* 这些作者具有相同的贡献
为应对严重急性呼吸综合征冠状病毒 2 (SARS-CoV-2) 大流行,制定了一项实验室方案,以测试布制面罩、棉质磨砂膏和牛仔裤的热水洗涤病毒消毒效果。Phi6病毒(噬菌体)被用作生物体来测试消毒效果。
该协议提供了一个实验室过程的示例,用于进行生成病毒消毒数据的洗涤研究。虽然该协议是为 2019 年冠状病毒病 (COVID-19) 大流行期间的研究而制定的,但它旨在成为一个框架,适用于其他病毒消毒研究;它演示了制备测试病毒、接种测试材料、评估洗涤过程对洗涤物品的视觉和完整性变化以及量化病毒载量减少的步骤。此外,该协议概述了必要的质量控制样品,以确保实验不会因污染和测量/观察而产生偏差,应记录这些样品,以跟踪多个洗涤周期后个人防护装备(PPE)物品的材料完整性。该方案提供的代表性结果使用接种到棉花磨砂膏、牛仔布和棉质面罩材料的 Phi6 噬菌体上,并表明热水洗涤和干燥过程实现了所有样品的病毒载量减少 3 个对数 (99.9%) 以上(3 个对数减少是美国环境保护署产品性能测试指南 810.2200 中的消毒剂性能指标)。PPE物品不同位置的病毒载量降低是一致的。该病毒消毒功效测试协议的结果应有助于科学界探索家庭洗涤对其他类型的测试病毒和洗涤程序的有效性。
2019 年冠状病毒病 (COVID-19) 大流行造成了前所未有的全球供应链中断,并导致许多物品严重短缺,包括基本个人防护设备 (PPE)1,2,3。那些从事高风险职业的人必须使用推荐的危机能力策略进行调整,公众采用非专业物品,如布料面罩,主要用于源头控制,但也为佩戴者提供一些呼吸保护。在美国,在供应短缺期间,为其中一些高风险职业(例如医疗保健)保留了专门的呼吸防护(即过滤式面罩呼吸器(FFR),例如N95s)4。当人们对严重急性呼吸综合征冠状病毒 2 (SARS-Cov-2) 传播知之甚少时,在大流行初期,各种其他类型的服装材料也被认为是屏障保护5。随着用于保护穿着者的织物的多样性,出现了有关这些物品的使用、再利用和消毒/去污的问题。虽然在美国,人们普遍认为,常规家用机器清洗面罩和其他衣物会使这些表面上的病毒不具有传染性,但几乎没有数据可以证实这一说法,并且缺乏公布的实验室测试协议。这里介绍的研究方案的目的是提供一个实验室过程的例子,用于进行洗涤研究,以生成病毒消毒数据。虽然该协议是为 COVID-19 大流行期间的研究而制定的,但它旨在成为适应其他病毒消毒研究的框架。
服装在疾病传播中的作用是一个难以量化的概念。国际家庭卫生科学论坛尝试了这项具有挑战性的任务,对服装在传染病传播中的作用进行了审查,并对家庭卫生实践进行了风险评估6。这项工作包括对几项科学研究的回顾,这些研究检查了不同病毒株在羊毛和棉花等不同类型织物上的存活率7,8,9,10,11。每项研究都集中在不同类型的病毒上,包括牛痘、脊髓灰质炎病毒、呼吸道合胞病毒、疱疹病毒和流感病毒。不同病毒在织物上的存活时间从30分钟到5个月不等,具体取决于病毒-材料组合。一些研究还证明了病毒污染从材料转移到手上。作为出版物的一部分,讨论了有效清洗作为减少传播的重要管理技术,但认识到洗钱对减轻疾病负担的影响程度取决于具体的病毒污染物,难以量化7,8,9,10,11。
洗涤过程使用化学,物理和热处理过程破坏微生物。例如,肥皂和洗涤剂可以分离土壤,并可能赋予一些化学介导的抗菌作用。在物理上,稀释和搅拌可能有助于降低病毒载量。一项研究使用工业和家庭洗涤循环(有或没有温度和洗涤剂)检查了人类冠状病毒 HCoV-OC43 在棉样本上的持久性,发现在没有洗涤剂的未热水中洗涤时没有检测到病毒,但在存在土壤负荷(人工唾液)的情况下,家庭洗涤周期需要洗涤剂才能使样品具有未检测到的病毒载量12.热水本身也可以提供破坏某些微生物的有效手段13,14。
在最近的一份总结当前洗衣实践状况的出版物中,许多因素,如织物成分、储存条件、污垢负荷、洗涤温度和时间以及干燥温度,被确定为全球洗涤实践中的差异15.虽然洗涤是大部分人口的常见清洁方法,但现有做法的巨大差异使得发布详细的指导,说明当物品可能被病毒污染时如何安全有效地做到这一点,具有挑战性且稀疏。在 COVID-19 大流行期间,美国疾病控制和预防中心 (CDC) 发布了有关如何为房主清洗物品的指南16,17。该洗涤指南的大部分内容是基于几项关于细菌消毒的较早研究18,19,并得到了几项台式研究的支持,这些研究发现包膜病毒在水中用洗涤剂灭活20,21。该指南可以概括为 1) 遵循制造商的洗涤剂说明,2) 使用最温暖的适当水设置,以及 3) 完全干燥物品。这些建议的理由是,用洗涤剂在尽可能温暖的循环中洗涤并完全干燥(如果可能的话用热)将杀死SARS-CoV-2病毒。
洗涤过程中可能的变化数量之多,因此需要一个统一的协议,如这里介绍的那样,能够隔离变量并测试特定过程的病毒消毒效果。该协议与教学视频相结合的目的是演示基于实验室的热水洗涤过程,以便在其他研究中复制。此外,这种病毒消毒功效测试的结果应该建立消费者对病毒大流行期间家庭洗涤有效性的信心。
