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研究論文

この作品には、Nicolas Banholzer、Kathrin Zürcher も同様に貢献しました。

役割 データキュレーション、形式分析、調査、方法論、プロジェクト管理、ソフトウェア、検証、視覚化、執筆 – 原案、執筆 – レビューおよび編集

所属 ベルン大学社会予防医学研究所（スイス、ベルン）

https://orcid.org/0000-0003-0138-6120

この作品には、Nicolas Banholzer、Kathrin Zürcher も同様に貢献しました。

役割 概念化、データキュレーション、形式分析、資金調達、調査、プロジェクト管理、視覚化、執筆 – 原案、執筆 – レビューおよび編集

所属 ベルン大学社会予防医学研究所（スイス、ベルン）

役割 データのキュレーション、資金調達、調査、リソース、検証、執筆 - 原案、執筆 - レビューと編集

所属 ベルン大学病院感染症科、ベルン大学病院、ベルン、スイス

https://orcid.org/0000-0002-1838-9208

役割 資金調達、調査、方法論、リソース、執筆 - 原案、執筆 - レビューと編集

所属 ベルン大学感染症研究所（スイス、ベルン）

役割調査、方法論、執筆 – 原案、執筆 – レビューおよび編集

所属 ベルン大学感染症研究所（スイス、ベルン）

役割 方法論、リソース、検証、執筆 - 初稿、執筆 - レビューと編集

所属 ベルン大学社会予防医学研究所（スイス、ベルン）、ケープタウン大学健康科学部感染症疫学研究センター、ケープタウン大学、南アフリカ、人口健康科学、ブリストル医科大学、ブリストル、ブリストル、イギリス

https://orcid.org/0000-0001-7462-5132

役割 概念化、資金調達、リソース、検証、執筆 - 原案、執筆 - レビューと編集

所属 ベルン大学教育科学研究所（スイス、ベルン）

https://orcid.org/0000-0003-2987-2470

役割 概念化、データキュレーション、資金調達、調査、方法論、リソース、監督、視覚化、執筆 – 原案、執筆 – レビューおよび編集

* 電子メール: [email protected]

所属 ベルン大学社会予防医学研究所（スイス、ベルン）

https://orcid.org/0000-0003-3309-4835

重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2 (SARS-CoV-2) の全体的な蔓延に対する、特にエアロゾルと呼ばれる小さな粒子を介した空気感染の重要な寄与を示唆する証拠が増えています。 しかし、SARS-CoV-2感染に対する学童の寄与は依然として不確実である。 この研究の目的は、複数の測定アプローチを使用して、空気感染の伝播と学校における感染制御対策との関連を評価することでした。

私たちは、2022 年 1 月から 3 月までの 7 週間にわたって、疫学データ (2019 年コロナウイルス病 (COVID-19) の症例)、環境データ (CO2、エアロゾルおよび粒子濃度)、分子データ (バイオエアロゾルおよび唾液サンプル) (オミクロン波) を 2 つの二次データで収集しました。スイスの学校 (n = 90、1 教室あたり平均 18 人の生徒)。 私たちは、異なる研究条件（介入なし、マスク着用、空気清浄機）間の環境および分子特性の変化を分析しました。 環境変化の分析は、さまざまな換気、クラスの生徒数、学校および平日の影響に合わせて調整されました。 私たちは、欠席学生と地域感染を調整しながら、半機械論的なベイジアン階層モデルを使用して病気の感染をモデル化しました。

唾液（21/262陽性）および浮遊サンプル（10/130）の分子分析により、研究全体を通じてSARS-CoV-2（週平均ウイルス濃度0.6コピー/L）が検出され、場合によっては他の呼吸器ウイルスも検出された。 全体の 1 日平均 CO2 レベルは 1,064 ± 232 ppm (± 標準偏差) でした。 介入なしの場合の 1 日平均エアロゾル数濃度は 177 ± 109 1/cm3 で、マスク着用義務により 69% (95% CrI 42% から 86%) 減少し、空気清浄機使用により 39% (95% CrI 4% から 69%) 減少しました。 介入なしと比較して、マスク着用義務の場合の感染リスクは低く（調整後オッズ比 0.19、95% CrI 0.09 ～ 0.38）、空気清浄機使用時（1.00、95% CrI 0.15 ～ 6.51）と同程度でした。

研究の限界には、影響を受けやすい学生の数が時間の経過とともに減少するため、期間によって交絡が起こる可能性が含まれます。 さらに、空気感染による病原体の検出は文書に暴露されるが、必ずしも伝染するわけではない。

空気感染およびヒトの SARS-CoV-2 の分子検出により、学校での持続的な感染が示されました。 マスクの義務化は、空気清浄機よりもエアロゾル濃度の大幅な低減と感染の低減に関連していた。 私たちの複数の測定アプローチは、呼吸器感染症の伝播リスクと、学校やその他の集団の場での感染制御対策の有効性を継続的に監視するために使用できます。

