8 квітня, 2020
Турбулентні газові хмари та респіраторна передача збудника: потенційні можливості зниження розповсюдження COVID-19
Ефективність та доцільність використання засобів індивідуального захисту (ЗІЗ) не тільки серед медичних працівників, а й серед усього населення спричинили особливо гострі дискусії під час епідемії COVID‑19. Точка зору офіційних джерел у різних країнах світу поступово еволюціонує від застосування ЗІЗ лише медичними працівниками, хворими, а також тими, хто контактує з хворими, до рекомендації носити захисну маску кожному в публічних місцях. На жаль, цей поступ триває занадто довго, адже перші дані щодо асимптомної передачі COVID‑19 з’явилися ще на початку лютого поточного року.
У статті L. Bourouiba (Массачусетський технологічній інститут, США) пропонується модель передачі вірусних інфекцій за рахунок вивільнення турбулентної газоаерозольної хмари. Така хмара може формуватися як при чханні, так і при звичайному сильному видиханні повітря та переміщуватися на достатньо великі відстані, що в декілька разів перевищують загальнорекомендовані 1-2 м. Аерозольна хмара після випаровування дрібних крапель може тривалий час залишатися в підвішеному стані.
Теперішній спалах коронавірусної хвороби 2019 (COVID‑19) яскраво демонструє труднощі, що виникли з розповсюдженням респіраторних інфекцій у тісно пов’язаному світі. Впроваджено безпрецедентну політику стримування та пом’якшення наслідків з метою локалізації розповсюдження COVID‑19, включаючи обмеження подорожей, перевірку та тестування подорожуючих, ізоляцію та карантин, а також закриття шкіл.
Ключовою метою таких дій є зменшення взаємодії між інфікованими та сприйнятливими особами й уповільнення швидкості передачі збудника. Хоча такі стратегії соціального дистанціювання є критичними під час пандемії, може здатися дивним, що сучасне розуміння шляхів передачі збудника від людини до людини при респіраторних інфекційних захворюваннях ґрунтується на моделі, розробленій у 1930-ті роки, та, за сучасними мірками виглядає надмірно спрощеним. Реалізація рекомендацій щодо охорони здоров’я на основі цих застарілих моделей може обмежити ефективність запропонованих заходів.
Механізм передачі респіраторних інфекційних захворювань
У 1897 році Карл Флюгге виявив, що краплі, які людина виділяє при видиху, з присутнім у них збудником мають достатньо великі розміри, щоб осісти навколо інфікованої особи. «Крапельна передача» при контакті з виділеннями й інфікованими краплями рідини вважалася основним способом розповсюдження респіраторних захворювань. Цей погляд був досить поширений до того, як Вільям Ф. Уеллс зосередився на темі передачі туберкульозу в 1930-х роках і дихотомізував виділення дихальних крапель на великі та дрібні.
Згідно з В.Ф. Уеллсом, окремі краплі виділяються при видиху. Великі краплі осідають швидше, ніж випаровуються, забруднюючи безпосереднє оточення інфікованої особи. Натомість дрібні крапельки випаровуються швидше, ніж осідають. В цьому випадку дрібні крапельки, переходячи з теплих і вологих умов дихальної системи до холоднішого та сухішого зовнішнього середовища, випаровуються й утворюють залишкові частинки, що складаються з висушеного матеріалу від початкових крапель. Такі залишкові частинки називають краплинними ядрами, або аерозолями. Ці ідеї стали результатом дихотомічної класифікації між великими та дрібними крапельками чи крапельками й аерозолем, які можуть потім опосередковувати передачі респіраторних захворювань. Розроблення стратегій боротьби з інфекціями базувалося на передачі респіраторного інфекційного захворювання шляхом великих або дрібних крапель.
