Einführung
Der aktuelle Ausbruch der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) zeigt deutlich, welche Belastung eine eng vernetzte Welt durch Atemwegsinfektionen mit sich bringt. Um die Ausbreitung von COVID-19 einzudämmen, wurden beispiellose Eindämmungs- und Eindämmungsmaßnahmen umgesetzt, darunter Reisebeschränkungen, Überprüfungen und Tests von Reisenden, Isolation und Quarantäne sowie Schulschließungen.
Ein Hauptziel solcher Maßnahmen besteht darin, Begegnungen zwischen infizierten Personen und anfälligen Personen zu verringern und die Übertragungsrate zu verlangsamen. Obwohl solche sozialen Distanzierungsstrategien in der aktuellen Zeit der Pandemie von entscheidender Bedeutung sind, mag es überraschend erscheinen, dass das derzeitige Verständnis der Übertragungswege von Wirt zu Wirt bei Infektionskrankheiten der Atemwege auf einem in den 1990er Jahren entwickelten Modell der Krankheitsübertragung basiert. 1930 , was nach modernen Maßstäben zu stark vereinfacht erscheint.
Die Umsetzung von Empfehlungen zur öffentlichen Gesundheit, die auf diesen älteren Modellen basieren, kann die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Interventionen einschränken.
Verständnis der Übertragung von Infektionskrankheiten der Atemwege
Im Jahr 1897 zeigte Carl Flügge, dass Krankheitserreger in Ausatmungströpfchen vorhanden waren, die groß genug waren, um sich um ein infiziertes Individuum herum anzusiedeln. Man ging davon aus , dass die „Tröpfchenübertragung“ durch Kontakt mit der ausgestoßenen und infizierten flüssigen Phase von Tröpfchen der Hauptweg für die Übertragung von Atemwegserkrankungen ist. Diese Ansicht setzte sich durch, bis William F. Wells sich in den 1930er Jahren auf die Übertragung von Tuberkulose konzentrierte und die Tröpfchenemissionen der Atemwege in „große“ und „kleine“ Tröpfchen dichotomisierte .
Beim Ausatmen entstehen laut Wells vereinzelte Tröpfchen.
- Große Tröpfchen setzen sich schneller ab als sie verdunsten und kontaminieren die unmittelbare Umgebung der infizierten Person.
- Im Gegensatz dazu verdampfen kleine Tröpfchen schneller als sie sich absetzen.
Wenn sich in diesem Modell kleine Tröpfchen von den warmen, feuchten Bedingungen des Atmungssystems in die kältere, trockenere Außenumgebung bewegen, verdampfen sie und bilden Restpartikel, die aus dem getrockneten Material der ursprünglichen Tröpfchen bestehen.
Diese Restpartikel werden Tröpfchenkeime oder Aerosole genannt.
Diese Ideen führten zu einer dichotomen Klassifizierung zwischen großen und kleinen Tröpfchen bzw. Tröpfchen und Aerosolen, die dann die Übertragung von Atemwegserkrankungen vermitteln können. Strategien zur Infektionskontrolle wurden basierend darauf entwickelt, ob eine Atemwegsinfektionskrankheit hauptsächlich über den Weg großer oder kleiner Tröpfchen übertragen wird.
Die Dichotomie zwischen großen und kleinen Tröpfchen bleibt der Kern der Klassifizierungssysteme für Übertragungswege von Atemwegserkrankungen, die von der Weltgesundheitsorganisation und anderen Behörden, wie den Centers for Disease Control and Prevention, übernommen wurden. Diese Klassifizierungssysteme verwenden mehrere willkürliche Grenzwerte für Tröpfchendurchmesser von 5 bis 10 μm, um die Übertragung von Wirt zu Wirt als Tröpfchen oder Aerosolwege zu klassifizieren.1
Solche Dichotomien bestehen im Rahmen des aktuellen Risikomanagements, der wichtigsten Empfehlungen und der Ressourcenzuweisung für das Reaktionsmanagement im Zusammenhang mit der Infektionskontrolle, auch für COVID-19, fort. Selbst wenn Richtlinien zur maximalen Eindämmung angewendet wurden, deutet die schnelle internationale Verbreitung von COVID-19 darauf hin, dass die Verwendung willkürlicher Grenzwerte für die Tröpfchengröße möglicherweise nicht genau widerspiegelt, was tatsächlich mit Atemwegsemissionen geschieht, was möglicherweise zur Unwirksamkeit einiger Verfahren beiträgt. wird eingesetzt, um die Ausbreitung von Atemwegserkrankungen einzudämmen.