引用： Banholzer N、Zürcher K、Jent P、Bittel P、Furrer L、Egger M、他。 (2023) スイスの学校におけるマスク着用または空気清浄機の有無による SARS-CoV-2 感染: 疫学、環境、分子データのモデリング研究。 PLoS Med 20(5): e1004226。 https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226

学術編集者:アジズ・シェイク、エディンバラ大学、英国

受け取った：2023 年 1 月 19 日。受け入れられました:2023 年 3 月 28 日。公開日:2023 年 5 月 18 日

著作権: © 2023 バンホルツァー他これは、クリエイティブ コモンズ表示ライセンスの条件に基づいて配布されるオープン アクセスの記事です。このライセンスでは、元の著者と情報源がクレジットされている場合に限り、あらゆる媒体での無制限の使用、配布、複製が許可されます。

データの可用性:個人データの利用には制限が適用されますが、参加者の機密性を維持するために必要です。 データは合理的な要求に応じて入手できます。連絡先: ベルン大学、[email protected]。 他のすべてのデータは、原稿および付随するサポート情報に含まれています。 コードは https://github.com/nbanho/mcid で入手できます。

資金提供:この研究は、スイスのベルンにあるベルン大学の学際的感染症センターから資金提供を受けています。 NB、LF、および ME は、協力協定 5U01-AI069924-05 を通じて国立アレルギー感染症研究所 (NIAID) によってサポートされています。 ME は、スイス国立科学財団からの特別プロジェクト資金によって支援されています (助成金 32FP30-189498)。 資金提供者は、研究の設計、データの収集と分析、出版の決定、原稿の準備には何の役割もありませんでした。

競合する利益：私はジャーナルの方針を読みましたが、この原稿の著者は次のような競合する関心を持っています: ME は PLOS Medicine の編集委員を務めています。 すべての著者は、競合する利益は存在しないと宣言しています。

略語: CrI、信頼区間。 COVID-19、コロナウイルス感染症 2019; CT、サイクル閾値。 MCMC、マルコフ連鎖モンテカルロ。 NUTS、ノー U ターン サンプラー。 SARS-CoV-2、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2。 VGL、ウイルスゲノムロード。 VTM、ウイルス輸送媒体

重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2 (SARS-CoV-2) やインフルエンザなどの呼吸器感染症の蔓延は制御が困難です [1]。 人から人への感染は主に、100 μm を超える大きな飛沫を介するのではなく、それぞれの病原体を含む呼気呼吸粒子、特にエアロゾル (100 μm 未満の呼吸粒子として定義 [2,3]) を介して起こります。 複数の報告により、SARS-CoV-2感染のかなりの部分が小さな呼吸器粒子（5μm未満、微細エアロゾルとも呼ばれる）を介して起こる可能性が高く、より長い浮遊時間と近距離（1～2メートル）での空気感染が可能であるという証拠が提供されている。 ) および長距離 (>2 m) [4–6]。 増え続ける証拠は、それらが診療所、職場、学校などの屋内の集団環境におけるSARS-CoV-2の全体的な蔓延に重要な寄与をしていることを示唆している[3、6-8]。

2019年コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミック中、世界中の公的当局は企業や学校を閉鎖しました[9,10]が、学校の閉鎖については特に議論がありました。 学校閉鎖が生徒の幸福と精神的健康に与える悪影響は十分に文書化されているが[11]、SARS-CoV-2の伝播における子供と青少年の役割はあまり明らかではない[12]。 ドイツでの研究では、学校での接触が人口におけるSARS-CoV-2の全体的な伝播に2%から20%寄与していると推定されている[13]。 人口レベルでの政府介入の有効性に関する研究は、さまざまな流行波における学校閉鎖の影響に関して決定的なものではない[10、14]。 学校におけるフェイスマスク着用の義務化[13,15]と換気の改善[15]は、新型コロナウイルス感染症の発生率の低下と関連していた。 さらに、ポータブル HEPA 空気濾過装置 (空気清浄機) を設置すると、病棟内の SARS-CoV-2 バイオエアロゾルが除去されることが示されています [16]。 最後に、屋内空間で吐き出された SARS-CoV-2 バイオエアロゾルのシミュレーション研究により、エアロゾル削減におけるマスク着用と携帯用空気清浄機の有効性が実証されました [17]。

私たちは複数の測​​定アプローチを使用して、学校の教室における SARS-CoV-2 およびその他の呼吸器ウイルスの感染を研究しました。 私たちは、私たちのアプローチが感染（バイオエアロゾルへの曝露と疫学データによって示される）を実証する可能性があり、感染制御策（マスク着用と空気清浄機）によりエアロゾルと呼吸粒子の濃度が低下し、教室での生徒の感染リスクが低下する可能性があると仮説を立てました。 。 私たちは、2022 年 1 月から 3 月までの 7 週間の研究期間にわたって、疫学 (呼吸器疾患の症例)、環境 (CO2、エアロゾル、粒子濃度)、分子データ (バイオエアロゾルおよびヒトの唾液サンプル中の呼吸器ウイルスの検出) を収集しました。スイスの中学校。 私たちは、環境および分子の特性の変化を分析し、感染予防策（一般的なマスクの着用と空気清浄機）の有無にかかわらず、3つの異なる研究条件下でのSARS-CoV-2の感染確率を推定しました。

