奇美拉丨空气层流洁净系统也无法阻挡奇美拉的传播

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翻译：孔懿
审核编写：李若洁



自2012年苏黎世医院发现被污染的变温水箱系统引起心脏手术患者病人发生奇美拉分支杆菌感染，引起了国内外的广泛关注。那曾经大家认为安全的空气层流洁净系统能有效独挡奇美拉分支杆菌的传播吗？下面这篇报道告诉你！


尽管采用空气层流洁净系统（超洁净空气通风），心脏手术中变温水箱内的奇美拉分枝杆菌仍发生空气传播


最近发现外科手术中使用的变温水箱（Heater-cooler units, HCUs）是多起奇美拉分枝杆菌（Mycobacterium chimaera）手术切口感染的污染源。研究者通过以下实验证明了致病菌从变温水箱扩散到手术区的空气传播途径，在配备空气洁净层流系统的手术室（简称洁净手术室）进行烟雾扩散实验、粒子计数实验，整个实验过程全程录像，在非洁净手术室进行奇美拉分枝杆菌的沉降实验。


烟雾在23秒钟内就穿过洁净空气气流到达手术区。变温水箱在关闭、工作/朝向手术台、工作/背离手术台三个状态下，在手术区分别平均5.2粒子/分钟、139粒子/分钟、14.8粒子/分钟。培养皿同样在距离变温水箱5米的范围内培养出奇美拉分枝杆菌。


以上均证明即便在洁净手术室，奇美拉分枝杆菌气溶胶也可以通过空气传播从污染的变温水箱传递到开放的手术野。为减少外科手术中的感染风险，应重视来自水资源的污染，以及在手术中使用能产生气流的装置。


材料与方法


设置
整个实验在2014年苏黎世大学医院（苏黎世，瑞士）开展。这是一家800张床位的综合性教学医院。


变温水箱
整个实验使用了一台单模式的变温水箱，其型号为Model 3T, 由Sorin公司, 在意大利米兰生产。变温水箱的水箱由两部分组成，一个承装热水，一个承装冷水。源自两个水箱的水持续的通过两条循环系统（由管路和热交换器组成）连接体外循环仪。热水循环用于保持患者的血液温度，而冷水循环则是帮助心脏停搏液降温。所以整个手术过程中水箱水温范围在2℃到41℃。非工作状态水箱中水温将恢复室温。在水箱的下部安装了一个散热器帮助驱散产生冷水时多余的热量。散热器是通过一个产生持续不断的气流的风扇运作，气流可通过变温水箱的通风栅进入环境中（图1）。


图1. 在洁净手术室进行开胸手术时，奇美拉分枝杆菌的传播途径中变温水箱的原理图。蓝色尖头代表冷水循环，红色箭头代表热水循环和患者血液循环。


心脏手术室和空气洁净系统
手术室的面积为6m*7m，层高3m。天花板上安装的空气洁净系统的面积为2m*2.4m，HEPAH14高效过滤网（2014年12月14日经过质量鉴定），其风速为0.24m/s。


烟雾扩散实验
烟雾扩散器放置在距离变温水箱通风栅水平和垂直均0.2米处，并朝向手术台的位置。对变温水箱工作时，风扇形成的气流的两个方向进行检测：一、变温水箱的风扇的空气流动的方向朝向手术台；二、变温水箱的风扇的空气流动的方向背离手术台。整个实验过程被两台安置在视线高度水平90度的摄像机全程拍摄。


粒子计数实验
激光粒子计数器安装在开胸手术的手术野位置，并在层流装置2米下，采样口朝上。变温水箱安置在通常的位置，距离手术台2m的位置。检测三种状态下，手术区的粒子数：一、关机状态（获得背景值）；二、变温水箱风扇朝向手术台；三、变温水箱风扇背离手术台。粒子计数器空气采样的速度为1.0英尺／分钟，采集4分钟。最后根据尘埃粒子的6个大小等级统计粒子的总数。


奇美拉分枝杆菌的沉降实验
使用一台已检测到水中含有奇美拉的变温水箱进行实验。变温水箱安置在一间不通风的房间里的中央（房间面积为4m*7m，高2.8m）。在洁净手术室进行污染实验是不被允许的。采样使用被动沉降法，采样培养皿为Middlebrook 7H11 agar culture plates （直径10cm），三个平皿分别放置在距离变温水箱3米、4米和5米的一条直线上，同时变温水箱风扇的方向朝向平皿。在楼下两层同样的房间里做相同的设置，除了没有变温水箱。平皿暴露4小时，然后用石蜡膜密封，裹在塑料袋中以防干燥，立即送实验室，37℃，培养7周。最终得到分枝杆菌的菌落数。