Neues Modell für Atemwegsemissionen
Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass Ausatmen, Niesen und Husten nicht nur aus Schleimhauttröpfchen bestehen, die semiballistischen Emissionsflugbahnen mit kurzer Reichweite folgen, sondern hauptsächlich aus einer mehrphasigen turbulenten Gaswolke (einer Wolke) bestehen, die Umgebungsluft einfängt und ein Kontinuum von Tröpfchengrößen trägt .
Die lokal feuchte und warme Atmosphäre innerhalb der turbulenten Gaswolke ermöglicht es eingeschlossenen Tröpfchen, der Verdunstung viel länger zu entgehen als isolierte Tröpfchen. Unter diesen Bedingungen könnte die Lebensdauer eines Tröpfchens deutlich um den Faktor 1000 verlängert werden, von Sekundenbruchteilen auf Minuten.
Aufgrund der Vorwärtsdynamik der Wolke werden erregertragende Tröpfchen viel weiter getrieben, als wenn sie isoliert ausgestoßen würden, ohne von einer Wolke aus turbulenten Wolken aufgefangen und weitergetragen zu werden.
Mehrphasige turbulente Gaswolke aus einem menschlichen Niesen
Angesichts der verschiedenen Kombinationen der Physiologie eines einzelnen Patienten und der Umgebungsbedingungen wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur können die Gaswolke und ihre Ladung pathogener Tröpfchen aller Größen 7 bis 8 m (23 bis 27 Fuß ) zurücklegen. ).3,4 Wichtig ist, dass die Reichweite aller Tröpfchen, ob groß oder klein, durch ihre Wechselwirkung und ihren Einschluss in der turbulenten Gaswolke im Vergleich zum allgemein akzeptierten dichotomisierten Tröpfchenmodell, das die Möglichkeit einer Wolke nicht berücksichtigt, erweitert wird. aus heißem und feuchtem Gas. Darüber hinaus setzen sich entlang der Flugbahn Tröpfchen aller Größen ab oder verdampfen mit Geschwindigkeiten, die nicht nur von ihrer Größe, sondern auch vom Turbulenzgrad und der Geschwindigkeit der Gaswolke sowie den Eigenschaften der Umgebung abhängen. (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) und Luftstrom. Tröpfchen, die sich auf dem Weg absetzen, können Oberflächen verunreinigen, während der Rest in der sich bewegenden Wolke gefangen und verklumpt bleibt. Schließlich verlieren die Wolke und ihre Tröpfchenladung an Impuls und Kohärenz, und die verbleibenden Tröpfchen in der Wolke verdampfen, wodurch Trümmer oder Tröpfchenkerne entstehen, die stundenlang in der Luft schweben können und den vorgegebenen Luftströmungsmustern folgen. durch Lüftungs- oder Klimatisierungssysteme. Die Verdunstung von mit Krankheitserregern beladenen Tröpfchen in komplexen biologischen Flüssigkeiten ist kaum bekannt. Der Grad und die Geschwindigkeit der Verdunstung hängen weitgehend von den Umgebungstemperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen ab, aber auch von der inneren Dynamik der turbulenten Wolke sowie der Zusammensetzung der vom Patienten ausgeatmeten Flüssigkeit. |
Gaswolken beweisen ihre Fähigkeit, große Entfernungen zurückzulegen
Ein Bericht aus China aus dem Jahr 2020 zeigte, dass Viruspartikel des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in Lüftungssystemen in Krankenzimmern von Patienten mit COVID-19.5 gefunden werden konnten.
Das Auffinden von Viruspartikeln in diesen Systemen stimmt eher mit dem turbulenten Modell, der Gaswolken- Hypothese der Krankheitsübertragung, überein als mit dem dichotomen Modell, da es erklärt, wie lebensfähige Viruspartikel weite Strecken von Patienten zurücklegen können. Es ist nicht bekannt, ob diese Daten klinische Auswirkungen auf COVID-19 haben.