私たちは、2022 年 1 月 24 日から 3 月 26 日（学校 1）と 3 月 18 日（学校 2）までの 7 週間の調査期間にわたって、2 つの中学校（生徒の年齢は 13 ～ 15 歳）でデータを収集しました。両校はカントン州にあります。スイスのゾロトゥルンにあり、1,500 人（学校 1）と 700 人（学校 2）の生徒がいます。 疫学データは5つのクラス（第1校：クラスA/B、C、第2校：クラスD、E）で収集され、環境および分子データは2つの教室（第1校：A/B、第2校：D）で収集されました。 ）。 1校目は半数授業のためA・Bの2クラスが同じ教室を使用しました。 図 1 は、概略的な研究セットアップを示しています。 この研究は、疫学における観察研究の報告の強化 (STROBE) ガイドライン (S1 チェックリスト) に従って報告されています。

各学校で環境データを収集した教室の概略的な研究セットアップ。 空気清浄機は教室の前に 1 台、教室の後ろに 1 台設置されました。 すべてのデバイスは、生徒が座っているときの頭の高さに配置されました。 どちらの教室にもアクティブ HVAC (暖房、換気、空調) システムは装備されていませんでしたが、パッシブ窓換気を使用して換気されていました。 学校 1 では、上部にある小さな窓の CO2 誘導オープナーによって換気がさらに補助されました。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.g001

私たちは 3 つの条件を区別しました (図 2): (i) 当時の公衆衛生当局によって義務付けられていたフェイスマスクの着用 (マスク義務。通常はタイプ II およびタイプ IIR マスクですが、地域のマスクも許可されていました)。 (ii) マスク義務解除後の標準状態（介入なし）。 (iii) 市販のポータブル HEPA 濾過装置を使用した環境介入 (空気清浄機、Xiaomi Mi Air Pro 70m2、中国深セン、装置あたり約 250 米ドル、2 × 600 m3/h の清浄空気供給速度で動作)。 マスク着用義務はすべてのクラス（教師を含む）に適用され、一般によく遵守されました。 学校 2 では、マスク着用は義務が解除された後 (第 4 週) 1 週間継続されました。 空気清浄機はバイオエアロゾルと環境サンプリングを備えた 2 つの教室にのみ設置されました。 受動的な窓換気は、すべての研究条件中、国の公衆衛生当局の推奨に従って行われました。

(a)7週間の学習期間にわたる学習条件。(b)研究期間中のゾロトゥルン州における全年齢層の新型コロナウイルス感染症新規感染者数（7日間移動平均）と再生産数（公表推定値中央値の平均）[18]。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.g002

ベースラインでは、参加クラスの年齢、性別、新型コロナウイルス感染症ワクチン接種状況に関する集計データを収集しました。 私たちは、おそらく COVID-19 に関連する病気のために学校を欠席した生徒の報告数に基づいて、COVID-19 の疑い症例と確認症例の数に関するデータを推測しました (S1 付録のテキスト C および表 A ～ E)。 欠席に関する報告は、REDCap データベースに電子的に入力されました [19,20]。 両校は週に一度のSARS-CoV-2検査に参加した。 唾液サンプルは研究室に輸送され、さらに処理されるまで-80℃で保管されました[21-23]。

CO2 と粒子の測定。 空気質装置（AQ Guard、Palas GmbH、カールスルーエ、ドイツ）は、室内 CO2 レベル、エアロゾル数濃度（粒子径 175 nm ～ 20 μm）および粒子質量濃度（PM 単位 μgm-3、PM1、PM2.5）を継続的に測定しました。 、ＰＭ４、ＰＭ１０、すなわち、サイズが１μｍ未満から１０μｍ未満の粒子）。 このデバイスは以前の研究で使用されています [24,25]。 データは、生徒が教室にいた時間に応じてフィルタリングされ、窓が開いた時間とともに監視されました。