结果


烟雾扩散实验
第一种情况，变温水箱的风扇吹出的气流方向背离手术台，烟雾被手术室墙上的回风口给驱散。第二种情况，变温水箱朝向手术台，烟雾将飘离变温水箱，并沿30-60度向上攀爬。13秒后，进入层流装置0.5下的位置，层流的风速为0.23m/s。烟雾在10秒到达手术野，其最终平均速度为0.15m/s（图2）。


粒子计数实验
变温水箱关闭的状态（5分钟内），激光计数器每分钟捕获5.2个粒子（范围在1-12粒子／分钟）。变温水箱工作情况下，风向朝向手术台，5分钟后，检测到139粒子／分钟（范围在62-212粒子／分钟）。变温水箱打开，但风向背离手术台，4分钟后，检测到14.8粒子／分钟（范围在5-24粒子／分钟）


奇美拉分枝杆菌沉降实验
变温水箱工作4个小时后，距离其3m的平皿内获得2CFU的奇美拉分枝杆菌，距离5m的获得1CFU。距离4m的未检出，对照实验组未检出。


图2. 摄像视频捕捉到在心脏手术室内变温水箱的风向对烟雾扩散的影响，以及尽管使用空气洁净层流系统奇美拉分枝杆菌的传播仍然在手术中发生了（视频，http://www.youtube.com/watch?v=YZ41aLoHrhQ）。视频采集开始后变温水箱开始运行，风扇转动10秒。左边的画面显示的是变温水箱安置的位置，右边的画面显示的是在层流空气下手术区发生的情况。在第一种测试情况下同时记录以上两个画面，其中气流被直接排出手术室。第二种测试情况下也记录以上两个画面，其中主要气流朝着手术区直接飘去。






图3. 激光粒子计数器测试心脏手术室空气洁净层流系统下奇美拉分枝杆菌的传播途径。结果显示变温水箱在关闭／开的时候，以及风扇产生的气流朝向／背离手术台时的粒子数。线条显示的是粒子在6个不同尺寸孔径捕捉的结果，以及激光粒子计数器测量到的粒子总数。重置，是重新调整变温水箱状态的时间。


讨论


烟雾实验证明来自变温水箱的气体在其风扇的推动下进入手术室的洁净空气气流中，并最终到达手术区域。这一发现同样得到粒子计数实验的证明（在相同的设置下）。变温水箱工作时，其风向若朝向手术台，手术区的尘埃粒子将明显增加，其粒子数高于停机状态和风向相反的情况。同时，在距离工作状态变温水箱5m的位置，沉降实验分离到奇美拉分枝杆菌。


这些结果同时也暗示三个发现，首先，它们证明了心脏植入手术相关奇美拉分枝杆菌感染暴发的空气传播途径。第二，它们为证明手术层流洁净系统在预防手术感染方面的失败提供原型证据。第三，它们证明在手术室内设置能产生气流的装置是存在潜在感染风险的。


烟雾扩散实验以可见的方式显示了携带致病菌的气溶胶污染手术野的气流路径，同时粒子计数实验也证明进入手术区的污染空气明显增加。再者，奇美拉分枝杆菌不仅在大量空气样本中分离到，在距离变温水箱5m的地方沉降平皿也分离到致病菌。这都证明空气中的奇美拉分枝杆菌浓度之高足以污染手术植入物或手术野。


流行病学方面曾认为超洁净空气层流系统与手术切口感染的增加相关，这曾经引起激烈争议。争论的核心即该系统可有效预防手术切口感染（大量的数据证实其有效）。但最新的指南并不推荐在层流手术室进行骨科植入术。烟雾扩散实验，粒子计数实验，和感染奇美拉分枝杆菌的开胸手术患者都证明层流系统未能有效预防感染发生，反而成为促进因素。超洁净空气通风系统这一设计主要作用就在于其保护手术野不被污染。而这一设计可能在奇美拉分枝杆菌的传播中却起到重要推进作用。


参考文献：Sommerstein R, Rüegg C, Kohler P, et al. Transmission of Mycobacterium chimaera from Heater-Cooler Units during Cardiac Surgery despite an Ultraclean Air Ventilation System[J]. Emerging Infectious Diseases, 2016, 22(6):1008.
图文编辑：小小牧童