针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)大流行,制定了一项实验室方案,用于检测热水洗涤对织物口罩、棉质刷手服和牛仔裤的病毒灭活效果。实验中采用Phi6病毒(噬菌体)作为检测消毒效果的测试生物体。
针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)大流行,制定了一项实验室方案,用于检测热水洗涤对织物口罩、棉质刷手服和牛仔裤的病毒灭活效果。实验中采用Phi6病毒(噬菌体)作为检测消毒效果的测试生物体。
本方案提供了一个实验室操作流程的示例,用于开展可生成病毒消毒数据的洗涤研究。尽管该方案是在2019冠状病毒病(COVID-19)大流行期间为科研工作而制定,但其设计为通用框架,可适用于其他病毒的消毒研究;方案展示了制备测试病毒、接种测试材料、评估洗涤过程对物品外观及完整性造成的影响,以及量化病毒载量减少程度的具体步骤。此外,本方案还列出了必要的质量控制样本,以确保实验不受污染因素干扰,并明确了应在多次洗涤循环后记录的测量值和观察结果,用于追踪个人防护装备(PPE)物品的材料完整性。本方案所展示的代表性结果采用Phi6噬菌体接种于棉质刷布、牛仔布和棉质面部覆盖材料,结果表明,热水洗涤和干燥过程使所有样本的病毒载量均降低了3个对数级以上(即99.9%以上)(3个对数级的减少是美国环境保护署产品性能测试指南810.2200中规定的消毒剂效能评价指标)。病毒载量的降低在PPE物品的不同位置上表现一致。该病毒消毒效果测试方案的结果将有助于科学界进一步探索家庭洗涤对其他类型测试病毒及不同洗涤程序的有效性。
2019冠状病毒病(COVID-19)大流行导致全球供应链出现前所未有的中断,造成许多物品严重短缺,包括基本的个人防护装备(PPE)1,2,3。处于高风险职业的人员不得不采用推荐的危机应对策略,公众也转而使用非专业物品(如布料制成的面部遮挡物),主要用于传染源控制,同时也为佩戴者提供一定程度的呼吸防护。在美国,专业呼吸防护设备(即过滤式面罩呼吸器(FFRs),如N95)在供应短缺期间被保留给部分高风险职业(例如医疗卫生行业)使用4。在严重急性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2)传播途径尚不明确的初期,其他多种类型的服装材料也曾被考虑作为屏障防护手段5。随着用于防护的织物种类日益多样,关于这些物品的使用、重复使用以及消毒/去污的问题随之出现。尽管在美国普遍认为,常规的家庭洗衣机清洗口罩及其他衣物可使表面病毒失去感染性,但支持这一观点的数据十分有限,且缺乏已发表的实验室操作规程。本文所呈现的研究方案旨在提供一个实验室操作流程的范例,用于开展洗涤研究并获取有关病毒消毒效果的数据。该方案虽为应对COVID-19大流行期间的研究需求而制定,但其设计意图是作为可适用于其他病毒消毒研究的通用框架。
衣物在疾病传播中的作用是一个难以量化的概念。国际家庭卫生科学论坛试图通过综述衣物在传染病传播中的作用,并结合家庭卫生实践的风险评估,来完成这一具有挑战性的任务6。该工作包括对多项科学研究的综述,这些研究考察了不同病毒株(如痘苗病毒、脊髓灰质炎病毒、呼吸道合胞病毒、疱疹病毒和流感病毒)在羊毛、棉布等不同类型织物上的存活情况7,8,9,10,11。不同病毒在织物上的存活时间因病毒与材料的组合而异,范围从30分钟到5个月不等。其中一些研究还证明了病毒污染可从织物转移到手上。作为该出版物的一部分,研究讨论了有效洗涤作为减少传播的重要管理手段,但也指出洗涤在降低疾病负担方面的影响程度取决于特定的病毒污染物,且难以量化7,8,9,10,11。
