Говоренето освобождава много повече вирус SARS-CoV-2, отколкото дишането

В скорошно проучване, публикувано в списанието PNAS, изследователи от Националния институт по диабет и храносмилателни и бъбречни заболявания на САЩ (NIDDK) наблюдават въздушната маса на генерираните от реч аерозоли, използвайки алтернативен експериментален подход, който се занимава с проблеми, произтичащи от ядрена кондензация. Хибридните измервания на грубата фракция на генерираните от реч аерозоли, с диаметър (D), по-голям от пет микрометра (μm), разкриха, че те остават във въздуха за няколко минути, а не часове. Въпреки това, поради големия си обем и живота във въздуха, те вероятно доминират в предаването на респираторни заболявания, включително коронавирусна болест 2019 (COVID-19).

Проучвания: Хибридно измерване на респираторния аерозол разкрива доминираща груба фракция в резултат на реч, която остава във въздуха за минути. Кредит на изображението: peterschreiber media / Shutterstock

Заден план

Количественото моделиране на предаването на коронавирус 2 от тежък остър респираторен синдром по въздуха (SARS-CoV-2) изисква правилно разбиране на броя и разпределението на размера на респираторните капчици в различни среди. Освен това е от решаващо значение за подходящи стратегии за смекчаване на COVID-19 и за оценка на относителното предаване на SARS-CoV-2 чрез слюнка спрямо слюнката. капчици с произход от течности, обвиващи дихателните пътища.

Относно изследването

Дишането, кашлянето, кихането и говоренето, включително пеене, смях и т.н., са четирите начина за генериране на дихателни капчици; обаче, настоящото проучване се фокусира само върху сравнителни анализи на респираторни капчици, генерирани от говорене и дишане.

Изследователите са използвали проста, евтина експериментална настройка, за да характеризират по-големи и по-малки дихателни капчици в диапазона от 0,3 до 100 μm една до друга. По-специално, кондензацията на ядра временно увеличава масата на дихателните капчици, ускорявайки тяхното гравитационно утаяване. Този ефект въвежда несъответствия между изследванията, използващи оптични броячи на частици и тези, използващи отлагане на слайдове с микроскоп.

За по-големи частици екипът използва видео анализ на разсейване на лазерна светлина и оптични размери на частици (OPS) и аеродинамични размери на частици (APS), за да определи количествено по-малки респираторни капчици. Видеозаписът на светлината, разпръсната от издишания въздух, измерва капчици дъх в много голям брой (> 105 на литър). Следователно, изследователите въведоха всички респираторни капчици директно в камера с ниска влажност, където капчиците с D ≳80 μm не се дехидратират напълно и се утаяват за секунди. След това те разгледаха тези по-големи капчици с размери въз основа на тяхната скорост на утаяване на Стокс чрез разсейване на лазерна светлина и използваха OPS за измерване на техния брой, размери и скорости на утаяване.

От друга страна, респираторните капчици с D ≳ 5 μm се дехидратират веднага след влизане в атмосферата. Когато са генерирани от човек, заразен със SARS-CoV-2, такива капчици могат да останат жизнеспособни и инфекциозни в продължение на много часове. Важно е, че грубите аерозоли с D ≳ 5 μm се отлагат в горните дихателни пътища (URT), а по-фините аерозоли достигат до долните дихателни пътища (LRT), причинявайки животозастрашаваща пневмония.

Резултати от проучването

Според авторите, много предишни проучвания са подчертали количеството говорен аерозол, особено тези, по-големи от 4 μm. Въпреки това, хибридните измервания на настоящото изследване разкриха, че голяма част от генерирания от реч груб аерозол има междинен размер между 5 и 20 μm диаметър. Този аерозол остана във въздуха за минути, но беше твърде голям, за да проникне директно в LRT.

Видеозапис на лазерна светлина, разпръсната от дихателни капчици.  (A) Единичен кадър на видеозапис от 120 кадъра в секунда на издишания дъх, пресичащ лист с дебелина 0,7 mm от синя лазерна светлина.  Частиците са претърпели ядрена кондензация, което води до размери на капчиците от ca.  1 до 2 μm.  (B) Броят на частиците като функция от номера на рамката.  Интегралът на числото е изобразен с плътна черна линия, като скалата е маркирана от дясната страна.  Тъй като времето за пресичане на листа (около 3 ms) е по-кратко от продължителността на единичен кадър, много малко капчици се виждат в последователни кадри.  Видеото е достъпно на https://doi.org/10.5281/zenodo.6131524.Видеозапис на лазерна светлина, разпръсната от дихателни капчици. (A) Единичен кадър на видеозапис от 120 кадъра в секунда на издишания дъх, пресичащ лист с дебелина 0,7 mm от синя лазерна светлина. Частиците са претърпели ядрена кондензация, което води до размери на капчиците от ca. 1 до 2 μm. (B) Броят на частиците като функция от номера на рамката. Интегралът на числото е изобразен с плътна черна линия, като скалата е маркирана от дясната страна. Тъй като времето за пресичане на листа (около 3 ms) е по-кратко от продължителността на единичен кадър, много малко капчици се виждат в последователни кадри. Видеото е достъпно на https://doi.org/10.5281/zenodo.6131524.

Проучването има няколко други важни констатации. Първо, в съгласие с наблюдението, че повечето инфекции на SARS-CoV-2 започват в URT, авторите отбелязват, че пренасяната във въздуха маса на грубия говорен аерозол е около два пъти по-голяма от размера на финия аерозол, следователно, той не може да проникне в LRT .

Второ, те забелязаха, че дихателният аерозол, съдържащ SARS-CoV-2, на хоспитализирани пациенти с COVID-19 с вирусна пневмония е по-малък от 5 μm. Медицинският персонал беше изложен на риск да се зарази с COVID-19 и най-вероятно да умре по време на първата фаза на пандемията, когато нямаше достъп до висококачествени респиратори. По-важното е, че анализът на изследването разкрива, че въпреки че дишането е непрекъсната дейност, говоренето на няколко думи на час генерира много повече аерозолна маса, отколкото дишането.

Освен това авторите отбелязват, че дихателните частици произхождат от белите дробове на заразен индивид и съдържат жизнеспособен вирус само ако инфекцията включва LRT. Следователно, асимптоматичното предаване на SARS-CoV-2 включва носители с URT инфекции. Говоренето генерира повече аерозоли, съдържащи вируси, преносими на по-далечни разстояния в струйни потоци, преди накрая да се разпръснат в атмосферата. Следователно проучванията са документирали повече събития със свръхразпространение на SARS-CoV-2 в барове, конференции и ресторанти и нито едно в библиотеки и киносалони.

Друго важно наблюдение беше, че повишената вентилация е един от най-ефективните начини за намаляване на концентрацията на говорни и дихателни аерозоли, които представляват най-висок риск от тежко заболяване. Въпреки това, бързото гравитационно утаяване на груб аерозол прави предизвикателство да се смекчи предаването на SARS-CoV-2 чрез повишена вентилация.

Заключения

Като цяло проучването показа, че при липса на симптоми на COVID-19, като кашлица и кихане, аерозоли, произхождащи от речта, активно предават респираторни заболявания, включително COVID-19. Въпреки това, новите изследвания трябва да разширят тези открития, за да получат по-добро количествено разбиране на речевите аерозоли, генерирани в реални условия.

.