バイオエアロゾルのサンプリング。 私たちは教室でバイオエアロゾルサンプリング装置（BioSpot-VIVAS、Aerosol Devices、フォートコリンズ、コロラド州、アメリカ合衆国）を使用して浮遊呼吸器ウイルスを収集しました。 この装置は、層流水ベースの凝縮法を使用して、浮遊ウイルス粒子をウイルス輸送媒体 (VTM) にサンプリングします。 並行して、臨床現場で以前に報告されているように、Coriolis Micro Air (Bertin Instruments Montigny-le-Bretonneux、フランス) サンプラーも使用し、200 l/min で実行し、15 mL PBS に収集しました。 BioSpot-VIVAS はレッスン全体を通じて稼働しましたが、Coriolis Micro Air は騒音暴露を減らすために休憩時間の直前と休憩時間中にのみ稼働しました (1 日あたり約 60 分)。 両方のサンプリング装置の取り外し可能な部品は、汚染を避けるために定期的にオートクレーブ滅菌されました。 一日の終わりに、サンプルは感染症研究所 (IFIK) に輸送され、-80°C で保管されました。 研究期間の終わりに、Xiaomi HEPA フィルターを慎重に取り外し、各フィルターから 20 本の綿棒を採取し、さらに処理するまで -80°C で保管しました。

リアルタイム (RT)-PCR 分析の前に、毎日のバイオエアロゾル サンプルを各サンプリング デバイスで組み合わせ、Ultracel 10,000 ダルトン分子量カットオフ フィルター (UFC9010; MilliporeSigma、米国バーリントン) を備えた Amicon Ultra-15 遠心フィルターを使用してろ過しました。量は1mL。 ヒトの唾液サンプルは、事前の濾過を行わずに直接分析されました。 Allplex RV Master Assay (Seegene、ソウル、韓国) を使用して、SARS-CoV-2 を含む 19 種類の呼吸器ウイルスのパネル (S1 付録のテキスト A) を検出しました。 検体のウイルスゲノム負荷（VGL）は、標準化された希釈系列を使用して定量され、ゲノム等価コピー/Lで報告されました。 陽性サンプルについては、ウイルス RNA の標的配列決定を実行し、空気中で検出された SARS-CoV-2 株とヒトサンプルの間の遺伝的関連性を比較しました [27]。 しかし、RNA 濃度が低かったため、バイオエアロゾルサンプル中の遺伝子標的を増幅して配列決定することはできませんでした。

新型コロナウイルス感染症の 1 日あたりの新規感染者数は、学校を欠席した生徒の数に基づいて推定されました。 確定症例とは、臨床検査結果が陽性または隔離されたことによる欠席を指します。 疑いのある症例は、おそらく新型コロナウイルス感染症に関連した病気による欠勤に言及していた。 その他の既知の理由による欠席は除外されました。 私たちは、確率論的シミュレーション アプローチ (S1 付録のテキスト D) を使用して、新型コロナウイルス感染症の疑いのある症例の数と、必ずしも学生によって報告されるわけではない症状の発症日を推定しました。 新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の毎日の新規感染者数について 100 のデータセットを生成しました。 その後の分析はこれらのデータセットのそれぞれに対して実行され、特に記載がない限り、推定結果の平均を報告します。 教師は複数のクラスを教えており、暴露状況が異なるため、教師の症例は除外されました。

1 日あたりの平均濃度を計算し、これらを研究条件間で比較しました。 平均±標準偏差を報告します。 さらに、ベイジアン対数線形回帰モデル (S1 付録のテキスト H) を使用して、換気量 (屋内 CO2 レベルから計算。S1 付録のテキスト I を参照)、クラスの 1 日あたりの生徒数を調整して、濃度の減少を推定しました。学校や平日の影響。

私たちは、ベイズ半機械論的階層モデル [9] (図 3) を使用して SARS-CoV-2 の毎日の感染を推定しました。 (i) 各クラスおよび日の感染しやすい生徒の関数として新規感染者数をモデル化しました。感染の確率は研究条件によって異なります。 (ii) 介入の推定効果を、欠席生徒全員の 1 日あたりの割合と地域社会の実効再生産数に合わせて調整しました。 (iii) 新規感染者数は、過去数日間の新規感染者数の加重合計として計算されました。 (iv) 感染しやすい生徒の数は、すでに感染している生徒の数を除いて計算されました。

(1) 新規感染者数は、感染しやすい生徒の数、クラス別の 1 日あたりの感染率、および積極的な感染予防策による減少の関数としてモデル化されました。 (2) 制御措置の効果は、地域社会での感染とクラスの生徒の割合に合わせて調整されました。 (3) 観察された新規感染者数は、過去数日間の新規感染者数の加重合計として計算されました。 (4) 感染しやすい生徒の数は、生徒の総数から過去数日間の感染者数の累計を引いたものとして計算されました。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.g003

伝送モデルの詳細な説明とすべてのモデル パラメーターの事前分布の選択については、S1 付録のテキスト E に記載されています。 モデルパラメータはベイジアンアプローチで推定されました (S1 付録のテキスト F)。 具体的には、マルコフ連鎖モンテカルロ (MCMC) サンプリングが、ノー U ターン サンプラー (NUTS) を使用したハミルトニアン モンテカルロ アルゴリズムによって実装されたように使用されました [28]。 特に明記されていない限り、事後平均と信頼区間 (CrIs) は、それぞれ事後サンプルの 50%、80%、および 95% 分位数に基づいて報告されます。 介入の有無での推定感染数の差を計算することにより、各介入で回避された感染の総数を推定しました（反事実シナリオ）。

