结论，麻疹通常是通过悬浮液滴传播，而埃博拉病毒主要是通过直接触碰被感染。但是，很多病原体仍然存在很多不确定性，例如，SARS（非典）被认为主要通过近距离接触传播，但2003年爆发的SARS中，至少存在一些证据显示病菌通过飞沫在空气中传播。有些研究人员认为埃博拉病毒也可能在一定程度上通过空气传播。
在约克大学，布鲁伊克开始认为，明确咳嗽和喷嚏的物理细节有助于消除上述不确定性。然而传统的疾病传播模型缺乏的正是这些关键细节。
2010年，麻省理工学院的博士后研究给予她一个机会，开始用实地采集的数据填补这些空白。在此之前，她只能纸上谈兵——如今她得以投身实验研究，通过高速摄像和照明深入研究喷嚏、咳嗽乃至呼吸的细微之处。她的导师，麻省理工学院流体力学专家约翰·布什（John Bush）说：“数学家往往不适应实验室工作，不过莉迪亚真的很擅长。”
悬浮飞沫
布鲁伊巴特别想知道，从嘴里喷射出来的液滴尺寸分布范围，因为一个液滴的大小直接关系到它能够携带多少微生物及其在空气中传播的距离。

在2014年发表的第一次实验中，她希望观察液滴的整体喷发状态。布鲁伊巴在麻省理工周边发布广告招募志愿者，并拍摄了约十名健康人咳嗽和喷嚏的过程。在对相机位置、背景、照明度经过大量调试后，布鲁伊巴拍摄到的视频显示，液滴犹如一朵浮云，从嘴里汹涌而出。当这朵浮云接触到外面的空气，体积逐渐变大而喷射速度则减缓，并带着液滴离开打喷嚏者的身边。
液滴犹如一朵浮云，从嘴里汹涌而出
来自视频的证据与关于喷嚏的传统看法有所冲突，传统观念认为较大液滴1-2米后就掉落到地面，只有较小的液滴会以雾气形式悬浮在空中。然而录像结果表示，由于喷嚏引发的涡流动态变化，根据环境条件，较大的喷嚏和咳嗽液滴喷射距离分别可能达到8米和6米，并保持长达10分钟之久的悬浮状态——该距离和时间足以使液滴或飞沫传遍整个房间，天花板通风系统更不在话下。
位于亚特兰大的埃默里大学传染病流行病学家詹姆斯·休斯（James Hughes）表示，这一结论对卫生工作者具有重要意义。如果一种疾病的传播仅有1-2米，医护人员可能认为在此距离以外属于安全区域。他说：“我认为我们对此应该更为谨慎。”
布鲁伊巴的下一批实验中，她将镜头拉近至志愿者的嘴巴处，拍摄了150毫秒打喷嚏录像。从志愿者侧面和顶部通过每秒8,000帧速度拍到的视频显示了液体分解步骤和过程，犹如好莱坞电影的爆炸慢镜头一样：液体呈片状从口腔内流出，受到气流拉伸直至破裂并形成环状。环状液体裂开后留下细密的水线，随着水线拉长和断裂，最终产生液滴。
慢镜头显示喷嚏液体分解步骤和过程
发现液体离开嘴巴后发生如此复杂的变化相当出乎布鲁伊巴的意料，显然这些变化与主流观念相悖，即液滴成形于口腔内。对佐治亚州立大学任教的数学流行病学家杰拉多·乔威尔（Gerardo Chowell）而言，这是一个重要的发现，因为这意味着液滴的形成可能受到湿度和温度等环境条件的强烈影响。他补充道，这有助于解释为什么某些疾病（例如流感）往往会在一年中某些特定时间频繁爆发，很可能是因为当时外部条件更有利于这些微生物的传播和生存。
大卫·库指出，布鲁伊巴的研究将此前测量喷嚏和咳嗽液滴尺寸的工作向前推进。液态微粒的传播距离受到很多不同的参数影响。他表示，“如果我只知道液滴的大小尺寸，我无法告诉你它们会向哪里散播。布鲁伊巴的工作，通过研究实际打喷嚏的过程，显示了液滴的确切传播方向。”
下一步
布鲁伊巴和她的团队准备搬入一个新建实验室，其中包括一个生物安全级别为2+的隔离屋，从而使他们不仅可以观察健康受试者的喷嚏和咳嗽，同时还能研究流感或感冒患者。为了更好地实施这些研究，她还聘请一位微生物学家来帮助团队确定飞沫中微生物含量，以及病原体可以在空气或物体表面存活时间长度（也就是其感染能力能够维持多久）。

休斯指出，这个问题的答案至关重要。“我们需要更多地了解不同尺寸飞沫液滴中微生物浓度，以及其中很多病原体的感染剂量。”在隔离室中，布鲁伊巴团队还可以调节气流、温度和湿度，从而模拟医院、飞机或热带环境中飞沫液滴的散播模式。
布鲁伊巴的
最终目标是基于她收集的所有数据创建一个数学模型，供公共卫生官员识别疾病最可能感染途径，并降低其传播风险。
该模型提供的参考指引包括：最大的传染风险是空气传播还是表面触碰；或者如何通过改变气流或温度将医院的交叉感染风险降至最低。模型还可以预测某一特定个体具有很高风险成为“超级传播者”，从而应该迅速隔离安置。

在紧急情况下，当一种传播机制尚未明晰的新型疾病突然开始肆虐，公共卫生官员可以借助该模型确定最危险的感染环境（如飞机客舱）并告诫公众敬而远之。接下来，随着第一批感染者接受检测并获取更多病原体的信息，相关数据可以纳入模型之中，进一步完善风险评估机制。
而通过建模研究传染病传播的乔威尔，希望布鲁伊巴的研究最终能够对疾病的“空气传播指数”进行评级。他指出，得知某种病原体，例如85%而非5%，是通过飞沫隔空传播，可以让公共卫生官员更好地评估疫情传播速度和爆发的严重程度。“建模需要数据，
我认为布鲁伊巴和其他人的工作成果将帮助我们更好地校准相关模型的设计，有助于提升我们实时预测疾病传播的能力。
”

