L’attuale epidemia di coronavirus 2019 (COVID-19) dimostra vividamente il peso che le malattie infettive respiratorie impongono a un mondo intimamente connesso. Sono state implementate politiche di mitigazione e contenimento senza precedenti nel tentativo di limitare la diffusione di COVID-19, comprese restrizioni di viaggio, screening e test dei viaggiatori, isolamento e quarantena e chiusura delle scuole.
Un obiettivo chiave di tali politiche è ridurre gli incontri tra individui infetti e individui suscettibili e rallentare la velocità di trasmissione. Sebbene tali strategie di distanziamento sociale siano fondamentali nell’attuale momento della pandemia, può sembrare sorprendente che l’attuale comprensione delle vie di trasmissione da ospite a ospite nelle malattie infettive respiratorie sia basata su un modello di trasmissione della malattia sviluppato negli anni ’90. 1930 che, per gli standard moderni, sembra eccessivamente semplificato.
L’attuazione delle raccomandazioni di sanità pubblica basate su questi modelli più vecchi può limitare l’efficacia degli interventi proposti.
Comprendere la trasmissione delle malattie infettive respiratorie
Nel 1897, Carl Flügge dimostrò che gli agenti patogeni erano presenti nelle goccioline espiratorie abbastanza grandi da depositarsi attorno a un individuo infetto. Si riteneva che la “trasmissione di goccioline” attraverso il contatto con la fase liquida delle goccioline espulsa e infetta fosse la via principale per la trasmissione delle malattie respiratorie. Questo punto di vista prevalse fino a quando William F. Wells si concentrò sulla trasmissione della tubercolosi negli anni ’30 e dicotomizzò le emissioni di goccioline respiratorie in goccioline "grandi" e "piccole" .
Secondo Wells, durante l’espirazione vengono emesse goccioline isolate.
- Le goccioline di grandi dimensioni si depositano più velocemente di quanto evaporano, contaminando le immediate vicinanze dell’individuo infetto.
- Al contrario, le goccioline piccole evaporano più velocemente di quanto si depositano.
In questo modello, quando le piccole goccioline si spostano dalle condizioni calde e umide del sistema respiratorio all’ambiente esterno più freddo e secco, evaporano e formano particelle residue costituite dal materiale essiccato delle goccioline originali.
Queste particelle residue sono chiamate nuclei di goccioline o aerosol.
Queste idee hanno portato a una classificazione dicotomica tra goccioline grandi e piccole, o goccioline e aerosol, che possono quindi mediare la trasmissione di malattie respiratorie. Sono state sviluppate strategie di controllo delle infezioni in base al fatto che una malattia infettiva respiratoria venga trasmessa principalmente attraverso la via delle goccioline grandi o piccole.
La dicotomia tra goccioline grandi e piccole rimane al centro dei sistemi di classificazione per le vie di trasmissione delle malattie respiratorie adottati dall’Organizzazione Mondiale della Sanità e da altre agenzie, come i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie. Questi sistemi di classificazione utilizzano diversi limiti arbitrari di diametro delle goccioline, da 5 a 10 μm, per classificare la trasmissione da ospite a ospite come goccioline o vie di aerosol.1
Tali dicotomie continuano nell’ambito dell’attuale gestione del rischio, delle raccomandazioni chiave e dell’allocazione delle risorse per la gestione della risposta associata al controllo delle infezioni, anche per COVID-19. Anche quando sono state applicate politiche di massimo contenimento, la rapida diffusione internazionale di COVID-19 suggerisce che l’uso di limiti arbitrari alle dimensioni delle goccioline potrebbe non riflettere accuratamente ciò che sta effettivamente accadendo con le emissioni respiratorie, contribuendo probabilmente all’inefficacia di alcune procedure. utilizzato per limitare la diffusione delle malattie respiratorie.
Nuovo modello per le emissioni respiratorie
Lavori recenti hanno dimostrato che le esalazioni, gli starnuti e la tosse non sono costituiti solo da goccioline della mucosa che seguono traiettorie di emissione semibalistiche a corto raggio, ma sono principalmente formati da una nuvola di gas turbolento multifase (una nuvola) che intrappola l’aria ambiente e trasporta un continuum di dimensioni delle goccioline. .
L’atmosfera localmente umida e calda all’interno della turbolenta nube di gas consente alle goccioline contenute di sfuggire all’evaporazione per molto più tempo rispetto alle goccioline isolate. In queste condizioni, la durata di una gocciolina potrebbe essere notevolmente estesa fino a un fattore 1000, da una frazione di secondo a minuti.
A causa dello slancio in avanti della nuvola, le goccioline che trasportano gli agenti patogeni vengono spinte molto più lontano che se fossero emesse isolatamente senza essere catturate e trasportate avanti da una nuvola di nuvole turbolente.