从合作实验室接收Phi6作为~1mL冷冻等分试样,并储存在-80°C直至使用。它最初用于传播更多的病毒储备,随后储存在-80°C直至使用。选择Phi6作为示范病毒是因为它通常用作模型包膜病毒,可以繁殖到高滴度,并且需要低生物安全水平的实验室进行测试22,23,24。
1. 制备病毒储备液
2. 对个人防护装备项目进行测试前视觉评估
图1.PPE 测试前评估测量位置。 牛仔布、磨砂膏和面部遮盖位置,记录长度以跟踪洗涤过程中的材料变化。 请点击此处查看此图的大图。
3. 准备优惠券
4. 进行接种
图2.测试牛仔布、磨砂膏和面罩上的优惠券位置。 字母 A-D 对应于所有洗涤实验的唯一优惠券标识符。 请点击此处查看此图的大图。
5. 执行洗钱
6. 提取和枚举优惠券上的病毒载量
7. 对个人防护装备项目进行测试后视觉评估
完成该协议后,将生成几种不同类型的质量控制数据和结果。斑块形成单元 (PFU) 板计数以及提取的样品体积可以计算每个测试样的 PFU 数量。表2是连续稀释/电镀结果的数据记录 表 示例。使用 表1中的稀释因子、样品体积和平板计数, 表3 显示了面罩测试的代表性病毒回收结果。请注意,这些数据包括测试试样以及接种物、试样和洗涤水(含和不含洗涤剂)的质量控制样品。程序空白和无菌质量控制样品对于确认水溶液和PPE材料未被Phi6污染非常重要。污染迹象会导致消毒效果的错误计算,并需要重复测试。阳性对照样品旨在验证病毒储备溶液在实验过程中没有环境/自然降解,从而夸大洗涤过程在降低病毒载量方面的作用。这些样品应保持在接种物对照的1 log PFU内,以接受测试优惠券结果。阳性对照样品PFU的大幅降低也表明应仔细审查试样接种的所有步骤,以确保分析人员使用适当的移液和铺展技术执行方案。
该协议还提供了用于评估由于洗涤而导致的服装材料特性变化的信息以及与该协议相关的质量控制信息(表4和图3)。这些数据很有用,原因有几个。记录PPE物品的测量趋势可以识别具有制造缺陷的物品。这种鉴定可能有助于解释异常微生物数据,并将产品行为的变化置于上下文中。记录气味或损坏也可以指示洗衣机或烘干机在实验过程中是否运行不理想,以及是否应重复测试或维修设备。此外,如果测试计划要求对同一个人防护装备物品进行多个洗涤周期,则数据可能有助于确定个人防护装备物品在洗涤时使用时保持完整性的时间。记录洗涤剂溶液的pH值可以提醒水源或洗涤剂产品的变化。维护洗涤步骤的时间日志可确保洗衣机和烘干机上的计时器不会导致实验方案的变化。
最终,这些数据用于报告热水洗涤程序对病毒病原体替代品的消毒效果。洗涤消毒效果(公式1)的计算方法是从PPE阳性对照结果中减去PPE检测试样中的平均日志10病毒回收率(图4)。对于未检测到的测试优惠券结果,在消毒效果计算中使用检测限的日志10。通常将消毒效果报告为日志值,以便与其他病毒消毒技术和标准进行比较。
消毒效果 = 平均日志 10(阳性对照)- 平均日志10(测试优惠券)(公式 1)
图3.PPE 尺寸因位置而异。 Δ = 测试前测量 - 测试后测量。负 Δ 值对应于项目在指定位置的拉伸,正值对应于收缩。 请点击此处查看此图的大图。
图4.热水洗涤对 Phi6 中的面罩、牛仔布和擦洗 PPE 材料进行消毒的功效。 星号表示已完全消毒(测试券上未检测到)。误差线表示标准偏差 (n = 3)。位置字母对应于 图 2 中描述的位置。 请点击此处查看此图的大图。
表 1.解决方案配方。 制备胰蛋白酶大豆琼脂、胰蛋白酶大豆汤和牛肉提取物溶液所需的成分和数量。 请按此下载此表格。
表 2.连续稀释/电镀结果表的示例部分。 用于报告原始微生物数据的模板。 请按此下载此表格。
表 3.面部覆盖微生物结果。 处理过的牙菌斑形成单元 (PFU) 数据的示例摘要表。 请按此下载此表格。
表 4.擦洗质量控制和材料评估日志。 用于报告pH探头校准,洗涤剂溶液pH值,洗涤前和洗涤后测量以及洗涤周期时间的模板。 请按此下载此表格。
该协议旨在执行系统的实验室测试,以评估对全尺寸个人防护装备/服装进行病毒消毒的洗涤效果。这些程序概述了制备病毒、接种测试材料、评估洗涤过程对物品的变化以及量化洗涤(机洗和干燥)过程导致病毒载量的减少的关键步骤。此外,该协议概述了必要的质量控制样品,以确保实验不会因污染和测量/观察而产生偏差,应记录这些样品,以跟踪多个洗涤周期后PPE物品的材料完整性。使用Phi6的结果表明,该协议中使用的热水洗涤过程使所有样品(面罩,磨砂膏和牛仔裤)的病毒载量减少了3个对数以上。PPE/衣物不同位置的病毒载量降低也一致。为了证明3个对数的减少,该协议需要使用高病毒载量和稳定剂(牛肉提取物),这可能不代表所有情况下的土壤负荷。
选择小型洗衣机和紧凑型干燥机来优化可以在空间受限的环境中进行的重复实验的数量,并保持实验室工作人员在实验期间使用的设备和水量的灭菌。由于使用了迷你洗衣机,与大多数全自动的家庭洗涤应用相比,冲洗步骤是手动的。同样重要的是要记住,机洗在发达国家占主导地位,但洗手仍然在世界各地进行15。此外,有些人可能无法获得热水进行洗涤,而另一些人则手动风干衣服而不是机器烘干。当前协议中没有解决洗涤实践中的这些差异,但可以通过微小的修改轻松调查,例如使用桶和封闭线代替洗涤和干燥步骤。
