Investigadores encuentran que las partículas de coronavirus pueden permanecer en el aire hasta por 14 minutos

Los investigadores del NIH encuentran que las partículas de coronavirus que se propagan al hablar pueden permanecer en el aire hasta por 14 minutos

Las gotitas del habla generadas por portadores asintomáticos del coronavirus 2 del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2) se consideran cada vez más un modo probable de transmisión de la enfermedad. Las observaciones de dispersión de luz láser altamente sensibles han revelado que el habla en voz alta puede emitir miles de gotas de fluido oral por segundo. En un ambiente de aire cerrado y estancado, desaparecen de la ventana de visión con constantes de tiempo en el rango de 8 a 14 min, que corresponde a núcleos de gotas de ca. Diámetro de 4 μm, o gotas de 12 a 21 μm antes de la deshidratación. Estas observaciones confirman que existe una probabilidad sustancial de que el habla normal provoque la transmisión del virus en el aire en entornos confinados.

Desde hace tiempo se reconoce que los virus respiratorios pueden transmitirse a través de gotas que se generan al toser o estornudar. Es menos conocido que el habla normal también produce miles de gotas de líquido oral con una distribución de tamaño amplia ( aproximadamente 1 μm a 500 μm) ( 1 , 2 ). Las gotitas pueden albergar una variedad de patógenos respiratorios, incluidos el sarampión ( 3 ) y el virus de la influenza ( 4 ), así como Mycobacterium tuberculosis ( 5 ). Se han detectado altas cargas virales de coronavirus 2 del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2) en fluidos orales de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19) – pacientes positivos ( 6 ), incluidos los asintomáticos (7 ) Sin embargo, el posible papel de los pequeños núcleos de gotitas del habla con diámetros de menos de 30 μm, que potencialmente podrían permanecer en el aire durante largos períodos de tiempo ( 1 , 2 , 8 , 9 ), no ha sido ampliamente apreciado.

En un informe reciente ( 10 ), utilizamos una intensa lámina de luz láser para visualizar ráfagas de gotas de voz producidas durante frases orales repetidas. Este método reveló tasas promedio de emisión de gotas de ca. 1,000 s ⁻¹ con tasas de emisión máximas de hasta 10,000 s ⁻¹ , con un volumen integrado total mucho más alto que en informes anteriores ( 1 , 2 , 8 , 9) La alta sensibilidad del método de dispersión de la luz en la observación de gotas de tamaño mediano (10 μm a 100 μm), una fracción de las cuales permanece en el aire durante al menos 30 s, probablemente explica el gran aumento en el número de gotas observadas. Aquí, derivamos estimaciones cuantitativas tanto para el número como para el tamaño de las gotas que permanecen en el aire. Las gotas más grandes, que también son abundantes pero asociadas con la transferencia directa de virus o la transmisión de fómites ( 11 ), o que pueden resuspender en el aire en un momento posterior ( 12 ), no se consideran aquí.

Según la ley de Stokes, la velocidad terminal de una gota que cae se escala como el cuadrado de su diámetro. Una vez en el aire, las gotas generadas por el habla se deshidratan rápidamente debido a la evaporación, disminuyendo así su tamaño ( 13 ) y disminuyendo su caída. La probabilidad de que una gota contenga uno o más viriones se escala con su volumen hidratado inicial, es decir, como el cubo de su diámetro, d . Por lo tanto, la probabilidad de que las gotitas del habla transmitan una infección cuando es emitida por un portador de virus debe tener en cuenta cuánto tiempo los núcleos de gotitas permanecen en el aire (proporcional a d ⁻² ) y la probabilidad de que las gotitas encapsulen al menos un virión (proporcional a d ³ ) , cuyo producto es proporcional a d.

La cantidad en que una gota se encoge con la deshidratación depende de la fracción de materia no volátil en el fluido oral, que incluye electrolitos, azúcares, enzimas, ADN y restos de glóbulos blancos y epiteliales deshidratados. Mientras que la saliva pura contiene 99.5% de agua al salir de las glándulas salivales, la fracción de peso de la materia no volátil en el fluido oral cae en el rango de 1 a 5%. Presumiblemente, este amplio rango resulta de grados diferenciales de deshidratación de la cavidad oral durante la respiración y el habla normales y de la disminución de la actividad de las glándulas salivales con la edad. Dada una fracción de peso no volátil en el rango de 1 a 5% y una densidad supuesta de 1.3 g⋅mL ⁻¹para esa fracción, la deshidratación hace que el diámetro de una gota emitida se reduzca a aproximadamente 20 a 34% de su tamaño original, disminuyendo así la velocidad a la que cae ( 1 , 13 ). Por ejemplo, si una gota con un diámetro inicial de 50 μm se contrae a 10 μm, la velocidad a la que cae disminuye de 6.8 cm⋅s ⁻¹ a aproximadamente 0.35 cm⋅s ⁻¹ . La distancia sobre la cual las gotas viajan lateralmente desde la boca del hablante durante su trayectoria descendente está dominada por el volumen total y la velocidad de flujo del aire exhalado ( 8 ). La velocidad del flujo varía con la fonación ( 14 ), mientras que el volumen total y el recuento de gotas aumentan con el volumen ( 9) Por lo tanto, en un entorno de aire estancado, los núcleos de gotitas generados al hablar persistirán como una nube que desciende lentamente que emana de la boca del hablante, con la velocidad de descenso determinada por el diámetro de los núcleos de gotitas de voz deshidratadas.

