Životnost malých kapiček řeči ve vzduchu a jejich potenciální význam při přenosu SARS-CoV-2

Výsledky a diskuse

Výstup ze zeleného (532 nm) laseru Coherent Verdi pracujícího s optickým výkonem 4 W byl pomocí sférické a cylindrické optiky transformován do světelného listu o tloušťce ∼1 mm a výšce 150 mm. Tento světelný list procházel štěrbinami vycentrovanými na protilehlých stranách krychlového 226-L krytu. Po aktivaci 40mm 12V muffinový ventilátor uvnitř krytu prostorově homogenizuje rozložení částic v krytu. K dispozici je film zobrazující toto uspořádání (17). Filmové záběry jádra řečových kapek byly zaznamenány při snímkové frekvenci 24 Hz s vysokým rozlišením (1 920 × 1 080 pixelů). Objektiv kamery poskytoval horizontální zorné pole ∼20 cm. Objem zachycený světelnou vrstvou a zobrazený kamerou je tedy ∼30 cm3. Celkový počet částic v krytu lze aproximovat vynásobením průměrného počtu částic detekovaných v jednom snímku filmu poměrem objemu krytu k zviditelňovanému listu, který je ∼7,300. Pomalé konvekční proudy o rychlosti několika centimetrů za sekundu přetrvávaly po celou dobu záznamu. Tyto konvekční proudy se připisují teplotnímu gradientu 0,5 °C v krytu (zespodu nahoru), který je pravděpodobně způsoben teplem odváděným kamerou iPhone11 , která byla připevněna na přední straně krytu. Vzhledem k tomu, že čistý tok vzduchu přes jakoukoli vodorovnou rovinu krytu je nulový, nemá tato konvekce vliv na průměrnou rychlost pádu jader kapek na dno krytu.

Při zapnutém vnitřním cirkulačním ventilátoru byl kryt několik minut profukován vzduchem s HEPA filtrem. Poté byla zavřena proplachovací klapka, spuštěn filmový klip, otevřen port reproduktoru a kryt byl „naplněn“ kapičkami řeči tím, že někdo po dobu 25 s opakoval frázi „zůstaň zdravý“. Tato fráze byla zvolena proto, že bylo zjištěno, že fonace „th“ ve slově „zdravý“ je účinným generátorem kapiček řeči v ústní dutině. Vnitřní ventilátor byl vypnut 10 s po ukončení řeči a kamera pokračovala v nahrávání po dobu 80 min. Filmový klip byl analyzován snímek po snímku s cílem určit počet skvrn/proužků, jejichž maximální intenzita v jednom pixelu přesáhla prahovou hodnotu 30. Záznam byl následně analyzován. Na obr. 1 je znázorněn pokles počtu detekovaných rozptylujících částic v závislosti na čase. Zatím nejsme schopni kvantitativně spojit pozorovanou intenzitu rozptýleného světla s velikostí rozptylující částice, protože intenzita světla se napříč listem mění. Bylo však zjištěno, že nejjasnějších 25 % se rozpadá rychleji než slabší frakce, přičemž obě křivky jsou poměrně dobře popsány exponenciálními dobami rozpadu 8, resp. 14 min (obr. 1A). Tyto shody naznačují, že v blízkosti času 0 se v pozorovacím okně o objemu 30 cm3 nacházelo v průměru přibližně devět jader kapek, přičemž větší a jasnější jádra (v průměru) padala na dno krytu větší rychlostí než menší a slabší jádra.

Při předpokladu, že obsah krabice je v čase 0 homogenizován muffinovým ventilátorem, odpovídá průměrný počet kapiček nalezených v jednom snímku v blízkosti času 0 cca 66 000 malých kapiček emitovaných do skříně 226-L, tj. cca 1,5 %. 2 600 malých kapiček za sekundu mluvení. Pokud by rozdělení velikosti částic bylo funkcí delta a částice by byly rovnoměrně rozloženy v krytu, očekávalo by se, že počet částic zůstane konstantní, dokud částice z horní části krytu neklesnou k horní části světelné tabule, načež by počet částic lineárně klesl na úroveň pozadí. Pozorování, že profily rozpadu jsou přibližně exponenciální, ukazuje na značnou heterogenitu velikostí částic, a to i po jejich rozdělení do dvou oddělených skupin.