在科学文献中,对受病毒污染的面罩和街头服装的清洁/消毒的关注很少。更常见的是,研究评估面罩在反复洗涤和干燥后的过滤性能,但不评估病毒消毒效果27,28。例如,Clapp等人评估了布制口罩和改良程序口罩的贴合过滤效率,发现性能差异很大,简单的修改可提高贴合度和过滤效率29。另一项研究着眼于四种不同材料的布制口罩的过滤效率30,再次关注源头控制或个人防护。这可能是由于同一实验室中微生物部分和机械测试缺乏专业化。这里介绍的方案提供了消毒效果和材料降解的评估。
最近在科学文献31,32,33中发表了许多用于一次性呼吸防护(主要是N95s)的去污/消毒方法。FFR(例如N95)的主要关注点是因为它们为医护人员和其他一线职业提供了关键的呼吸保护。呼吸器净化的主要技术包括汽化过氧化氢(VHP)、紫外线杀菌辐射(UVGI)和用于灭活病毒的湿热(蒸汽)。Viscusi等人评估了FFR和UVGI的五种去污方法;环氧乙烷和VHP被认为是最有前途的去污方法31。Fischer等人评估了四种不同的净化方法(紫外线、干热、70%乙醇和VHP),以了解它们减少SARS-CoV-2污染的能力及其对N95呼吸器功能的影响32。还有许多其他关于FFR有效净化技术的研究,这些研究在2020年总结并发表33.但是,这些专用方法无法获得或设计为普通家庭或小企业主安全使用。
该协议是使用 Phi6 开发的,Phi6 是一种包膜噬菌体,类似于 SARS-CoV-2,具有刺突蛋白,并且大小相似 (80-100 nm)34,适用于所有测试。由于Phi6不是已知的病原体,因此可以在一般微生物生物安全1级(BSL-1)实验室中进行操作。对Phi6的功效可能表明其他包膜病毒的功效,但是,需要对每种感兴趣的病毒进行经验验证35。通过使用类似的非致病性病毒剂,希望该协议可以在其他地方重复并用于研究未来的病毒流行病/大流行。未来的研究可能包括除洗涤剂外使用消毒剂(例如漂白剂)以及洗手和生产线干燥的标准化方案。
没有已知的利益冲突需要披露。
美国环境保护署(EPA)通过其研发办公室与Jacobs Technology Inc.指导了EP-C-15-008项下所述的研究。原子能机构已经审查了报告,但不一定反映原子能机构的意见。不应推断出官方认可。EPA不认可任何商业产品或服务的购买或销售。作者要感谢EPA承包商Denise Aslett对EPA RTP微生物学的监督,Brian Ford,Rachael Baartmans和Lesley Mendez Sandoval在EPA RTP微生物实验室对这个项目的工作,Ramona Sherman提供EPA质量保证审查,以及Worth Calfee和Shannon Serre提供EPA技术审查。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Freezer (- 80 °C) | ThermoFisher Scientific | FDE30086FA | |
Hot Plate | VWR | 97042-714 | |
Safety Pins (steel) | Singer | 319921 | |
Shaker | Lab-Line Instruments, Inc. | 3525 | |
SM buffer | Teknova, Hollister, CA | S0249 | |
Syringe filter (0.2 μm) | Corning, Corning, NY | PES syringe filters, 431229 | |
1X Phosphate Buffered Saline | Teknova, Hollister, CA | P0196, 10X PBS solution | |
Agar | Becton Dickinson | 214010 | |
Autoclavable caps | DWK Life Sciences, Millville, NJ | KIM-KAP Caps, 73663-18 | |
Autoclave | Steris | AMSCO 250LS Steam Sterilizer Model 20VS | |
Beef Extract | Sigma-Aldrich, Millipore Sigma, St. Louis, MO, USA | P/N B4888-100g | |
Calcium chloride | Sigma-Aldrich | 793639 | |
Cell spreaders | Busse Hospital Disposables | 23600894 | |
Centrifuge | ThermoFisher Scientific | 75004271 | Heraeus MegaFuge 16R Centrifuge |