Nube di gas turbolenta multifase generata da uno starnuto umano
Date le varie combinazioni della fisiologia del singolo paziente e delle condizioni ambientali, come umidità e temperatura, la nuvola di gas e il suo carico utile di goccioline patogene di tutte le dimensioni possono viaggiare da 23 a 27 piedi ( 7-8 m). ).3,4 È importante sottolineare che la portata di tutte le goccioline, grandi e piccole, viene estesa attraverso la loro interazione e intrappolamento all’interno della nube di gas turbolenta, rispetto al modello di goccioline dicotomizzate comunemente accettato che non tiene conto della possibilità di una nuvola. di gas caldo e umido. Inoltre, lungo la traiettoria, goccioline di tutte le dimensioni si depositano o evaporano a velocità che dipendono non solo dalla loro dimensione, ma anche dal grado di turbolenza e dalla velocità della nube di gas , insieme alle proprietà dell’ambiente. (temperatura, umidità) e flusso d’aria. Le goccioline che si depositano lungo il percorso possono contaminare le superfici, mentre il resto rimane intrappolato e raggruppato nella nuvola in movimento. Alla fine, la nuvola e il suo carico di goccioline perdono slancio e coerenza, e le goccioline rimanenti all’interno della nuvola evaporano, producendo detriti o nuclei di goccioline che possono rimanere sospesi nell’aria per ore, seguendo schemi di flusso d’aria imposti. da sistemi di ventilazione o di climatizzazione. L’evaporazione di goccioline cariche di agenti patogeni in fluidi biologici complessi è poco conosciuta. Il grado e la velocità di evaporazione dipendono in gran parte dalle condizioni di temperatura e umidità dell’ambiente, ma anche dalla dinamica interna della nube turbolenta insieme alla composizione del liquido espirato dal paziente. |
Le nubi di gas dimostrano la loro capacità di percorrere grandi distanze
Un rapporto del 2020 proveniente dalla Cina ha mostrato che particelle del virus della sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2) potrebbero essere trovate nei sistemi di ventilazione nelle stanze d’ospedale di pazienti con COVID-19.5.
Trovare particelle virali in questi sistemi è più coerente con il modello turbolento, l’ ipotesi della nuvola di gas della trasmissione della malattia, che con il modello dicotomico perché spiega come le particelle virali vitali possano percorrere lunghe distanze dai pazienti. Non è noto se questi dati abbiano implicazioni cliniche riguardo al COVID-19.
Implicazioni per la prevenzione e la precauzione
Sebbene nessuno studio abbia valutato direttamente la biofisica delle goccioline e della formazione di nuvole di gas per i pazienti infetti dal virus SARS-CoV-2, diverse proprietà della nuvola di gas esalato e della trasmissione respiratoria possono applicarsi a questo patogeno. Se così fosse, questa possibilità potrebbe influenzare le attuali raccomandazioni volte a ridurre al minimo il rischio di trasmissione della malattia.
Nelle ultime raccomandazioni dell’Organizzazione Mondiale della Sanità per il COVID-19, si consiglia al personale sanitario e ad altro personale di rimanere a una distanza compresa tra 1 metro e 6 piedi da una persona che mostra sintomi di malattia. , come tosse e starnuti. I Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie raccomandano una separazione di 6 piedi (2 m) 7,8.
Tuttavia, queste distanze si basano su stime di portata che non hanno considerato la possibile presenza di una nube ad alto momento che trasporta le goccioline su lunghe distanze. Dato il modello dinamico della nuvola turbolenta, le raccomandazioni per separazioni da 3 a 6 piedi (1-2 m) possono sottostimare la distanza , la scala temporale e la persistenza su cui viaggiano la nuvola e il suo carico patogeno, generando così un intervallo di esposizione potenziale sottostimata per un operatore sanitario.
| Per questi e altri motivi, indossare dispositivi di protezione individuale adeguati è di fondamentale importanza per gli operatori sanitari che si prendono cura di pazienti che potrebbero essere infetti, anche se si trovano a più di 6 piedi di distanza dal paziente. |
La dinamica della nube di gas turbolenta dovrebbe influenzare la progettazione e l’uso consigliato delle maschere chirurgiche e di altro tipo. Queste maschere possono essere utilizzate sia per il controllo della fonte (ovvero, riducendo la diffusione da una persona infetta) sia per la protezione di chi le indossa (ovvero, prevenendo la diffusione a una persona non affetta).
L’efficacia protettiva delle maschere N95 dipende dalla loro capacità di filtrare l’aria in entrata dai nuclei di goccioline aerosolizzate. Tuttavia, queste maschere sono progettate solo per una determinata gamma di condizioni ambientali e locali e per una durata di utilizzo limitata.9
L’efficacia della maschera come controllo della fonte dipende dalla capacità della maschera di intrappolare o alterare l’emissione di nubi di gas ad alto impulso con i loro agenti patogeni. Carico utile. Le velocità di picco di espirazione possono raggiungere i 10-30 m/s (da 33 a 100 piedi al secondo), creando una nuvola che può estendersi per circa 7-8 m (da 23 a 27 piedi ) .
Le maschere protettive e di controllo della fonte, così come altri dispositivi di protezione, devono avere la capacità di resistere ripetutamente al tipo di nube di gas turbolento multifase ad alto momento che può essere espulsa durante uno starnuto o una tosse e l’esposizione ad esse. Le maschere chirurgiche e N95 attualmente utilizzate non sono testate per queste potenziali caratteristiche delle emissioni respiratorie.
È necessario comprendere la biofisica della trasmissione da ospite a ospite delle malattie respiratorie che spieghi la fisiologia, la patogenesi e la diffusione epidemiologica della malattia nell’ospite.
La rapida diffusione di COVID-19 evidenzia la necessità di comprendere meglio le dinamiche di trasmissione delle malattie respiratorie caratterizzando meglio le vie di trasmissione, il ruolo della fisiologia del paziente nel modellarle e i migliori approcci al controllo della fonte per migliorare potenzialmente la protezione dei lavoratori in prima linea e prevenire impedire che la malattia si diffonda alle fasce più vulnerabili della popolazione.