然而，这也可能因病而异。马里兰大学公共卫生学院的环境健康科学家康纳德·米尔顿（Donald Milton）的研究表明，布鲁伊巴的研究方法可能无法对流感起到很大作用，因为流感患者很少打喷嚏。他表示，该方法对病人打喷嚏频率更高的普通感冒可能更为有效。
米尔顿还提醒称，专注研究喷嚏和咳嗽可能无法获悉呼吸道疾病传播的全貌。呼吸和讲话也是需要考虑的重要因素。他与其团队已经在患者直接呼出的微粒中检测出流感病毒RNA，他们甚至已经从这些微粒中培养出病毒。布鲁伊巴回应道，如果事实证明呼吸也是一个传播因素，她的方法同样可以用来对其进行研究，不过她首先希望通过检测传染病患者确定哪些是最重要感染方式。

但下一步是要了解打喷嚏是如何在可能影响流感季节的模型背景下传播病毒的。她的广泛发现已经确定了可以实施的疾病控制建议，影响了各种公共卫生方案和政策。
但她承认还有更多问题存在——例如飞沫的尺寸究竟如何影响我们被疾病感染的可能性。布鲁伊巴表示：“呼气及其有效载荷的相关特征直接影响其感染他人的效率，例如在其肺部的沉积程度。我们正在厘清整个过程，整合生理学、免疫学、微生物学和流体力学等各种因素，构建那些具有超高效率传播某些呼吸道疾病能力的人群整体画像。飞沫最初形成时具备的特征将决定其进到他人肺部的深入程度。如果我们了解整个过程，我们就能够从源头决定哪些人传播疾病的能力更强。
测量液滴和飞沫尺寸
这可以告诉我们如何管理大量病原体。以结核病为例，这是一种感染高达世界三分之一人口的疾病。研究人员知道它的症状开始于肺部深处，但进一步描述人们何时、如何以及为什么产生传染性飞沫可能会改善我们处理患者护理和研究的方式。
展望未来，布鲁伊巴对于联合临床医生、感染控制专家、微生物学家、免疫学家和病毒学家开展的一项针对流感传播的研究深感振奋。在这个跨学科领域进行开创性研究绝非易事。然而，布鲁伊巴表示，如果假以时日（或许长达十几二十年），这种类型的研究有可能取得巨大而切实、适用于各种病原体的成果。考虑到开发新型传染病疫苗和诊断方法所需漫长且难以预测的过程，布鲁伊巴定义循证预防策略的步骤成为上述难题的核心。“你必须同时从事预防和治疗研究。”她解释道，由于不断增加的抗生素耐药性，兼顾两者变得益发重要：“我们可能进入一个（类似于）抗生素出现前的时代，这令人无比担忧。”

无论如何，
随着基础研究机制从定性转向定量，布鲁伊巴的工作向着重新定义疾病传播，以及控制和预防感染迈出坚实一步。真正理解人们如何彼此致病，将有助于我们设定规范、政策以及措施保持身体健康和预防传染病乃至瘟疫流行。
莉迪亚·布鲁伊巴
布鲁伊巴可谓一名天生的探险家。小时候在法国，她就对包括爱因斯坦传记在内的有关科学和自然书籍爱不释手。布鲁伊巴很快对数学和物理产生了巨大的兴趣，并将其作为自己的本科专业。
作为麦吉尔大学（McGill University）一名研究生攻读流体力学期间，随着偏于一隅的涡流理论难以满足她的兴趣，布鲁伊巴开始渴望将该项研究应用于更为广泛的领域。她曾于90年代身处内战时期的阿尔及利亚，当地混乱和困难一直留存在记忆之中挥之不去。她表示，“我知道什么是人间惨剧。为了让世界变得更好，我们应该如何打破边界取得突破性成就？”
布鲁伊巴TED演讲视频
在寻找上述问题答案的过程中，布鲁伊巴开始专心投入健康和流行病学研究。在2000年代中期，新闻中铺天盖地满是新型疾病的报道。2003年，SARS导致全球近800人死亡，而脊髓灰质炎正在卷土重来，禽流感也向人类蔓延。在布鲁伊巴看来，传染病研究似乎可以成为个人兴趣和专业知识的完美结合。
布鲁伊巴在2008年获得流体力学博士学位，并在位于加拿大多伦多的约克大学获得一个通过数学方法研究传染病学的博士后职位，在那里她开始考虑研究喷嚏和咳嗽。接着她来到麻省理工学院，从事疾病传播方面的跨学科开创性研究工作直至现在。
布鲁伊巴形成了一个职业习惯，每当在飞机客舱或学校教室听到别人打喷嚏，就会情不自禁地联想起空气中的飞沫。对此她颇感无能为力，不过这也提醒自己为什么从本科开始她就对流体力学如此着谜：
流体无处不在。
一名学生曾经提醒道，她的视频可能为她带来“喷嚏女士”的雅号。布鲁伊巴表示自己并不在意，“如果大家出于搞笑原因对这个课题发生兴趣，我对此毫无意见。”
参考资料：
https://www.nature.com/news/the-snot-spattered-experiments-that-show-how-far-sneezes-really-spread-1.19996
https://massivesci.com/articles/sneeze-droplets-spray-tuberculosis-flu-disease-prevention/
https://www.tedmed.com/speakers/show?id=729973
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作者：海哥，本文经授权发表，版权归属作者所有。
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