屋内バイオエアロゾル

屋内バイオエアロゾルは、屋内環境におけるバイオエアロゾルです。バイオエアロゾルは、空気中に浮遊する生物（微生物、植物、動物）由来の天然または人工の粒子です。これらの粒子は有機粉塵とも呼ばれます。バイオエアロゾルは、細菌、真菌（および真菌の胞子と細胞片）、ウイルス、微生物毒素、花粉、植物繊維などで構成されます。^[1]バイオエアロゾル粒子のサイズは、空気力学的直径で1μm未満から100μmまで変化します。^[2]生存可能なバイオエアロゾル粒子は、単一細胞または1～10μmサイズの微生物の凝集体として空気中に浮遊します。 ^[3]バイオエアロゾルはさまざまな人間の健康への影響に潜在的に関連しており^{[4] [5] [6] [7]}、屋内環境は独特の曝露状況を提供するため^[7] 、屋内バイオエアロゾルに関する懸念は過去10年間で高まっています。

屋内バイオエアロゾルは、屋外の空気と屋内のリザーバーから発生する可能性があります。^{[3] [4]屋外バイオエアロゾルは複雑な}換気システムを備えた大きな建物に簡単には移動できませんが、特定の種類の屋外バイオエアロゾル（つまり、真菌の胞子）は、特定の期間（つまり、真菌の生育期）に自然換気された建物内で屋内バイオエアロゾルの主な発生源となります。^[3] 住宅におけるバイオエアロゾルの主な発生源には、人間の居住者、ペット、ハウスダスト、有機廃棄物、および暖房、換気、空調（HVAC）システムが含まれます。^{[3] [4] [ 6] [8] [9]}いくつかの研究では、人間の活動が屋内バイオエアロゾルの重要な発生源であると特定されています。^{[3] [8] [10] [11]}人体は、話す、くしゃみをする、咳をするなどの活動を通じてバイオエアロゾルを直接生成する可能性がありますが、^[10]その他の住宅活動（洗濯、トイレを流す、床を掃くなど）はバイオエアロゾルを間接的に生成します。^{[8] [10]微生物は}塵の粒子上に蓄積して増殖するため、ハウスダストはバイオエアロゾルの潜在的な発生源です。^{[4] Wouters}らによる研究^[6]では、 1997 年夏にオランダの 99 世帯で有機家庭廃棄物の屋内保管が微生物汚染に及ぼす影響を調査し、「家庭内の微生物汚染レベルの上昇は、分別された有機廃棄物の屋内保管と関連している」ことが示され、「感受性の高い人々におけるバイオエアロゾル関連の呼吸器症状のリスク」が上昇する可能性があります。 しかし、Woutersらによる分析では、^[6]は、集められた沈降したハウスダストのサンプルに基づいており、空気中に浮遊するバイオエアロゾルの強力な指標とはならない可能性があります。食品、観葉植物、繊維、木材、家具の詰め物など、住宅内の他の材料も、水分含有量が微生物の成長に適している場合はバイオエアロゾルの発生源になる可能性があります。^{[4] [10]} 非住宅の建物では、病院、廃水処理場、堆肥化施設、特定のバイオテクノロジー研究所などの特定の屋内環境に、その特定の環境特性に関連したバイオエアロゾルの発生源があることが明らかになっています。^{[2] [3] [11] [12] [13]}

^{これまでの研究[4] [9] [14] [15] [16]}によると、バイオエアロゾル濃度に影響を与える主な屋内環境要因には、相対湿度、換気システムの特徴、季節変動、温度、空気の化学組成などがあります。住宅の種類、建築材料、地理的要因などの他の要因は、呼吸可能な真菌や細菌（バイオエアロゾルの重要な構成物質）に大きな影響を与えないようです。^[3]相対湿度は、屋内バイオエアロゾルに影響を与える要因として最も広く研究されています。バイオエアロゾルの2つのカテゴリー、エンドトキシンと空中真菌の濃度は、どちらも屋内の相対湿度と正の相関関係にあります（濃度が高いほど相対湿度も高くなります）。^{[4] [9] [15] [16]}相対湿度は空中ウイルスの感染性にも影響します。 ^[14]換気システムの特徴付けに関しては、セントラル空調の使用が増えると真菌バイオエアロゾル濃度が低下することがわかっています。^[15]

