Far-UVC照射下感染动力学的确定性建模：累积暴露框架及其与感染量子的数学关联

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Deterministic modeling of infection dynamics under Far-UVC irradiation: a cumulative-exposure framework and its mathematical relation to infectious quanta

　　

研究人员通过斑马鱼（zebrafish）模型定量评估了远紫外线C（Far-UVC）照射对感染的预防效果；宿主存活率受累积病原暴露量控制；水生暴露过程与感染量子（infectious quanta）存在对应关系；采用易感-感染-移除（SIR）模型桥接了水生与空气传播动力学机制；该框架可优化安全的室内Far-UVC空气消毒策略。

1. 研究背景与问题

自COVID-19大流行以来，开发能够减少大型室内空间病原传播的技术成为加强未来大流行应对能力的重要方向。在拥挤环境中，通风、表面消毒、佩戴口罩和社交距离等常规措施可能不足以快速且持续地抑制微生物传播。因此，远紫外线C（Far-UVC，波长200–235 nm，特别是准分子灯发射的222 nm光）因其抗菌活性以及可在有人空间使用的潜力而受到关注。为了定量评估Far-UVC的感染预防效果，需要稳健的物理和数学模型。然而，小鼠、大鼠等哺乳动物在体实验需要大型设施、严格环境控制、大量人力和动物，成本高且耗时。因此，研究人员引入斑马鱼（zebrafish）–鲁氏耶尔森氏菌（Yersinia ruckeri）感染模型，作为简单、可控且高重复性的生物物理实验平台，在宿主群体水平定量评价环境病原暴露和Far-UVC干预对感染动态的影响。

2. 研究方法

斑马鱼成鱼购自日本名古屋的Meito Suien Co.，实验期间维持约200尾。鱼经三卡因麻醉后，用无菌解剖针在背鳍后方背部刺伤建立体表感染入口；无病原体的受伤鱼在实验条件下不死亡。病原体为从挪威虹鳟分离的Y. ruckeri NVH3758衍生株（染色体整合lacZ和卡那霉素抗性基因）。感染实验在含1.3 L水的玻璃缸中进行，每缸30尾鱼，20 °C下24 h后再进行病原攻击。通过向水中添加不同浓度Y. ruckeri（10³~10⁸ CFU/mL）或预先经不同Far-UVC剂量（0~10.2 mJ/cm²）处理的细菌悬液，观察宏观存活率。照射使用USHIO公司的Care222单元（222 nm），深度平均辐照度为510 μW/cm²。采用平板菌落计数法测定活菌密度，并用聚合酶链反应（PCR）确认感染。研究人员建立了多步易感-感染-移除（SIR）常微分方程（ODE）模型，其中宿主群体分为易感态S、多个感染阶段I₁→I_n、恢复态R和死亡态D，并用全局拟合确定参数。

3. 研究结果

（1）病原密度依赖的生存动力学。图1(a)显示，初始病原密度高（4.5×10⁶~1.1×10⁸ CFU/mL）时，宿主群体存活率F(t)快速衰减；而低密度时存活轨迹接近未感染对照。这种非线性密度依赖性表明宏观生存轨迹主要由初始环境病原负荷决定。

（2）Far-UVC照射的剂量依赖性防护。图1(b)显示，Y. ruckeri的灭活动力学log₁₀(ρ/ρ₀)随Far-UVC剂量H线性下降，灭活截面κ=0.39 cm²/mJ。经5.1和10.2 mJ/cm²照射后，有效活菌密度分别降至约4.0×10⁶和8.5×10⁵ CFU/mL，宿主存活率随之系统改善。当有效活菌密度降至10⁵~10⁶ CFU/mL时，即可有效抑制宏观宿主死亡。

（3）有效密度决定宏观状态。图2(b)表明，直接空间接种和Far-UVC物理衰减两种途径得到的最终存活率数据点均落在同一理论曲线上，证明最终宏观状态仅由有效病原密度决定，与到达该状态的途径无关。这证实Far-UVC的直接作用机制是物理灭活病原，而非调节宿主易感性。

4. 分析与讨论

SIR模型的数值解与实验数据吻合（均方根误差RMSE=0.011~0.066）。敏感性分析显示内在传染系数β₀在1.0×10^?6 mL·CFU^?1·day^?1处具有唯一的全局最小RMSE。解析求解表明，最终存活率满足lim_t→∞F(t)=p_R+(1?p_R)e^?Λ，其中累积暴露参数Λ=β₀ρτ。因此感染概率为1?e^?Λ，它与Wells-Riley模型中感染量子的概率形式1?e^?μ数学等价，其中μ=υωqτ_Air/Q_Air。Far-UVC可通过在空气清除率中增加Q_UV=3600η_UVκ_VB(λ)J(λ)项而纳入同一框架，但该等价性依赖于充分混合环境和独立作用假说。研究人员还从第一性原理提出了基本再生数R₀的表达式：R₀=β₀φV/(κ_DJ+γ) · n/α · N₀，其中φ为病原脱落率，γ为自然衰减率，κ_D为基于辐照度的灭活系数。该式表明光子干预通过增大环境清除率而抑制R₀。数值上，维持Λ低于约0.1~1的临界范围，即可阻止感染不可控发展。

5. 结论与意义

本研究的核心含义是：宏观感染控制并不要求将病原密度瞬时降至零（完全灭菌）。传统消毒范式强调最大化瞬时灭活率，而确定性模型证明最终状态由累积暴露参数Λ决定。只要活病原密度的时间积分低于临界阈值，宿主群体便维持在稳定未感染状态。对于β₀大的高传播性病原（如麻疹病毒），虽然临界Λ更容易达到，但麻疹病毒也有较高的光学灭活截面κ，因此抑制参数空间仍然可控。过度照射会导致光化学副产物（如臭氧、挥发性有机物、颗粒物）的生成，而维持Λ略低于临界值的精确动态照射算法可在最小化光能输入的同时避免这些副反应。因此，该斑马鱼平台不仅作为哺乳动物测试的替代品，而是建立了一个实验与理论相结合的基础，用于优化下一代可持续消毒策略。研究人员强调，将该框架直接用于室内空气感染控制仍需在气溶胶哺乳动物模型中进一步验证。