すべての分析は R ソフトウェア (バージョン 4.2.0) [29] で実行され、モデリングは Stan (バージョン 2.21.0) [30] で実行されました。 コードは https://github.com/nbanho/mcid から入手できます。

スイスのベルン州の倫理委員会はこの研究を承認した（参照番号2021–02377）。 唾液サンプルについては、参加する意思があり、保護者から書面によるインフォームドコンセントを得た学生全員を対象にしました。

研究対象者は 90 名の学生 (女性 39 名、男性 51 名、表 1) で構成されていました。 このうち、27 人の学生は完全にワクチン接種を受けており、34 人の学生は昨年以内に感染症から回復しました。 7 週間の学習期間（合計 3,150 日）で、生徒は 644 日（全体の 20%）学校を欠席し、そのうち 147 日（欠席の 23%）は新型コロナウイルス感染症に関連した隔離によるものでした。 247 名（欠席の 38%）は病気によるものでした。 全体として、新型コロナウイルス感染症の確定症例は 35 名、疑い症例は 73 名で、一部のクラスの生徒数を上回っていました（S1 付録の表 C）。 これは、学生が二度感染した可能性は低いため、疑わしい症例の一部のみが実際に新型コロナウイルス感染症に感染したことを示唆しています。 したがって、学校全体の実際の 新型コロナウイルス感染症症例数は 55 人（95% CrI 35 ～ 76）と推定されました。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.t001

私たちは、2 つの教室で、262 個の唾液、130 個のバイオエアロゾル サンプル、および空気清浄機のフィルターからの綿棒 (フィルターあたり 20 個の綿棒) を分析しました。 全体として、21 件の唾液陽性サンプルと 10 件の空気感染サンプルが陽性でした。 SARS-CoV-2、アデノウイルス、インフルエンザウイルスが検出されました（表 2 および S1 付録の表 AB）。 SARS-CoV-2 は、陽性の唾液 (21 件中 19 件) およびバイオエアロゾルサンプル (10 件中 9 件) の大部分を占めていました。 同じ週に 4 つの陽性空気唾液サンプル (3 つの SARS-CoV-2 と 1 つのアデノウイルス) が見つかり、これらはペアのサンプルであることが示唆されました。 空気清浄機のHEPAフィルターからもSARS-CoV-2やインフルエンザウイルスが検出されました。 1週間あたりの陽性の唾液および空気中のSARS-CoV-2サンプルの数は、研究条件によって異なりました（図4A）。 介入がなければ、1週間あたりの陽性サンプルの割合は、唾液サンプルで11.5％、空気感染サンプルで8.1％でした。 これらの割合は、マスク着用義務（唾液：5.7％、空気：7.1％）や空気清浄機（唾液：7.7％、空気：5.0％）では低かった。 陽性サンプルの週平均ウイルス濃度は 0.6 コピー/L でした。 研究条件間ではウイルス濃度にも差がありました（図 4B）。 介入がなかった場合、それは週あたり1リットルあたり1.1コピーであり、これはマスク義務付け（週あたり0.7コピー/L）および空気清浄機（週あたり0.1コピー/L）よりも高かった。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.t002

(a)空気感染サンプル（実線）と唾液サンプル（破線）の陽性サンプルの割合（週当たりの平均）。(b)BioSpot-VIVAS からの陽性空気浮遊サンプル中のウイルス濃度 (週あたりの平均)。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.g004

粒子濃度は研究条件によって異なりました (図 5A)。 エアロゾル数濃度は、介入なしの場合（177 ± 109 1/cm3）よりも、マスク着用義務（平均 49 ± 52 1/cm3 標準偏差）および空気清浄機（84 ± 56 1/cm3）の方が低かった。 同様に、粒子質量濃度（例：PM1）は、介入なしの場合（6.9 ± 4.1 μgm-3）よりも、マスク義務付け（2.0 ± 1.6 μgm-3）および空気清浄機（3.8 ± 2.9 μgm-3）の方が低かった。 全体の 1 日平均 CO2 レベルは 1,064 ± 232 ppm でした。 介入なしの場合の CO2 レベル (953 ± 198 ppm) は、マスク着用義務 (1,155 ± 237 ppm) および空気清浄機 (1,088 ± 224 ppm) よりわずかに低く、屋外の空気交換による換気の増加を示しています (S1 付録の図 I)。介入なしとマスク義務（0.03、95% CrI -0.07 ～ 0.12）および介入なしと空気清浄機（0.00、95% CrI -0.11 ～ 0.11）の間の窓が開いている時間の 1 日あたりの割合の差は、ゼロと区別できませんでした。 。 さまざまな換気量、クラスの生徒数、学校効果、平日の効果を調整すると、エアロゾル数濃度はマスク着用義務により 69% (95% CrI 42% ～ 86%) 減少し、39% (95% CrI) 減少しました。 4% ～ 69%) エアクリーナー付き (S1 付録の図 5B および表 H)。 より小さな粒子（PM1 および PM2.5）の濃度はマスク着用義務中にさらに減少し、より大きな粒子（PM4 および PM10）の濃度は空気清浄機中にさらに減少しました。