La hipótesis de acción independiente (IAH) establece que cada virión tiene una probabilidad igual, distinta de cero, de causar una infección. Se demostró la validez de IAH para la infección de larvas de insectos por baculovirus ( 15 ), y de plantas por variantes de virus de grabado de tabaco que portaban marcadores de proteínas fluorescentes verdes ( 16 ). IAH se aplica a sistemas donde el huésped es altamente susceptible, pero el grado en que IAH es válido para humanos y SARS-CoV-2 aún no se ha establecido firmemente. Para COVID-19, con una carga promedio de ARN del virus del fluido oral de 7 × 10 ⁶ copias por mililitro (máximo de 2.35 × 10 ⁹ copias por mililitro) ( 7), la probabilidad de que una gota de 50 μm de diámetro, antes de la deshidratación, contenga al menos un virión es ∼37%. Para una gota de 10 μm, esta probabilidad cae al 0,37%, y la probabilidad de que contenga más de un virión, si se genera a partir de una distribución homogénea de fluido oral, es insignificante. Por lo tanto, las gotitas en el aire representan un riesgo significativo solo si IAH se aplica a la transmisión del virus humano. Teniendo en cuenta que se ha informado una transmisión frecuente de persona a persona en entornos comunitarios y de atención médica, parece probable que la IAH se aplique a COVID-19 y otras enfermedades respiratorias altamente contagiosas, como la gripe y el sarampión.

Resultados y discusión

La salida de un láser Verdi Coherente verde (532 nm) que funciona a una potencia óptica de 4 W se transformó con óptica esférica y cilíndrica en una lámina luminosa de ∼1 mm de espesor y 150 mm de altura. Esta lámina de luz pasó a través de ranuras centradas en lados opuestos de una caja cúbica de 226 L. Cuando se activa, un ventilador para muffins de 40 mm y 12 V dentro del gabinete homogeneiza espacialmente la distribución de partículas en el gabinete. Una película que muestra el arreglo está disponible ( 17 ). Se grabaron clips de película de núcleos de gotas de voz a una velocidad de cuadro de 24 Hz con resolución de alta definición (1.920 × 1.080 píxeles). La lente de la cámara proporcionó un campo de visión horizontal de ∼20 cm. Por lo tanto, el volumen interceptado por la hoja de luz y visto por la cámara es de ∼30 cm ³. El número total de partículas en el gabinete se puede aproximar multiplicando el número promedio de partículas detectadas en un solo cuadro de película por la relación de volumen del gabinete a la hoja visualizada, que es ∼7,300. Las corrientes de convección lentas, a velocidades de unos pocos centímetros por segundo, permanecieron durante la grabación. Estas corrientes de convección se atribuyen a un gradiente de temperatura de 0.5 ° C en el gabinete (de abajo hacia arriba) que probablemente se deba al calor disipado por la cámara iPhone11, que se adjuntó a la parte frontal del gabinete. Dado que el flujo de aire neto a través de cualquier plano horizontal del recinto es cero, esta convección no afecta la velocidad promedio a la que los núcleos de gotas caen al fondo del recinto.

Con el ventilador de circulación interna encendido, el recinto se purgó con aire filtrado con HEPA durante varios minutos. Luego, se cerró el obturador de purga, se inició el clip de película, se abrió el puerto del altavoz y alguien «repitió la frase» mantenerse saludable «durante 25 s» llenó «el recinto con gotas de voz. Se eligió esta frase porque se descubrió que la fonación “th” en la palabra “saludable” era un generador eficiente de gotitas de fluido oral. El ventilador interno se apagó 10 s después de finalizar el discurso y la cámara continuó grabando durante 80 minutos. El clip de película se analizó cuadro por cuadro para determinar el número de puntos / rayas cuya intensidad máxima de un solo píxel excedió un valor umbral de 30. Fig. 1representa la disminución dependiente del tiempo en el número de partículas de dispersión detectadas. Todavía no podemos vincular cuantitativamente la intensidad de luz dispersa observada con el tamaño de la partícula de dispersión porque la intensidad de luz varía a través de la lámina. Sin embargo, se encontró que el 25% más brillante decae más rápidamente que la fracción más tenue, con las dos curvas razonablemente bien descritas por tiempos de decaimiento exponencial de 8 y 14 min, respectivamente ( Fig. 1 A ). Estos ajustes indican que, cerca del tiempo 0, había, en promedio, aproximadamente nueve núcleos de gotas en la ventana de observación de 30 cm ³ , con los núcleos más grandes y brillantes (en promedio) cayendo al fondo del recinto a velocidades más rápidas que el los más pequeños y tenues.