Krankheitsübertragende Partikel reisen wahrscheinlich weiter als bisher angenommen

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Neue Forschungsergebnisse des Pacific Northwest National Laboratory werfen Fragen darüber auf, wie weit Tröpfchen, wie die, die das Virus tragen, das COVID-19 verursacht, reisen, bevor sie harmlos werden

Eine Modellstudie wirft Fragen darüber auf, wie weit Atemtröpfchen, wie sie das Virus übertragen, das COVID-19 verursacht, reisen, bevor sie harmlos werden. Können die luftgetragenen Partikel, die das Virus tragen, nicht nur ein paar Meter, sondern mehr als 200 Fuß, also weiter als die Länge einer Eisbahn, infektiös bleiben?

Experimente aus den 1930er Jahren schlugen zwei Wege für Atemtröpfchen vor, wie sie bei einem Niesen oder Husten entstehen. Entweder sind sie groß und schwer und fallen zu Boden, ohne dass eine andere Person infiziert wird. Oder sie sind so klein und leicht, dass sie fast sofort austrocknen, in der Luft bleiben, aber sehr schnell harmlos werden. Dürre macht „umhüllte“ Viren wie Coronaviren unfähig, sich zu infizieren.

Aber eine neue Studie von Wissenschaftlern des Energieministeriums Nationales Labor des pazifischen Nordwestens schlägt eine dritte Option vor – dass kleine Atemwegspartikel länger und über eine größere Entfernung feucht und in der Luft bleiben können, als Wissenschaftler angenommen haben.

„Es gibt Berichte über mit Coronavirus infizierte Personen, die sich in Windrichtung einer infizierten Person oder in einem Raum befinden, einige Minuten nachdem eine infizierte Person diesen Raum verlassen hat“, sagte Leonard Pease, der entsprechende Autor der Studie. Die Schlussfolgerungen waren veröffentlicht in der Februarausgabe der Zeitschrift International Communications in Heat and Mass Transfer.

„Die Idee, dass umhüllte Virionen gut hydriert und daher über beträchtliche Entfernungen vollständig infektiös bleiben können, stimmt mit Beobachtungen aus der Praxis überein. Vielleicht bestehen infektiöse Atemtröpfchen länger als wir dachten“, fügte Pease hinzu.

Das PNNL-Team untersuchte ausführlich den Schleim, der die Atemtröpfchen bedeckt, die Menschen aus ihren Lungen husten. Wissenschaftler wissen, dass Schleim es vielen Viren ermöglicht, sich weiter zu bewegen, als sie es sonst tun würden, was es ihnen ermöglicht, sich von Person zu Person zu bewegen.

Carolyn Burns hält einen Filter in der Hand, mit dem Luftproben genommen und Atemwegspartikel für die in Indoor Air veröffentlichte COVID-19-Studie gesammelt werden. (Foto von Andrea Starr | PNNL)

Herkömmliche Weisheit besagt, dass sehr kleine Aerosoltröpfchen von wenigen Mikrometern, wie sie in der Lunge produziert werden, fast sofort in der Luft trocknen und harmlos werden. Aber das PNNL-Team entdeckte, dass Schleim die Gleichung verändert.

Das Team fand heraus, dass die Schleimhülle, die die Atemtröpfchen umgibt, wahrscheinlich die Verdunstungsrate verringert und die Zeit verlängert, in der die Viruspartikel in den Tröpfchen feucht gehalten werden. Da umhüllte Viren wie SARS-CoV-2 eine Fetthülle haben, die feucht gehalten werden muss, damit das Virus infektiös ist, ermöglicht die langsamere Verdunstung, dass Viruspartikel länger infektiös sind.

Das Team schätzt, dass in Schleim eingeschlossene Tröpfchen bis zu 30 Minuten lang nass bleiben und bis zu 200 Fuß hoch wandern können.

„Obwohl viele Faktoren als Variablen für die Ausbreitung von COVID vorgeschlagen wurden“, sagte Pease, „bleibt Schleim weitgehend übersehen.“

Virale Reisen zwischen Büros

Der Fokus auf Schleim hilft bei der Beantwortung einer anderen Frage: Wie bewegt sich das Virus durch ein Bürogebäude mit mehreren Räumen?

Das Einschleusen von Atemtröpfchen ist der erste Schritt für das Virus, sich über die Luft auszubreiten und diejenigen zu infizieren, die es einatmen. Die Chemikerin Carolyn Burns wurde damit beauftragt, künstliche Atemtröpfchen zu erzeugen, um zu untersuchen, wie sich Partikel von Raum zu Raum bewegen.

Am Ende wählte Burns zwei Substanzen aus, um künstlich hergestellte virusähnliche Partikel zu transportieren. Einer war Rinderschleim; das andere war Natriumalginat, eine aus Braunalgen gewonnene Verbindung. Die Verbindung wird häufig als Verdickungsmittel in Lebensmitteln wie Eiscreme und Käse verwendet.