洗涤过程通过化学、物理和热处理方法来灭活微生物。例如,肥皂和洗涤剂可以去除污垢,并可能产生一定的化学介导抗菌作用。从物理角度来看,稀释和搅动有助于降低病毒载量。一项研究考察了人冠状病毒HCoV-OC43在棉布片上的存留情况,在使用工业和家用洗涤程序时,无论是否加热或添加洗涤剂,结果发现:在未加热且不使用洗涤剂的水中洗涤时,病毒无法被检出;但在存在污垢负荷(人工唾液)的情况下,家用洗涤程序需要添加洗涤剂才能使样本中的病毒载量降至不可检出水平12。热水本身也可有效灭活部分微生物13,14。
在最近一篇总结当前洗衣实践现状的出版物中,织物成分、储存条件、污垢负荷、洗涤温度和时间以及干燥温度等多种因素被确定为全球洗衣实践中存在差异的因素15。尽管洗衣是大多数人群常用的清洁方法,但现有实践中的巨大差异使得在物品可能被病毒污染的情况下,制定关于如何安全有效地进行洗衣的详细指导变得困难且稀少。在新冠疫情期间,美国疾病控制与预防中心(CDC)发布了针对家庭用户的洗衣指导建议16,17。这些洗衣建议主要基于几项较早的关于细菌消毒的研究18,19,并得到若干台式实验研究的支持,这些研究表明包膜病毒在含有洗涤剂的水中可被灭活20,21。该建议可概括为:1)遵循洗涤剂制造商的说明;2)使用适宜的最高水温;3)将物品彻底干燥。这些建议的理论依据是,在尽可能高的温度下使用洗涤剂洗涤,并结合彻底干燥(如有条件可加热),能够灭活SARS-CoV-2病毒。
洗涤过程中可能存在的变量数量极为庞大,因此必须采用统一的实验方案(例如本文所述方案),以隔离变量并测试特定洗涤流程的病毒灭活效果。本方案结合教学视频,旨在展示一种可在其他研究中复制的基于实验室的热水洗涤流程。此外,该病毒灭活效果测试的结果应有助于增强消费者对病毒大流行期间家庭洗涤有效性的信心。
Phi6 由合作实验室提供,为约 1 mL 的冷冻等分试样,保存于 -80 °C 直至使用。最初用于扩增更多病毒储备液,随后也储存于 -80 °C 以备后续使用。选择 Phi6 作为示范病毒,是因为它常被用作包膜病毒的模型,能够扩增至高滴度,且检测时仅需较低生物安全级别的实验室22,23,24。
1. 准备病毒储备液
2. 对个人防护装备物品进行使用前视觉检查

图 1.个人防护装备(PPE)预测试评估的测量位置。 牛仔布、刷织布和面部覆盖物上用于记录长度以追踪洗涤过程中材料变化的测量位置。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 准备试件
4. 进行接种

图 2.牛仔布、刷手服和面部遮盖物上的测试样片位置。 字母 A-D 对应于所有洗涤实验中唯一的样片标识符。 请点击此处查看该图的放大版本。
5. 进行洗涤
6. 从样本片中提取并定量病毒载量
7. 对个人防护装备(PPE)进行使用后的视觉检查
完成本方案后,将生成多种不同类型的质控数据和结果。通过噬斑形成单位(PFU)平板计数以及提取的样品体积,可计算出每张测试样片上的PFU数量。表2为系列稀释/涂布结果的数据记录表示例。利用表1中的稀释倍数、样品体积和平板计数,表3展示了口罩类产品测试中具有代表性的病毒回收结果。请注意,这些数据包括测试样片以及接种液、样片和洗涤水(含或不含洗涤剂)的质控样品。程序空白样和无菌质控样对于确认水溶液和PPE材料未被Phi6污染至关重要。若出现污染迹象,将导致消毒效果的计算结果出现偏差,并需重复实验。阳性对照样品用于验证病毒储备液在实验过程中未发生环境或自然降解,从而避免高估洗涤过程对病毒载量的降低作用。为使测试样片的结果有效,这些阳性对照样品的PFU值应与接种液对照组相差不超过1个对数级。若阳性对照样品的PFU值出现大幅下降,还表明应仔细复查样片接种的全部步骤,以确保实验人员正确执行移液和涂布操作。