Implikationen für Prävention und Vorsorge
Obwohl keine Studien die Biophysik der Tröpfchen- und Gaswolkenbildung bei Patienten, die mit dem SARS-CoV-2-Virus infiziert sind, direkt untersucht haben , könnten mehrere Eigenschaften der ausgeatmeten Gaswolke und der Übertragung über die Atemwege auf diesen Erreger zutreffen. Wenn ja, könnte diese Möglichkeit die aktuellen Empfehlungen beeinflussen, die darauf abzielen, das Risiko einer Krankheitsübertragung zu minimieren.
In den neuesten Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation zu COVID-19 wird medizinischem Personal und anderem Personal empfohlen, zwischen 1 m und 6 Fuß Abstand zu einer Person zu halten, die Krankheitssymptome zeigt. wie Husten und Niesen. Die Centers for Disease Control and Prevention empfehlen einen Abstand von 6 Fuß (2 m) 7,8.
Diese Entfernungen basieren jedoch auf Entfernungsschätzungen, bei denen das mögliche Vorhandensein einer Wolke mit hohem Impuls, die die Tröpfchen über große Entfernungen transportiert, nicht berücksichtigt wurde. Angesichts des dynamischen Modells einer turbulenten Wolke könnten Empfehlungen für Abstände von 1–2 m (3 bis 6 Fuß) die Distanz , den Zeitrahmen und die Beständigkeit, über die sich die Wolke und ihre pathogene Ladung bewegen, unterschätzen und so zu einer Reihe unterschätzter potenzieller Expositionen führen für einen Mitarbeiter im Gesundheitswesen.
| Aus diesen und anderen Gründen ist das Tragen angemessener persönlicher Schutzausrüstung für Mitarbeiter im Gesundheitswesen, die möglicherweise infizierte Patienten betreuen, von entscheidender Bedeutung, auch wenn sie mehr als 1,80 Meter vom Patienten entfernt sind. |
Die Dynamik der turbulenten Gaswolke sollte das Design und die empfohlene Verwendung von chirurgischen und anderen Masken beeinflussen. Diese Masken können sowohl zur Quellenkontrolle (d. h. zur Reduzierung der Ausbreitung durch eine infizierte Person) als auch zum Schutz des Trägers (d. h. zur Verhinderung der Ausbreitung auf eine nicht betroffene Person) verwendet werden.
Die Schutzwirkung von N95-Masken hängt von ihrer Fähigkeit ab, einströmende Luft aus aerosolisierten Tröpfchenkernen zu filtern. Allerdings sind diese Masken nur für einen bestimmten Bereich an Umgebungs- und örtlichen Bedingungen und eine begrenzte Nutzungsdauer ausgelegt.9
Die Wirksamkeit der Maske als Quellenkontrolle hängt von der Fähigkeit der Maske ab, die Emission von Gaswolken mit hohem Impuls und ihren Krankheitserregern einzufangen oder zu verändern. Nutzvolle Ladung. Die maximale Ausatemgeschwindigkeit kann bis zu 10–30 m/s (33–100 Fuß pro Sekunde) erreichen, wodurch eine Wolke entsteht, die sich über eine Länge von ca. 7–8 m (23–27 Fuß ) erstrecken kann .
Schutz- und Quellschutzmasken sowie andere Schutzausrüstungen müssen in der Lage sein, wiederholt der Art von mehrphasigen turbulenten Gaswolken mit hohem Impuls zu widerstehen, die beim Niesen oder Husten und bei der Exposition gegenüber ihnen ausgestoßen werden können. Derzeit verwendete chirurgische und N95-Masken werden nicht auf diese potenziellen Atememissionseigenschaften getestet .
Es besteht Bedarf, die Biophysik der Übertragung von Atemwegserkrankungen von Wirt zu Wirt zu verstehen , die die Physiologie, Pathogenese und epidemiologische Ausbreitung der Krankheit im Wirt erklärt.
Die rasche Verbreitung von COVID-19 unterstreicht die Notwendigkeit, die Dynamik der Übertragung von Atemwegserkrankungen durch eine bessere Charakterisierung der Übertragungswege, die Rolle der Patientenphysiologie bei deren Gestaltung und die besten Ansätze zur Quellenkontrolle besser zu verstehen, um den Schutz für Mitarbeiter an vorderster Front potenziell zu verbessern und zu verhindern dass sich die Krankheit nicht auf die schwächsten Mitglieder der Bevölkerung ausbreitet.