屋内バイオエアロゾル曝露に関連する健康への悪影響/疾患は、バイオエアロゾルとの関連が確認されているものと、バイオエアロゾルとの関連が疑われるが確認されていないものの2つのカテゴリーに分けられます。バイオエアロゾルは、結核、レジオネラ症、さまざまな形態の細菌性肺炎、コクシジオイデス症、インフルエンザ、麻疹、胃腸疾患など、特定のヒト疾患を引き起こすことが明らかになっています。^{[7] [17]}バイオエアロゾルは、アレルギーや喘息などの非感染性の気道疾患にも関連しています。^[5]屋内バイオエアロゾルの既知の成分として、β(1→3)-グルカン（ほとんどの真菌の細胞壁成分）は、カビによって引き起こされる非アレルギー性炎症反応の原因物質であると提案されています。^{[6]先進国におけるアレルギー}性喘息症例の25%～30%は真菌によって引き起こされると報告されており、 ^[17]近年、空気中の微生物への人間の曝露に関する懸念の焦点となっている。^[18]

他のいくつかのヒト疾患および症状は、屋内バイオエアロゾルと関連があると提案されているが、証拠が不十分なため決定的な結論を導くことができなかった。一例は、よく知られているシックハウス症候群（SBS）である。SBSは、上気道刺激症状、頭痛、疲労、発疹などの非特異的な愁訴を指し、特定可能な原因に関連付けることはできないが、建物に関連している。^{[4] [19]}過去20年間で、屋内バイオエアロゾルとシックハウス症候群との関連を示す研究が多数ある。^{[20] [21] [22] [23]}しかし、関連研究のほとんどは、特定の種類のバイオエアロゾルの濃度と愁訴の発生率との統計的相関関係に基づいて結論を導き出しており、これには方法論的にさまざまな欠点がある。たとえば、一部の研究ではサンプルサイズが小さく、^[21]統計的結果に基づく推測の妥当性が決定的に損なわれている。また、多くの研究では、分析においてバイオエアロゾル以外の要因の影響を排除することができなかったため、統計的相関は理論的にはSBSとバイオエアロゾルの関連性を支持するには不適切である。追加の研究により、バイオエアロゾルがSBSの原因である可能性は低いことが明らかになった。^{[7] [24] [25]}最近の疫学的および毒物学的研究では、バイオエアロゾルへの曝露とシックハウス症候群との関連の可能性が示唆され続けているが、これらの研究には方法論的な限界が残っている。^{[4] [26]}

バイオエアロゾルがヒトに病気を引き起こす能力は、その化学組成や生物学的特性だけでなく、吸入されたバイオエアロゾルの量やそのサイズ分布にも依存し、それによってヒトの呼吸器系へのバイオエアロゾル沈着部位が決定されます。^[3]空気力学的直径が10μmを超えるバイオエアロゾルは、通常、呼吸器系の鼻領域でブロックされます。5〜10μmのバイオエアロゾルは主に上気道に沈着し、通常はアレルギー性鼻炎などの症状を引き起こします。また、空気力学的直径が5μm未満の粒子は肺胞に到達し、アレルギー性肺胞炎などの重篤な病気につながる可能性があります。^[3]

屋内バイオエアロゾルに関連する確認済みの潜在的な健康への悪影響のため、バイオエアロゾル粒子の総数に対する濃度制限がさまざまな機関や組織によって推奨されています：1000 CFUs/m ³（国立労働安全衛生研究所（NIOSH））、1000 CFUs/m ³（米国産業衛生専門家会議（ACGIH））、培養可能な総細菌数は500 CFUs/m ³を超えないこと。^[10]ほとんどの種類の屋内バイオエアロゾルについて、特定の濃度制限または許容レベルの確立には多くの課題があることに留意してください（例：サンプリングおよび分析方法の違い、サンプリング単位と人間の曝露測定との無関係性、組成の多様性と変動性など）。^[18]

その後の識別と定量を可能にするために、バイオエアロゾルはまず空気から捕捉される必要がある。屋内バイオエアロゾルを捕捉するという目標を実現するために、さまざまな空気サンプリング技術が使用されてきた。バイオエアロゾルサンプリングの重要な特性には、サンプリングの代表性、サンプラーの性能、およびその後の分析との互換性が含まれる。^[27]長期サンプラーは理論的には短期サンプラーよりもサンプリングの代表性が優れているが、一時的な解像度が良好でない可能性がある。サンプラーの性能（検出限界と範囲の上限）は、結果の信頼性に大きな影響を与える。^[27]サンプラーの異なる特性は、さらなる分析（識別と定量）の可能性を制限することもできる。主要なバイオエアロゾルサンプラーの種類とそれらの可能なその後の分析を表1にまとめた。以前の研究で頻繁に使用されたサンプラーはアンダーセンインパクターである。^{[3] [11] [28]}