Certified Timer | https://nist.time.gov/ | Not Applicable | |
Conical tubes (50 mL) | Corning Life Sciences | 352098 | Falcon 50-mL high-clarity polypropylene conical centrifuge tubes |
Cryovials | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA | AY509X33 | |
Denim | Wrangler | Rustler Regular Fit Straight Leg Jean Four Pocket Jean with Scoop Front Pockets, PN:87619PW | |
Detergent | Proctor and Gamble | Tide Original Scent Liquid Laundry Detergent Product Number (PN): 003700023068 | |
Dextrose | Fisher | BP350 | |
Dey-Engley neutralizing broth | Becton Dickinson | DF0819172 | |
Dryer | Magic Chef | MCSDRY15W | |
Face Coverings | Felina | Reusable Organic Cotton Face Masks, PN: 990121P4 | |
Incubator (top agar) | Symphony | 414004-596 | |
Laboratory Notebook | Scientific Notebook Company | 2001 | |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M9272 | |
Media sterilization and dispensing system | Integra | Media Clave/Media Jet | |
Petri Dishes (100 mm) | VWR | 25384-342 | |
pH Meter | Orion/Oakton | STARA1110/EW-35634-35 | |
pH Probe | Orion | 8157BNUMD | |
pH Standards | Oakton | 00654-(00/04/08) | |
Phi 6 and Pseudomonas syringae | Battelle Memorial Institute, Columbus, OH | Not Applicable | |
Pipette & Tips | Rainin | (Pipettes) 17014391, 17002921; (Pipette Tips) 30389239, 17014382 | |
Refrigerator | True Manufacturing Co., Inc. | GDM-33 | |
Scrubs | Gogreen cool | PN: WS19100PT | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | 57656 | |
Stir Bar | Fisherbrand | 16-800-512 | |
Tape Measure | Lufkin | PS3425 | |
Test Tubes for Soft agar (14 mL) | Corning, Corning, NY | 352059 | |
Thermometer | Fisherbrand | 14-983-19B | |
Tryptone | Sigma-Aldrich | T9410 | |
Vaporous hydrogen peroxide sterilization bags | STERIS | 62020TW | |
Vortex (during the plating process) | Daigger Scientific, Inc | 3030A | Vortex Genie 2 |
Vortex (for sample extraction) | Branson Ultrasonics | 58816-115 | Multi-Tube vortexer |
Washer | Kuppet | KP1040600A | |
Washer Sterilization | Steris | STERIS VHP ED1000 generator | |
Yeast extract | Gibco | 212750 |
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