《Microbiology and Immunology》：Synergistic Effect of Ambient Ozone, Relative Humidity, and Temperature on Epidemic Patterns of Influenza: A Hypothesis and Its Verification
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季节性流感流行的潜在机制长期以来一直是一个谜。实验室研究发现，环境臭氧（ozone, O3）在较高相对湿度（relative humidity, RH）和温度（temperature, T）的协同作用下，可显著灭活空气中的流感病毒。基于此，研究人员提出假设：环
季节性流感流行的潜在机制长期以来一直是一个谜。实验室研究发现，环境臭氧（ozone, O3）在较高相对湿度（relative humidity, RH）和温度（temperature, T）的协同作用下，可显著灭活空气中的流感病毒。基于此，研究人员提出假设：环境因素的季节性自然波动通过改变空气中病毒的灭活效率，从而增强或减弱流感空气传播风险，进而推动流感流行的持续或消退。为验证该假设，研究人员分析了日本两座具有典型温带和亚热带气候特征的城市——仙台（Sendai）和那霸（Naha）——为期5年的年度环境臭氧浓度、相对湿度、温度及报告流感病例数的数据集；并基于前期研究结果和实际环境数据，估算了两座城市的流感空气传播风险，将其与观察到的流行情况进行比较。在两座城市中，冬季流行的持续与低臭氧浓度（< 35 ppb）密切相关，而春季流行的消退则与臭氧（≥ 35 ppb）和相对湿度（≥ 50%）的升高相关，即使温度较低（< 20°C）也是如此。那霸的夏季暴发并非仅在高温度（25°C–30°C）和高相对湿度（≥ 70%）条件下受到抑制，而是与随后臭氧浓度的升高（≥ 35 ppb）相关。在2009年流感大流行期间也观察到类似现象。这些结果与研究人员提出的假设一致：流感流行模式与环境臭氧、相对湿度和温度对空气中病毒的协同灭活模式所估算的流感传播风险相对应。
**流感流行季节模式的环境驱动机制研究解读**
**1. 研究背景与问题**
流感是一种通过含有病毒的气溶胶在空气中传播的急性呼吸道传染病，世界卫生组织已将其归入“空气传播/吸入”类别。在全球温带地区，流感流行具有典型的冬季季节性特征，但这一季节性流行模式背后的驱动机制长期以来悬而未决。病毒学因素如病毒株的变异无法单独解释该现象，社区免疫水平虽然会影响流行规模，但即使有大量易感人群存在，季节性流行仍会消退，提示其他因素的参与。
既往研究多聚焦于气象因子，如降雨、日照、温度（T）和相对湿度（RH）。1960年代Harper的经典实验表明， airborne流感病毒在高温（32°C）和高RH（> 50%）下灭活较快，而在低温低湿条件下保持稳定，这一发现被广泛用于解释冬季流感高发。然而，1970年代Shaffer等人的研究显示，病毒在RH超过60%–70%时仍然稳定，病毒活性与RH的关系呈U型曲线，在50% RH附近出现低谷。这一结论引发一个悖论：日本春季RH通常升至70%以上而温度仍然较低，按照高RH下病毒存活更久的观点，春季的病毒存活条件应与冬季低湿环境相近甚至更好，但事实上春季流感流行却趋于消退。这一矛盾提示，除温度和湿度外，可能还存在其他环境因子参与调节流感流行模式。
**2. 研究目的与假设**
臭氧（O3）是阳光与大气中的氧气反应产生的天然氧化剂，其大气浓度在全球范围内呈现季节性和区域性波动。既往流行病学研究将O3视为人工工业污染物，探讨其与流感流行的关系，但结论相互矛盾，且缺乏病毒学机制支撑。研究人员的前期实验室研究发现，环境水平的O3（低至35 ppb）在RH ≥ 50%条件下可在15–30分钟内显著灭活空气传播的流感病毒（IFV）；而RH ≤ 40%时，即使O3浓度达到100 ppb也未观察到灭活效应；温度在其中起关键调节作用——20°C和25°C下O3灭活显著，30°C时无O3也有灭活且低至15 ppb的O3即可增强灭活，15°C时O3几乎失去灭活能力。基于这些实验发现，研究人员提出假设：**流感流行的年度变化是由O3、RH和T三种环境因素的组合塑造的**，环境因子通过协同决定空气中病毒的灭活效率，从而增强、维持或抑制流感流行波，甚至终止季节性流行。
**3. 主要技术方法**
研究整合了多种技术手段。首先，利用实验室气溶胶系统，将含流感病毒的尿囊液雾化至密闭实验舱内，通过紫外光度O3分析仪监测浓度，以明胶膜过滤器采集空气样本，结合空斑试验和实时荧光定量反转录聚合酶链反应（RT-qPCR）定量检测病毒活性和基因组拷贝数。其次，收集日本仙台市和那霸市/冲绳县2009–2013年及2019年的环境O3、RH、T逐时数据和流感哨点监测病例数据，仙台市数据经请求由仙台市政府提供，那霸市数据来自冲绳县官方监测系统。对于仙台市冬季室内RH，假设供暖期将室内温度恒定设为23°C，利用室外温湿度换算室内RH；那霸市因建筑通风良好，直接采用室外RH作为室内近似。此外，还获取了仙台市大气中二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO）的逐时浓度数据以排除其他氧化剂的混杂作用。