一般的に使用されているバイオエアロゾルサンプラーには、一定の制限があります。ほとんどのサンプラーでは、ほこりなどの非生物学的環境粒子は、検出前にバイオエアロゾルから分離する必要があります。^[29]空気中のバイオエアロゾルの希釈された性質も、サンプラーに課題をもたらします。総微生物濃度は10 ⁶ /cm ³以上のオーダーですが、バイオエアロゾル濃度は通常1/cm ³未満であり、感染性エアロゾルの場合は1/m ³未満であることがよくあります。 ^[5]さらに、市販のバイオエアロゾルサンプラーの多くは、異なる空気力学的直径を持つ粒子の収集効率が調査されていないため、サイズ分解されたバイオエアロゾル情報を取得することは不可能です。^[5]

住宅環境における屋内バイオエアロゾルに関するこれまでの研究では、微生物は従来の培養ベースの技術によって定量化されており、選択培地上のコロニー形成単位（CFU）を数えている。^[30]培養法にはいくつかの欠点がある。培養ベースの方法は、実験室で培養できる微生物の割合がわずかであるという事実に基づいて、環境微生物の多様性を過小評価することが知られている。空気中の微生物のコロニー数は、通常、直接数える数とはかなり異なるため、この過小評価はバイオエアロゾルの定量化に影響を及ぼす可能性が高い。^[31]また、培養ベースの方法は、比較的長い培養時間（24時間以上）を必要とし、労働集約的である。^[29]その結果、培養ベースの方法は、もはやバイオエアロゾルの効果的かつ迅速な識別と定量化には適しておらず、^[29]免疫アッセイ、分子生物学的試験、光学的および電気的方法などの培養に基づかない方法が、過去数十年にわたって開発されてきた。^[29]

これまでのバイオエアロゾル研究で採用されてきた主な培養非依存型の同定/定量法には、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）^[17]、定量的ポリメラーゼ連鎖反応（qPCR）^[32]、マイクロアレイ（PhyloChip）^[33] 、蛍光in situハイブリダイゼーション（FISH）^[34] 、フローサイトメトリー^[34]、固相サイトメトリー^[18]、免疫測定法（酵素結合免疫吸着測定法（ELISA）など）^[28]がある。よく知られているPCRは、バイオエアロゾルの生物学的起源を識別し、さらには定量化する強力なツールである。PCRだけでは、バイオエアロゾル検出に関連するすべてのタスクを達成することはできません。代わりに、通常はDNA配列決定、マイクロアレイ、コミュニティフィンガープリント技術などの後続のプロセスの準備ツールとして機能します。PCRベースのバイオエアロゾル分析の一般的な手順を図1に示します。

バイオエアロゾルに対する分子生物学的手法は、従来の培養ベースの方法よりも大幅に高速で感度が高く、より多様な微生物を明らかにすることもできます。16S rRNA遺伝子の変異をターゲットとしたマイクロアレイ（PhyloChip）を使用して、バイオエアロゾル中の細菌と古細菌の両方を包括的に特定しました。^[33]米国EPAは、真菌胞子の屋内環境を特徴付けるためにqPCRを利用する新しい手法を開発しました。^{[5] Lange}らによる研究では、^[34] FISH法によって、豚舎の複雑な天然バイオエアロゾルのサンプル中の真正細菌を特定することに成功しました。ただし、分子生物学的ツールには限界があります。PCR法はDNAをターゲットとするため、細胞の生存を確認できない場合がありました。^[18] qPCR技術をバイオエアロゾル検出に使用する場合は、最終結果を較正するための標準曲線を作成する必要があります。ある研究では、「qPCRによる定量化に使用される曲線は、問題の環境サンプルの取り扱いと同じ環境マトリックスと手順を使用して作成する必要がある」こと、および「培養された細菌懸濁液（従来のアプローチ）で生成された標準曲線に依存すると、環境サンプル中の微生物の量が大幅に過小評価される可能性がある」ことが示されています。^[32]マイクロアレイ技術は、複雑な環境バイオエアロゾルにおける自然な配列の多様性と潜在的なクロスハイブリダイゼーションの課題にも直面しています。^[33]

出版された文献に記録されている世界のさまざまな地域の屋内バイオエアロゾルの濃度レベルは、表 2 にまとめられています。

屋内バイオエアロゾルの発生源と影響要因に基づいて、関連する汚染を制御するための適切な是正措置を講じることができます。潜在的に効果的な戦略には、1)屋外エアロゾルの侵入を制限する、2)相対湿度レベルを高レベル以下(<60%)に保つ、^[7] 3)フィルターされた屋外空気を屋内環境に取り込むために換気システムに適切な濾過装置を設置する、4)汚染源(屋内の有機廃棄物など)を削減/除去することが含まれます。米国と同様に、1980年代半ばの結核の増加により、屋内空気処理は過去20年間で大幅に進歩しました。^[5]現在または開発中の屋内空気浄化技術には、濾過、エアロゾル紫外線照射、静電集塵、単極イオン放出、および光触媒酸化が含まれます。^[5]

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