(a)エアロゾル数濃度 (CN、1/cm3) と粒子質量濃度 (サイズ <1 ～ <10 μm の粒子の PM、それぞれμgm-3) の毎日の平均値の箱ひげ図。 CO2 およびその他の環境変数の結果は、S1 付録のテキスト J に記載されています。(b)介入によるエアロゾル数と粒子質量濃度の推定減少（事後平均を点、50%、80%、95% CrI を線）。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.g005

新型コロナウイルス感染症の累積症例数は介入がなかったすべてのクラスで大幅に増加し、学校 2 のクラス D を除き、空気清浄機が設置されるまでに学校 1 では大多数の生徒が感染していました (図 6A)。 ベイジアン感染モデルに基づくと、感染確率は介入なしよりもマスク着用義務の方が低く（調整後オッズ比 0.19、95% CrI 0.09 ～ 0.38）、空気清浄機の場合と同程度でした（1.00、95% CrI 0.15 ～ 6.51）。 モデルから疑わしい症例を除外すると、これらの確率は、マスク義務（0.21、95% CrI 0.08 ～ 0.50）と空気清浄機（0.98、95% CrI 0.14 ～ 6.74）の両方で同様でしたが、不確実性が大きくなりました。 確定例と疑い例の両方を考慮すると、マスク義務はかなりの数の回避された感染症（9.98、95% CrI 2.16 ～ 19.00）と関連していましたが、空気清浄機とは関連していませんでした（図 6B）。 追加の分析として、修正されたウェルズ・ライリー方程式 [31] を使用し、放出された感染量子の速度の変化がエアロゾル数濃度の推定減少量に比例する一方、他のパラメーターはすべての研究条件下で一定に保たれたと仮定しました。 (S1 付録のテキスト K)。 したがって、6時間の授業における1日当たりの感染リスクは、マスク着用義務では1.0％（95％CrI 0.4％～1.9％）、空気清浄機着用では1.9％（95％CrI 1.0％～3.0％）であったのに対し、マスク着用義務では1.9％（95％CrI 1.0％～3.0％）となった。介入なしのリスク% (S1付録の図J)。

(a)疑わしい症例と症状の発症日の不確実性を考慮した確率的シミュレーション後の各学校クラスの推定平均累積症例数 (S1 付録のテキスト D)。 赤い点線はクラスごとの生徒数を示します。 確率的シミュレーション後の推定新規症例数と、観測された新規確定症例および疑い症例の数との比較を、S1 付録の図 C に示します。(b)ベイジアン階層伝播モデルに基づく、学校全体の介入に関連して回避された感染者数の推定値（点は事後平均、網掛け部分は50%、80%、および95% CrI）。 詳細な推定結果は、S1 付録のテキスト G に記載されています。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.g006

私たちは疫学、環境、分子データを収集して学校における呼吸器感染症の伝播を推定し、感染制御対策との関連を評価しました。 SARS-CoV-2 の空気感染の検出により、SARS-CoV-2 の持続的な感染が証明されました。 一般的なマスク着用が義務付けられている場合のバイオエアロゾル SARS-CoV-2 濃度は低く、空気清浄機のフィルターから SARS-CoV-2 が検出されました。 どちらの介入も、エアロゾル数と粒子質量濃度の大幅な低下に関連していました。 疫学データを用いたベイジアン感染モデルでは、マスク義務によりSARS-CoV-2感染は回避されたが、空気清浄機は回避されないと推定された。

私たちの研究は、学校における SARS-CoV-2 の空気感染の検出を実証しました。 感染性バイオエアロゾルのサンプリングと分子検出は困難であり、合意された基準もありません[16、32、33]が、呼吸器病原体の空気感染に関する重要な証拠を提供します。 これまでのところ、SARS-CoV-2の浮遊サンプル中のウイルスRNAは主に病院や医療施設で発見されている[34]。 南アフリカの 2 つの学校で行われた関連研究では、空気中の結核菌が検出されました [35]。 結核は、新型コロナウイルス感染症のパンデミック以前には、感染症による世界の主な死亡原因でした。 空気感染と介入の有効性についての理解が深まることは、両方の感染症の制御に利益をもたらす可能性がある[36]。 私たちの研究は、空気感染および生徒の唾液サンプルに基づいて、SARS-CoV-2 ウイルスの空気感染と学校での介入の潜在的な影響に関する証拠を提供します。 私たちの研究では、陽性サンプルのほとんどは SARS-CoV-2 に関連していましたが、アデノウイルスやインフルエンザなどの他の呼吸器ウイルスが検出されることもありました。 研究中の一般的な公衆衛生対策により、他の呼吸器ウイルスの蔓延が抑制された可能性があります。 RT-qPCR 結果の高いサイクル閾値 (CT) が示すように、検出されたウイルス濃度が低かったことにも注意する必要があります。 他のウイルス病原体の分子的存在を排除することはできません。 分子アッセイによる空気感染病原体の検出感度が低いことは、十分に文書化された課題である[16,33]。