该方案还提供了有关评估洗涤对服装材料性能影响的信息,以及与该方案相关的质量控制信息。表 4 和 图3)。这些数据具有多方面的用途。记录个人防护装备(PPE)各项测量指标的变化趋势,有助于识别存在制造缺陷的物品,从而帮助解释微生物数据中的异常值,并为产品性能差异提供背景信息。记录气味或损坏情况,也可提示洗衣机或干燥机在实验过程中是否运行不佳,进而判断是否需要重复测试或对设备进行维护。此外,若试验方案要求对同一件PPE进行多次洗涤循环,这些数据有助于确定PPE在洗涤过程中保持使用完整性的持续时间。记录洗涤剂溶液的pH值,可及时发现水源或洗涤剂产品是否发生变化。保留洗涤步骤的时间日志,可确保洗衣机和干燥机的定时器不会导致实验方案出现偏差。
最终,这些数据用于报告热水洗涤程序对病毒病原体替代物的消毒效果。洗涤消毒效果(公式 1)通过从个人防护装备(PPE)阳性对照组的平均 log10 病毒回收量中减去PPE测试样片的平均 log10 病毒回收量来计算(图4)。对于未检出的测试样片结果,在消毒效果计算中使用检测限的 log10 值。通常以对数值报告消毒效果,以便与其他病毒消毒技术及标准进行比较。
消毒效果 = 阳性对照的平均 log10 值 - 测试样本的平均 log10 值(公式 1)

图3。个人防护装备(PPE)不同部位尺寸的变化。 Δ = 测试前测量值 - 测试后测量值。负的Δ值表示在指定位置物品发生拉伸,正值表示收缩。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4.热水洗涤对去除口罩、牛仔布和刷手服个人防护材料上 Phi6 病毒的消毒效果。 星号表示完全消毒(测试样本上未检测到病毒)。误差线表示标准差(n = 3)。位置字母对应于图 2中所示的位置。请点击此处查看此图的放大版本。
表1. 溶液配方。 制备胰蛋白胨大豆琼脂、胰蛋白胨大豆肉汤和牛肉浸膏溶液所需的成分及用量。请点击此处下载该表格。
表2. 连续稀释/涂布结果表的示例部分。 用于报告原始微生物数据的模板。请点击此处下载该表格。
表3. 面部覆盖物的微生物检测结果。 处理后的噬菌斑形成单位(PFU)数据示例汇总表。请点击此处下载该表格。
表4. 防护服质量控制与材料评估记录表。 用于报告pH探针校准、洗涤剂溶液pH值、洗涤前后测量结果以及洗涤循环时间的模板。请点击此处下载该表格。
本方案旨在通过系统的实验室测试,评估对全尺寸个人防护装备(PPE)或服装进行洗涤后病毒消毒效果的有效性。文中所述步骤详细说明了病毒的制备、测试材料的接种、洗涤(机洗和烘干)过程对物品影响的评估,以及洗涤后病毒载量减少程度的定量分析。此外,本方案还列出了必要的质量控制样本,以确保实验不受污染干扰,并明确了应在多次洗涤循环后记录的测量值和观察项,用于追踪PPE物品的材料完整性。使用Phi6病毒的实验结果表明,本方案中采用的热水洗涤工艺可使所有测试样品(面部覆盖物、刷手服和牛仔裤)的病毒载量降低超过3个对数级。病毒载量的减少在PPE/服装的不同位置均表现出一致性。为实现3个对数级的减少效果,本方案需使用高病毒载量及稳定剂(牛肉提取物),但这些条件可能无法代表所有实际场景中的污物负荷情况。
选择小型洗衣机和紧凑型烘干机,旨在在空间受限的环境中优化可进行的重复实验次数,同时便于实验室人员管理设备灭菌和实验过程中所用水量。由于使用了小型洗衣机,漂洗步骤需手动完成,而大多数家庭洗衣程序则为全自动操作。还需注意的是,机器洗涤在发达国家占主导地位,但手洗在全球范围内仍普遍存在15。此外,部分人群可能无法获得用于洗涤的热水,另一些人则倾向于自然晾干衣物而非使用机器烘干。本实验方案未涵盖这些洗衣方式的差异,但可通过简单修改进行研究,例如将洗涤和烘干步骤替换为使用水桶和晾衣绳。
在科学文献中,针对病毒污染的面部遮挡物和日常衣物的大规模清洁/消毒研究极为有限。更常见的研究是评估面部遮挡物在反复洗涤和干燥后的过滤性能,但并未评价其病毒灭活效果27,28。例如,Clapp 等人评估了布口罩和改良手术口罩的贴合过滤效率,发现其性能差异较大,而简单的改进可提高密合度和过滤效率29。另一项研究考察了四种不同材质布口罩的过滤效率30,同样聚焦于传染源控制或个人防护。这可能是由于同一实验室中难以同时具备微生物学检测和机械性能测试的专业能力。本文所提出的方案不仅评估了消毒效果,还同时考察了材料的降解情况。