Розподіл на великі та дрібні краплі залишається в основі класифікацій шляхів передачі респіраторних захворювань, розроблених Всесвітньою організацією охорони здоров’я й іншими установами, як-от Центри з контролю та профілактики захворювань США. Ці класифікації використовують різноманітні мінімальні діагностичні діаметри крапель (від 5 до 10 мкм) для категоризації передачі інфекції від людини до людини краплинним або аерозольним шляхом. Такий послідовний розподіл на дві частини продовжує лежати в основі поточного управління ризиками, рекомендацій та розподілу ресурсів управління діями у відповідь, пов’язаних із контролем інфікування, в т. ч. для COVID‑19. Навіть при застосовуванні стратегії максимального стримування швидке міжнародне розповсюдження COVID‑19 дозволяє припустити, що використання умовного мінімального діагностичного розміру крапель може не відображати достовірної оцінки того, що насправді відбувається з респіраторними виділеннями, можливо, сприяючи неефективності деяких процедур, котрі застосовуються для обмеження поширення респіраторних захворювань.
Нова модель респіраторної передачі
Нещодавні дослідження виявили, що видихи, чхання та кашель містять не тільки слизово-слинні краплі, що розповсюджуються виділеннями на короткі відстані напівбалістичних траєкторій, але, що важливо, здебільшого складаються з багатофазної турбулентної газової (дихальної) хмари, яка охоплює навколишнє повітря та пастки, формуючи нерозривне скупчення крапель із великою різноманітністю варіантів розмірів (рис.).
Рис. Багатофазна турбулентна газова (дихальна) хмара при чханні людини
Локальне вологе тепле середовище всередині турбулентної газової хмари дозволяє краплям уникати випаровування набагато довше, ніж це відбувається з ізольованими краплями. За таких умов період існування краплі може бути істотно подовжений (до 1000 разів) – від долі секунди до хвилини.
Унаслідок спрямованої швидкості хмари крапельки з патогенним збудником просуваються набагато далі. Цього б не відбулося, якби вони виділялися ізольовано, без захвату в турбулентну газову хмару, і не переносилися б уперед. Враховуючи різноманітність поєднання фізіологічних особливостей окремого пацієнта та умов навколишнього середовища, як-от вологість та температура, газова хмара та її навантаження патогенумісними краплями всіх розмірів може розповсюджуватися на відстань від 23 до 27 футів (7-8 м). Важливо, що ділянка розповсюдження всіх крапель (великих і дрібних) розширюється за рахунок їх взаємодії та охоплення турбулентною газовою хмарою порівняно із загальноприйнятою дихотомізованою моделлю крапель, яка не враховує можливостей теплої вологої газової хмари. Крім того, впродовж всього переміщення краплі всіх розмірів осідають чи випаровуються зі швидкістю, що залежить не тільки від їхнього розміру, а й від ступеня турбулентності та швидкості газової хмари (в поєднанні з властивостями навколишнього середовища – температура, вологість повітря та повітряний потік).
Крапельки, які осідають уздовж лінії руху, можуть забруднювати поверхні, тоді як решта залишається захопленою та скупченою в рухомій хмарі. З часом хмара та її краплинне навантаження втрачають темп й узгодженість, краплі всередині хмари випаровуються, утворюючи залишки чи краплинні ядра, які можуть утримуватися в підвішеному стані в повітрі годинами, рухаючись за повітряними потоками, спричиненими вентиляцією чи системами кліматичного контролю. Механізми випаровування крапель з великим умістом патогенного фактора в поєднанні з біологічними рідинами вивчені недостатньо. Ступінь та швидкість випаровування багато в чому залежать від температури та вологості навколишнього середовища, а також від внутрішньої динаміки турбулентного потоку хмари в поєднанні зі складом рідини, що видихається пацієнтом.