実験研究では、閉鎖された屋内空間で模擬呼気SARS-CoV-2バイオエアロゾルを使用した感染制御対策（普遍的なフェイスマスクの着用と空気清浄機）の有効性が実証された[17]。 対照的に、私たちは現実の環境で感染制御対策を研究し、複数の測定アプローチを使用してその有効性を実証し、同様の結果を得ました。 私たちの調査結果は、マスクの使用 [13,15] と換気の改善 [15] が行われている学校では、新型コロナウイルス感染症の発生率が低いことを示す集団レベルの研究から得られた既存の証拠とも一致しています。 同様に、実地調査では、大学の建物内で適切な換気を行うと、厳密に空気感染する病気である結核の発生率の低下に関連していることが示されました[37]。 まとめると、これらの発見は、混雑した屋内環境での呼吸器感染症の空気感染に対処するための複数の介入戦略を支持する議論を裏付けています[38]。

室内の換気は空気感染の重要な決定要因の 1 つです [2,3]が、学校は換気が不十分なことがよくあります [24,39]。 私たちは、病院 [16] や模擬屋内環境 [17] における空気清浄機の有効性に関する調査結果と一致して、より大きな粒子とより小さな粒子の両方の濃度が空気清浄機の方が低いことを示しました。 空気清浄機のフィルターでウイルスが検出されたことは、バイオエアロゾルの効果的な除去に関する証拠をさらに裏付けています。 しかし、空気清浄機はおそらく大部分の学生がすでにSARS-CoV-2に感染していると思われる研究期間の終わりに設置されたため、空気清浄機の設置後の感染の変化を推定することは困難であった。 さらに、空気清浄機は教室の外（休み時間や授業外など）での感染を防ぐことができず、一般的なマスク着用義務に従ってすべての屋内環境で着用が義務付けられていたマスクと比較すると、その有効性が制限されている。 さらに、エアロゾルの物理化学的特性、環境要因、感染者との距離によって、浮遊粒子の生存と時間の経過による感染力の喪失が決まります[3]。 したがって、学校環境におけるSARS-CoV-2の近距離高粒子密度エアロゾル伝播が優勢であることは、なぜ空気清浄機が伝播の減少に関連していないのかをさらに説明できる可能性がある。 私たちの研究では、大型の掃除機ではなく、大規模に導入できるポータブルで手頃な価格の空気清浄機を使用しました [25]。 騒音への曝露と教師による受け入れの欠如[40]により、依然としてその普及が妨げられる可能性があります。 具体的には評価されていませんが、短い調査期間中に当社の空気清浄機は十分に受け入れられていることがわかりました。 それにもかかわらず、長期的には空気清浄機よりも専門的な建物換気システムへの投資が優先されるべきです[41]。

新型コロナウイルス感染症のパンデミック中の学校閉鎖については、子供や青少年がそのような介入による幸福や精神的健康への悪影響を特に受けやすいため、激しく議論されている[11]。 さらに、SARS-CoV-2の感染における子供の役割については数多くの研究が調査されている[12]が、学校でSARS-CoV-2の感染がどの程度発生しているのかは依然として不明である[42]。 これらの発見は、学童が季節性インフルエンザの流行を牽引している可能性があることを示すインフルエンザウイルスの研究とは対照的である。 米国の地域社会研究では、子供と青少年のインフルエンザ感染率が学校で高く、学校ではインフルエンザウイルスが家庭内や地域社会に容易に感染することが実証されている[43-45]。 私たちの研究は、SARS-CoV-2の感染も学校でかなりの範囲で発生していることを示唆しています。