**4. 研究结果**
**4.1 环境因子组合与airborne传播风险的估算**
研究人员基于前期实验建立的环境因子-病毒灭活功效对应关系，将O3、RH、T三种因素的组合划分为强、中、弱灭活活性区带，以此估算社区中流感病毒空气传播风险的相对高低，作为检验假设的基础工具。
**4.2 季节性流行中假设的验证**
将仙台和那霸的环境数据与流感病例时间序列对照分析，发现仙台2009–2013年间冬季流行在早春的消退与环境O3和RH同步上升密切相关；那霸的冬季流行及其春季消退也呈现类似规律。2011年春末和2012年夏那霸出现的暴发，随后在较高O3、高RH和高T条件下消退。2019年那霸发生特征性夏季暴发时，环境O3浓度处于20 ppb以下的低位，而当浓度升至35 ppb以上后暴发消退。这些结果均支持研究假设。
**4.3 流感大流行期间假设的检验**
2009–2010年甲型H1N1流感大流行期间，那霸春季常规季节性流行规模有限，与高O3（> 35 ppb）和高RH（> 60%）天数多有关；但夏季新病毒出现导致病例激增，此前恰逢约10 ppb的低O3期；夏末流行暂歇，与O3浓度快速上升相关；10月起显著复燃，又与9月末低O3期吻合，最终在次年1月底至春季迅速下降，对应高O3和高RH天数增加。仙台大流行病毒8月引入但至10月未广泛传播，期间O3适中但伴随高RH和高T；此后在相对低O3和低温时段出现流行高峰，随后锐减并长期消失，也与环境O3升高和RH增加同步。这表明假设不仅适用于常规季节性流行，还能推广至非季节性的流感大流行模式。
**4.4 环境O3的日波动与传播风险的日内变化**
仙台和那霸的环境O3与RH逐时图显示，O3浓度在一天内存在显著波动，日内变化可能影响空气中病毒的存活率，提示即使在同一天内，流感空气传播风险也在不同时段存在高低差异，这对基于时段制定感染控制策略具有潜在参考价值。
**4.5 那霸夏季暴发的终止与环境因素**
在未添加O3的高温（30°C）高RH（70%）条件下，空气传播病毒的活性下降缓慢，一log灭活需时超过10分钟，难以阻止近距离短时间内发生的传播；而在30 ppb O3存在的相同温湿度条件下，10分钟内可实现3个log以上的快速灭活。这解释了为何那霸夏季在低O3环境下暴发仍能持续，而O3升高后流行随即终止。
**5. 讨论与结论**
既往流行病学研究将环境RH和O3视为影响流感流行的独立因素，但很少关注它们的联合暴露效应。本研究基于实验室发现的三种环境因子协同灭活效应提出假设，并在真实世界数据中获得验证——流感流行的消退与O3和RH同时升高的时段关联最为紧密，这为日本每年晚冬至早春流感活动快速下降提供了一种合理的机制解释。该假设的普遍性体现在它不仅能解释典型年份的季节性流行波，也适用于偶尔发生的夏季暴发和季节无关的流感大流行。
研究中观察到高风险与低风险时段在数日内频繁交替，流行呈现上升、持续或下降的整体趋势，可能取决于哪种趋势占据优势。日内传播风险的波动性值得关注。研究人员提出“极短距离传播”（highly short-range transmission, HSRT）概念，即病毒在极短时间内从传染者直接传给受者，这种传播因接触时间过短而不受环境灭活因素影响。2009年10月仙台大流行患者激增时期，RH并不低（45%–100%）、O3处于20 ± 20 ppb，这种不利于病毒存活的环境条件下仍发生快速传播，可能正是HSRT起主要作用；那霸夏季暴发的持续存在也提示HSRT在其中的贡献。
研究存在若干局限。首先是全球层面的验证需求——假设已在日本两个气候特征迥异的城市获得支持，但仍需在全球不同气候区域进行多年度的检验；其次是假设仅适用于解释流行的持续或消退，不适用于解释流行的起始，那霸夏季暴发仅在某些年份出现，可能与感染源是否在该时期被引入该地区有关；再次是室内环境数据的缺乏，实际室内O3浓度通常低于室外，日本典型家庭室内O3浓度约为室外的一半，研究人员将O3浓度折半后重新绘图，结果仍呈现相同趋势，支持假设的稳健性；此外，研究仅基于描述性分析而未包含统计验证，但研究人员认为通过细致检查社区层面个体数据点发现的真实规律，恰恰是以往采用复杂统计但将广大区域视为单一整体进行研究的方式所无法获得的。研究还排除了SO2、NO2和NO等其他氧化性气体的混杂效应——这些气体在日本年度内浓度极低，且冬季有升高趋势，与流感流行趋势正相关而非负相关，不可能是通过灭活病毒来抑制流行的混杂因素。
**研究结论**
本研究基于实验室发现的O3、RH、T对空气中流感病毒的协同灭活作用，提出了环境组合因素塑造流感流行年度模式的假设，并利用日本仙台（温带）和那霸（亚热带）两座城市多年环境与流行病学数据进行了验证。两座城市冬季流行的持续与低O3（< 35 ppb）密切相关，春季消退与O3（≥ 35 ppb）和RH（≥ 50%）的同步上升同步，这为温带地区流感冬春季流行的消退提供了环境驱动的病毒学解释。那霸夏季暴发在高温高湿但O3极低的环境中得以持续，而O3升高后迅速终止，说明高温高湿本身不足以抑制流行，必须配合O3的协同作用。2009年流感大流行期间观察到的流行波峰与低O3期对应、波谷与高O3期对应的现象，进一步表明该假设可推广至非季节性的流感大流行模式。研究还揭示了环境O3的日内波动可能造成传播风险的时段差异，并提出了极短距离传播（HSRT）的概念，指出在短时间近距离接触条件下环境灭活因素作用有限，这可能是夏季暴发和部分大流行高峰形成的重要原因。总之，环境O3、RH和T三者的协同作用通过调节空气中流感病毒的灭活效率，是塑造流感流行病季节模式的一个重要而此前被忽视的自然驱动因素。