Звіт із Китаю за 2020 рік показав, що частинки коронавірусу тяжкого гострого респіраторного синдрому‑2 (SARS-CoV‑2) можуть бути знайдені у вентиляційних системах лікарняних палат пацієнтів із COVID‑19. Виявлення вірусних частинок у цих системах більше узгоджується з гіпотезою передачі хвороби через турбулентну газову хмару, ніж за рахунок дихотомічної моделі, оскільки вона пояснює, як життєздатні вірусні частинки можуть подолати великі відстані від пацієнтів. Чи мають ці дані клінічні наслідки щодо COVID‑19, достеменно невідомо.
Заходи для запобігання та профілактики
Хоча дослідження цілеспрямованої оцінки біофізики крапель та утворення газової хмари в пацієнтів, інфікованих вірусом SARS-CoV‑2, відсутні, деякі властивості газової хмари, що видихається, та респіраторної передачі можуть застосовуватися до цього збудника хвороби. Якщо так, то ця можливість може вплинути на поточні рекомендації, спрямовані на мінімізацію ризику передачі захворювання. В останніх рекомендаціях Всесвітньої організації охорони здоров’я щодо COVID‑19 медичним працівникам та іншому персоналу рекомендується тримати відстань у 3 фути (1 м) від людини, в якої виявляються симптоми захворювання, як-от кашель і чхання. Центри з контролю та профілактики захворювань США рекомендують дистанцію в 6 футів (2 м), однак ці відстані базуються на оцінці інтервалів, які не враховують можливої наявності хмари високого імпульсу, що переносить краплі на великі відстані. Враховуючи динамічну модель турбулентного виділення хмари, рекомендації щодо дистанції в 3-6 футів (1-2 м) можуть занижувати відстань, період часу та стійкість, під час якої хмара та її патогенний уміст рухаються, формуючи недооцінений діапазон потенційного ризику для медичного працівника. З цих та інших причин носіння відповідних ЗІЗ є життєво важливим для медичних працівників, котрі доглядають за пацієнтами, які можуть бути інфікованими, навіть якщо вони знаходяться на відстані 6 футів від пацієнта. Динамічні характеристики турбулентної газової хмари мають впливати на дизайн і рекомендоване використання хірургічних та інших масок. Ці маски можна використовувати як для контролю над джерелом (для зменшення розповсюдження патогена від інфікованої людини), так і для захисту власника (запобігання поширенню патогена на неінфіковану особу). Захисна ефективність респіраторів N95 залежить від їхньої здатності фільтрувати повітря, що надходить у вигляді аерозолю краплинних ядер, однак ці маски розроблені лише для певного діапазону екологічних і місцевих умов та обмежені в тривалості використання. Ефективність маски як контролю джерела залежить від її здатності захоплювати чи змінювати виділення турбулентної хмари з високим імпульсом та патогенним вмістом. Максимальна швидкість видиху може досягати від 33 до 100 футів на секунду (10-30 м/с), створюючи хмару, яка може охопити відстань від 23 до 27 футів (7-8 м). Захисні маски та засоби мають бути здатними до багаторазової стійкості в разі багатофазних турбулентних газових хмар, що можуть викидатися під час чхання чи кашлю, та потраплянь від них. Наразі хірургічні маски та респіратори N95, що використовуються, не перевіряються на вищезазначені потенційні характеристики респіраторної передачі.
Необхідно дослідити біофізику передачі респіраторних захворювань від людини до людини, що враховує фізіологію приймаючого організму, патогенез та епідеміологічне поширення хвороби. Стрімке поширення COVID‑19 підкреслює необхідність кращого розуміння динаміки передачі респіраторних захворювань за допомогою вдосконаленого вивчення шляхів передачі, ролі фізіології пацієнтів у їх формуванні та найоптимальніших підходів до контролю джерел для потенційного покращення захисту працівників першої лінії та попередження поширення хвороби серед найвразливіших верств населення.
При підготовці публікації використано матеріали:
Bourouiba L. Turbulent Gas Clouds and Respiratory Pathogen Emissions JAMA. Published Online: March 26, 2020. doi:10.1001/jama.2020.4756
Підготувала Марія Ільницька