私たちの研究にはいくつかの限界があります。 まず、エアロゾル測定とバイオエアロゾルサンプル中の病原体の分子検出は曝露を記録しますが、伝播と伝播の方向（人から空気、空気から人）については記録しません。 それにもかかわらず、唾液と空気中のサンプルの組み合わせは、感染した生徒が感染性粒子を空気中に吐き出したことを示唆しており、学校の室内でのかなりの感染リスクを示しています。 第二に、研究条件間のウイルス濃度の比較は、バイオエアロゾルサンプル中の分子検出の技術的限界と、感染の可能性がある（したがって感受性のある）学生の数が研究の終わりに近づくにつれて減少するため、慎重に解釈する必要があります。 第三に、我々の疫学分析は観察データに基づいているため、地域社会における新型コロナウイルス感染症の発生率（週あたりの感染者数）が調査期間中に変動するなど、潜在的な交絡の影響を受ける可能性があります。 ただし、レベルは全体的に高く、2 つの Omicron サブバリアント ピークが含まれていました。 ベイズ伝播モデルではコミュニティ伝播も考慮されました。 このモデルでは CO2 レベルは考慮されていませんでしたが、介入がなければレベルはわずかに低かったため、介入段階での換気量の低下により、マスク義務と空気清浄機の推定有効性が実際に低下した可能性があることが示唆されています。 第四に、欠席した学生の間で新型コロナウイルス感染症が過小報告されているため、疫学データが必ずしも完全であるとは限りません。 そこで、我々は確率論的なアプローチを用いて、実際の新型コロナウイルス感染症の疑い例の割合と、報告されていない症状の発症日を推定した。 これにより、観察されたデータの不確実性を考慮することができますが、不確実性の間隔が大きくなると、介入の推定効果の精度が低くなります。 第 5 に、学習条件の順序はクラス全体で同じでした。これは主に、私たちの学習期間が一般的なマスク義務の解除と一致したためです。 したがって、感染対策の有効性はそのタイミングによって影響を受ける可能性があります。 将来の研究では、クロスオーバーデザインを使用して各クラスでの介入の順序を変える可能性があります。 これにより、クラス間のデータのばらつきを利用でき、タイミングの影響を軽減できます。 最後に、私たちの研究デザインでは、時間の経過に伴うクラス内の変動のみを分析できました。 したがって、私たちはクラス間の変動を分析しませんでしたが、学校 2 では CO2 レベルの低下や透過などのいくつかの違いが観察されました。これらの違いは、私たちの研究では測定されていない学校固有の要因によって説明される可能性があります。

結論として、疫学、環境、分子データを使用した我々の研究は、参加した学校で SARS-CoV-2 のかなりの伝播が発生したことを示唆しています。 一般的なフェイスマスクの着用は、SARS-CoV-2 感染の減少と感染の予防に関連していました。 介入の有効性は、エアロゾル濃度の大幅な減少によって裏付けられました。 総合すると、我々の結果は、感染予防策が学校の教室での呼吸器感染症の伝播を減らすことができることを示唆しています。 将来の研究では、呼吸器感染症の伝播を減らすための感染制御措置の有効性を評価するために、複数の測定アプローチが使用される可能性があります。 理想的には、これらのデータは定点学校で定期的に収集され、それによって感染リスクを継続的に監視し、感染防止措置を講じるべきときに保健当局に警告する必要があります。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.s001

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テキスト A. 実験室および分子分析の詳細。 テキスト B. 症例および分子データの概要。 テキスト C. 縦断症例データ。 テキスト D. 症例データの確率的シミュレーション。 テキスト E. 伝播と感染制御対策の効果の推定。 テキスト F. モデル パラメーターの推定。 テキスト G。伝送モデルの詳細な結果。 テキスト H. 粒子濃度の変化の推定。 テキスト I. 再呼吸空気量と換気量の計算。 テキスト J. 環境変数の変化の結果。 テキスト K. 修正された Wells-Riley 方程式を使用した SARS-CoV-2 の感染リスクのモデル化。 図A. 疑わしい症例のうち、実際の新型コロナウイルス感染症の症例である割合。 図 B. 症状の発症から消失までの遅延に関する経験的分布と近似分布。 図 C. 新型コロナウイルス感染症の報告症例と推定症例の比較。 図 D. 介入なしで感染する確率の事前計算。 図 E. 潜伏期間の事前の選択。 図 F 経時的な推定発生率。 図 G. モデルおよびシミュレーションに基づいた 新型コロナウイルス感染症感染者数の推定値。 図 H. 介入により回避された感染の推定数。 図 I. 学校および学習条件別の環境変数の箱ひげ図。 図 J. 修正されたウェルズ・ライリー方程式を使用した感染リスクの推定。 表 A. 学校 1 で報告された 新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の症例、唾液、および空気感染サンプル 表 B. 学校 2 で報告された新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の症例、唾液、および空気感染サンプル 表 C. 研究対象集団の概要、新型コロナウイルスの数-各学習クラスの欠席数は 19 件、人日。 表 D. 学校 1 の研究期間中の確定症例および疑い症例のリスト。 表 E. 学校 2 の研究期間にわたる確定症例および疑い症例のリスト。 表 F. モデル パラメーターの事前の選択。 表 G. 伝送モデルからの推定結果。 表 H. 介入によるエアロゾルおよび粒子濃度の推定減少量。

https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1004226.s002

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研究に参加した学校、教師、学生に感謝します。 また、研究全体を通してご支援いただいたゾロトゥルン州教育局にも感謝いたします。 最後に、学校でのデータ収集を手伝ってくれた学生アシスタントに感謝します。

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