近期,科学文献中已发表多种针对一次性呼吸防护用品(主要是N95口罩)的去污/消毒方法31,32,33。之所以主要关注过滤式面罩呼吸器(FFR,例如N95口罩),是因为其为医护人员及其他一线工作人员提供了关键的呼吸防护。用于呼吸器去污的主要技术包括气化过氧化氢(VHP)、紫外杀菌辐射(UVGI)以及湿热(蒸汽)以灭活病毒。Viscusi等人评估了五种FFR去污方法,发现UVGI、环氧乙烷和VHP是最具前景的去污方法31。Fischer等人则评估了四种不同的去污方法——紫外光、干热、70%乙醇和VHP——在降低SARS-CoV-2污染方面的效果及其对N95呼吸器功能的影响32。此外还有大量关于FFR有效去污技术的研究,这些研究已在2020年被系统总结并发表33。然而,这些专业方法并不适用于普通家庭用户或小型企业主安全操作,也未针对此类人群设计。
本实验方案采用Phi6进行所有测试,Phi6是一种包膜噬菌体,与SARS-CoV-2相似,具有刺突蛋白,大小也相近(80–100 nm)34。由于Phi6并非已知病原体,可在普通的微生物生物安全一级(BSL-1)实验室中操作。对Phi6有效的消毒方法可能对其他包膜病毒也有效,但针对每种目标病毒仍需进行实证验证35。通过使用一种与病原病毒相似但无致病性的病毒作为替代物,期望本方案可在其他地方重复使用,并用于研究未来的病毒性流行病或大流行病。未来的研究可进一步包括在洗涤剂之外使用消毒剂(如漂白剂),以及建立标准化的手部清洗和晾干操作流程。
已知不存在需要披露的利益冲突。
美国环境保护署(EPA)通过其研究与发展办公室,在与雅各布斯技术公司(Jacobs Technology Inc.)签订的EP-C-15-008项目下主导了本文所述的研究工作。本研究已通过该机构的审查,但未必反映该机构的观点,不应推断出任何官方认可。EPA不认可购买或销售任何商业产品或服务。作者谨向EPA合同人员Denise Aslett致谢,感谢其对EPA RTP微生物学工作的监督;感谢Brian Ford、Rachael Baartmans和Lesley Mendez Sandoval在EPA RTP微生物学实验室为本项目所做的工作;感谢Ramona Sherman提供EPA质量保证审查;并感谢Worth Calfee和Shannon Serre提供EPA技术审查。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| -80℃冰箱 °C) | 赛默飞世尔科技 | FDE30086FA | |
| 加热板 | VWR | 97042-714 | |
| 安全别针(钢制) | 辛格 | 319921 | |
| 沙克尔 | Lab-Line Instruments, Inc. | 3525 | |
| SM 缓冲液 | Teknova 霍利斯特,加利福尼亚州 | S0249 | |
| 注射器滤器(0.2 μm) | 康宁,纽约州,康宁 | PES 注射器滤器,431229 | |
| 1X 磷酸盐缓冲液 | Teknova,加利福尼亚州霍利斯特 | P0196,10倍浓度 PBS 溶液 | |
| 琼脂 | Becton Dickinson | 214010 | |
| 可高压灭菌帽盖 | DWK生命科学公司,新泽西州米利维尔 | KIM-KAP 胶囊,73663-18 | |
| 高压灭菌 | Steris | AMSCO 250LS 蒸汽灭菌器 型号 20VS | |