Vážená průměrná rychlost rozpadu (0,085 min-1) světlé a tmavé frakce částic (obr. 1A) znamená poločas rozpadu v krytu přibližně 8 min. Za předpokladu, že tento poločas rozpadu odpovídá době potřebné k pádu částice do vzdálenosti 30 cm (polovina výšky skříňky), je její koncová rychlost pouze 0,06 cm⋅s-1, což odpovídá průměru jádra kapky ∼4 μm. Při relativní vlhkosti (27 %) a teplotě (23 °C) našeho experimentu očekáváme, že kapky dehydratují během několika sekund. Dehydratovaná částice o velikosti 4 μm odpovídá hydratované kapičce o průměru přibližně 12 až 21 μm nebo celkovému hydratovanému objemu ∼60 nL až 320 nL za 25 s hlasitého projevu. Při průměrné virové náloži 7 × 106 na mililitr (7) odhadujeme, že 1 min hlasitého mluvení vytvoří nejméně 1 000 kapiček obsahujících viriony, které zůstávají ve vzduchu více než 8 min. Ty by tedy mohly být vdechnuty dalšími osobami a podle IAH vyvolat novou infekci SARS-CoV-2.

Námi pozorovaná nejdelší rozpadová konstanta odpovídá kapičkám o hydratovaném průměru ≥12 μm při výstupu z úst. Existence ještě menších kapiček byla zjištěna na základě měření aerodynamického sizeru částic (APS) (2). APS je široce používán pro detekci aerosolových částic a je nejvhodnější pro částice v rozmezí 0,5 až 5 μm. Morawska et al. (2) detekovali při trvalé vokalizaci „aah“ až 330 částic za sekundu v rozsahu 0,8 až 5,5 μm. Vzhledem ke krátké době cesty (0,7 s) mezi výstupem z úst a detektorem APS a vysoké relativní vlhkosti (59 %) použité v této studii mohla být dehydratace kapiček neúplná. Pokud by byla v detektoru dehydratována ze 75 %, pozorovaná částice o velikosti 5,5 μm by při výstupu z úst začínala jako kapička o velikosti 8,7 μm, což je daleko mimo rozsah 12 až 21 μm pozorovaný výše pomocí rozptylu světla. Tento výsledek naznačuje, že měření pomocí APS a rozptylu světla se dokonale doplňují. Poznamenáváme však také, že i když nejmenší jádra kapiček zůstávají ve vzduchu neomezeně dlouho a jejich poločas rozpadu je dán rychlostí ventilace, při virové zátěži slin 7 × 106 kopií na mililitr je pravděpodobnost, že jádro kapičky o velikosti 1 μm (zmenšené na původně hydratovanou velikost 3 μm) obsahuje virion, pouze 0 %.01 %.

Naše současné nastavení nedetekuje každou malou částici v každém snímku filmu, a námi uváděné hodnoty jsou proto konzervativním odhadem dolní hranice. Poznamenáváme také, že virová nálož ve slinách vykazuje velké rozdíly mezi jednotlivými pacienty. Někteří pacienti mají virové titry, které převyšují průměrný titr Wölfela a spol. o více než dva řády (7, 18), čímž se počet virionů v emitovaných kapičkách zvyšuje na hodně přes 100 000 za minutu mluvení. Jádra kapiček pozorovaná v naší současné studii a dříve APS (2, 9) jsou dostatečně malá na to, aby se dostala do dolních cest dýchacích, což je spojeno se zvýšeným nepříznivým průběhem onemocnění (19, 20).

Naše metoda laserového rozptylu světla poskytuje nejen vizuální důkaz o emisi kapiček při řeči v reálném čase, ale také hodnotí jejich životnost ve vzduchu. Tato přímá vizualizace ukazuje, jak běžná řeč generuje vzdušné kapičky, které mohou zůstat suspendovány po dobu desítek minut nebo déle a jsou eminentně schopné přenášet onemocnění v uzavřených prostorách.