Das Team verwendete eine Airbrush, um Tröpfchen in einem Raum von a zu verteilen Laborgebäude mit mehreren Räumen. Zusammen simulierten die Tröpfchen und die Airbrush den Hustenanfall einer Person und setzten etwa eine Minute lang Partikel in einen Quellraum frei. Ein Team unter der Leitung von Alex Vlachokostas und Burns hat die Tröpfchenkonzentration in zwei angrenzenden Räumen mit kontrollierter Gebäudelüftung gemessen.

Wissenschaftler verwendeten Kuhschleim und eine auf Algen basierende Verbindung, um Tröpfchen zu erzeugen, die den Atemtröpfchen ähneln, die die Übertragung des Coronavirus ermöglichen. (Animation von Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory)

Die experimentellen Ergebnisse des Teams, veröffentlicht am 19. Januar in Raumluftdie Schlussfolgerungen seiner früheren Modellierungsstudie wiedergeben, letztes Jahr in der Zeitschrift Building and Environment veröffentlicht.

Wissenschaftler fanden heraus, dass niedrige und hohe Filterniveaus bei der Reduzierung der Atemtröpfchenkonzentration in allen Räumen wirksam waren. Die Filtration reduzierte schnell die Tröpfchenkonzentration in angrenzenden Räumen – in etwa drei Stunden auf ein Drittel oder weniger der Konzentration ohne Filtration.

Das Team fand auch heraus, dass eine zunehmende Belüftung die Partikelkonzentration im Quellenraum schnell reduzierte. Aber die Partikelwerte in den anderen angeschlossenen Räumen stiegen sofort; Die Werte erreichten 20 bis 45 Minuten später ihren Höhepunkt, wobei heftige Luftwechsel den Höhepunkt erhöhten. Schließlich, nach dem anfänglichen Peak, sanken die Tröpfchenkonzentrationen in allen Räumen allmählich nach drei Stunden mit Filtration und nach fünf Stunden ohne.

Wissenschaftler sagen, dass ein erhöhter Luftaustausch in überfüllten Räumen in einigen Situationen von Vorteil sein kann, wie bei großen Konferenzen oder Schulversammlungen, aber unter normalen Arbeits- und Schulbedingungen kann dies die Übertragungsraten in allen Räumen eines Gebäudes erhöhen.

„Wenn Sie sich in einem windabgewandten Raum befinden und nicht die Quelle des Virus sind, sind Sie mit mehr Belüftung wahrscheinlich nicht besser dran“, sagte Pease.

Zu den Autoren des Indoor-Air-Artikels gehören Burns, Vlachokostas und Pease sowie Timothy Salsbury, Richard C. Daniel, Daniel P. James, Julia E. Flaherty, Nora Wang Esram, Ronald M. Underhill und Gourihar Kulkarni.

Beide Projekte wurden gefördert durch die Nationales Labor für virtuelle Biotechnologie, ein Konsortium der 17 nationalen Labors des DOE, die sich auf die Reaktion auf COVID-19 konzentrierten, mit Mitteln aus dem CARES Act (Coronavirus Aid, Relief, and Economic Security). Die Projekte gehören dazu mehrere Studien bei PNNL um mehr über das SARS-CoV-2-Virus und COVID-19 zu erfahren.

Eine fehlende Schicht in COVID-19-Studien: Übertragung behüllter Viren in schleimreichen Tröpfchen. Internationale Kommunikation in der Wärme- und Stoffübertragung, Februar 2022.

ZUSAMMENFASSUNG: Hier bewerten wir den Einfluss von Schleimschichten auf die Verdunstungszeit und den Transport von behüllten Viren, einschließlich SARS-CoV-2. Behüllte Viren müssen feucht bleiben, um vollständig infektiös zu sein. Doch das auf Wassertröpfchen basierende Modell von Wells spaltet Atemtröpfchen in schnell verdunstende aerosolisierte Partikel, sogenannte Tröpfchenkerne (<10 s), oder Flüssigkeitströpfchen, die auf die nächste Oberfläche fallen, und lässt keinen physikalischen Mechanismus für die Luftübertragung von vollständig infektiösen umhüllten Viren über große Flächen zurück. Entfernungen (größer als einige Meter). Die Rolle von Schleimschichten auf die Verdunstungszeiten wurde jedoch nicht berücksichtigt, obwohl die Bildung von Schleimhüllen um die flüssigen Kerne von Atemtröpfchen experimentell nachgewiesen wurde. Hier zeigen wir, dass Schleimhüllen die Trocknungszeit um mehrere Größenordnungen verlängern, so dass umhüllte Virionen gut hydratisiert und daher über beträchtliche Entfernungen vollständig infektiös bleiben können. Dies stellt einen Mechanismus bereit, durch den infektiöse umhüllte Viruspartikel als Aerosole innerhalb von Gebäuden und zwischen Gebäuden über große Entfernungen übertragen werden können. Diese Analyse ist wichtig, da die öffentlichen Gesundheitsbehörden im Allgemeinen dem Modell von Wells folgen, um Gesundheitsrichtlinien festzulegen, einschließlich Richtlinien zur sozialen/physischen Distanzierung.

Quelle: Pacific Northwest National Laboratory