| 牛肉浸膏 | Sigma-Aldrich,Millipore Sigma,美国密苏里州圣路易斯 | 货号 B4888-100g | |
| 氯化钙 | Sigma-Aldrich | 793639 | |
| 细胞涂布棒 | 布塞医院一次性用品 | 23600894 | |
| 离心 | 赛默飞世尔科技 | 75004271 | Heraeus MegaFuge 16R 离心机 |
| 认证计时器 | https://nist.time.gov/ | 不适用 | |
| 50 mL 一次性锥形离心管 | 康宁生命科学 | 352098 | Falcon 50 mL 高透明度聚丙烯锥形离心管 |
| 冻存管 | Thermo Fisher Scientific,美国马萨诸塞州沃尔瑟姆 | AY509X33 | |
| 牛仔布 | 驯马者 | Rustler 常规合身直筒牛仔裤 四口袋牛仔裤,配圆口前袋,PN:87619PW | |
| 去垢剂 | 宝洁公司 | Tide 原香型液体洗衣液 产品编号(PN):003700023068 | |
| 葡萄糖 | Fisher | BP350 | |
| Dey-Engley 中和肉汤 | Becton Dickinson | DF0819172 | |
| 干燥器 | 魔术厨师 | MCSDRY15W | |
| 口罩 | 猫科 | 可重复使用有机棉口罩,货号:990121P4 | |
| 培养箱(顶层琼脂) | 交响曲 | 414004-596 | |
| 实验记录本 | Scientific Notebook Company | 2001 | |
| 氯化镁 | Sigma-Aldrich | M9272 | |
| 培养基灭菌与分装系统 | Integra | Media Clave/Media Jet | |
| 培养皿(100 mm) | VWR | 25384-342 | |
| pH计 | Orion/Oakton | STARA1110/EW-35634-35 | |
| pH探针 | Orion | 8157BNUMD | |
| pH 标准 | 奥克顿 | 00654-(00/04/08) | |
| Phi 6 和丁香假单胞菌 | 巴特尔纪念研究所,俄亥俄州哥伦布市 | 不适用 | |
| 移液器 &和技巧 | 瑞宁 | (移液器)17014391、17002921;(移液器吸头)30389239、17014382 | |
| 冰箱 | True Manufacturing Co., Inc. | GDM-33 | |
| 手术服 | Gogreen cool | PN: WS19100PT | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich | 57656 | |
| 搅拌棒 | Fisherbrand | 16-800-512 | |
| 卷尺 | Lufkin | PS3425 | |
| 软琼脂试验用试管(14 mL) | 康宁,纽约州,美国 | 352059 | |
| 温度计 | Fisherbrand | 14-983-19B | |
| 胰蛋白胨 | Sigma-Aldrich | T9410 | |
| 气态过氧化氢灭菌袋 | STERIS | 62020TW | |
| 涡旋(在铺板过程中) | Daigger Scientific, Inc | 3030A | Vortex Genie 2 |
| 涡旋振荡器(用于样品提取) | Branson Ultrasonics | 58816-115 | 多管涡旋振荡器 |
| 洗涤器 | Kuppet | KP1040600A | |
| 清洗机灭菌 | Steris | STERIS VHP ED1000 发生器 | |
| 酵母提取物 | Gibco | 212750 |