Le masque, ça sert à rien, sauf pour le virus.

Le masque, ça sert à rien, sauf pour le virus.

Une étude https://doi.org/10.1073/pnas.2006874117

National Institutes of Health: Bethesda, MD, US - 13 mai 2020

La durée de vie aéroportée des petites gouttelettes de parole et leur importance potentielle dans la transmission SRAS-CoV-2

Voir le profil ORCIDValentyn Stadnytskyi, Voir le profil ORCIDChristinaE. Bax, Voir le profil ORCIDAdriaan Bax, et Philip Anfinrud

PNAS a publié pour la première fois le 13 mai 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.2006874117

1. Sous la direction d’Axel T. Brunger, Stanford University, Stanford, CA, et approuvé le 4 mai 2020 (reçu pour examen le 10 avril 2020)

Résumé

Les gouttelettes de la parole générées par les porteurs asymptomatiques du coronavirus 2 (SRAS-CoV-2) sont de plus en plus considérées comme un mode probable de transmission de la maladie. Des observations très sensibles de diffusion de la lumière laser ont révélé que la parole forte peut émettre des milliers de gouttelettes de liquide oral par seconde. Dans un environnement d’air fermé et stagnant, ils disparaissent de la fenêtre de vue avec des constantes temporelles de l’ordre de 8 à 14 minutes, ce qui correspond à des noyaux de gouttelettes d’environ 4 m de diamètre, ou des gouttelettes de 12 à 21 m avant la déshydratation. Ces observations confirment qu’il y a une probabilité substantielle que la parole normale cause la transmission aéroportée de virus dans des environnements confinés.

Il est reconnu depuis longtemps que les virus respiratoires peuvent être transmis par des gouttelettes qui sont générées par la toux ou les éternuements. Il est moins largement connu que la parole normale produit également des milliers de gouttelettes de liquide oral avec une distribution de taille large(environ  1 à 500 m) (1,  2). Les gouttelettes peuvent abriter une variété d’agents pathogènes respiratoires, y compris la rougeole (3) et le virus de la grippe (4) ainsi que la tuberculose Mycobacterium  (5). Des charges virales élevées de coronavirus 2 (SRAS-CoV-2) ont été détectées dans les fluides buccodentaires de la maladie du coronavirus 2019 (COVID-19) - patients positifs(6), y compris asymptomatiques (7). Cependant, le rôle possible des petits noyaux de gouttelettes de la parole avec des diamètres de moins de 30 m, qui pourraient potentiellement rester en vol pendant de longues périodes de temps (1,  2,  8,  9),n’a pas été largement apprécié.

Dans un rapport récent (10), nous avons utilisé une feuille intense de lumière laser pour visualiser des éclats de gouttelettes de la parole produites au cours de phrases parlées répétées. Cette méthode a révélé des taux moyens d’émission de gouttelettes  ca.  d’environ 1 000 s¹  avec des taux d’émission de pointe aussi élevés que 10 000 s¹, avec un volume intégré total beaucoup plus élevé que dans les rapports précédents (1,  2,  8,  9). La sensibilité élevée de la méthode de diffusion de la lumière dans l’observation des gouttelettes de taille moyenne (10 m à 100 m), dont une fraction reste en suspension dans l’air pendant au moins 30 s, explique probablement la forte augmentation du nombre de gouttelettes observées. Ici, nous tirons des estimations quantitatives pour le nombre et la taille des gouttelettes qui restent en vol. De plus grosses gouttelettes, qui sont également abondantes mais associées à un transfert direct de virus à proximité ou à la transmission de fomites (11), ou qui peuvent être résumées dans l’air à un moment ultérieur (12), ne sont pas considérées ici.

Selon la loi de Stokes, la vitesse terminale d’une chute des écailles de gouttelettes comme le carré de son diamètre. Une fois en suspension dans l’air, les gouttelettes générées par la parole se déshydratent rapidement en raison de l’évaporation, diminuant ainsi en taille(13) et ralentissant leur chute. La probabilité qu’une gouttelette contient une ou plusieurs écailles de virions avec son volume hydraté initial, c’est-à-dire comme le cube de son diamètre,  d. Par conséquent, la probabilité que les gouttelettes de la parole transmettent une infection lorsqu’elles sont émises par un porteur de virus doit tenir compte de la durée des noyaux de gouttelettes qui restent en suspension dans l’air (proportionnelle à  d²) et de la probabilité que les gouttelettes encapsuisent au moins une virion (proportionnelle à  d³), dont le produit est proportionnel à  d.

La quantité par laquelle une gouttelette se rétrécit sur la déshydratation dépend de la fraction de la matière non volatile dans le liquide oral, qui comprend des électrolytes, des sucres, des enzymes, de l’ADN, et des restes de globules épithéliaux et blancs déshydratés. Alors que la salive pure contient 99,5% d’eau en sortant des glandes salivaires, la fraction de poids de la matière non volatile dans le liquide oral tombe dans la plage de 1 à 5%. Vraisemblablement, ce large éventail résulte de degrés différentiels de déshydratation de la cavité buccale pendant la respiration normale et la parole et de l’activité diminuée de glande salivaire avec l’âge. Compte tenu d’une fraction de poids non volatile dans la plage de 1 à 5% et d’une densité supposée de 1,3gdemL¹  pour cette fraction, la déshydratation fait rétrécir le diamètre d’une goutte d’eau émise à environ 20 à 34% de sa taille d’origine, ralentissant ainsi la vitesse à laquelle elle tombe(1,  13). Par exemple, si une gouttelette d’un diamètre initial de 50 m se rétrécit à 10 m, la vitesse à laquelle elle tombe diminue de 6,8 cm⋅sà environs⁻¹  0,35 cmà¹. La distance sur laquelle les gouttelettes se déplacent latéralement de la bouche de l’orateur pendant leur trajectoire descendante est dominée par le volume total et la vitesse d’écoulement de l’air expiré (8). La vitesse de débit varie en fonction de la phonation (14), tandis que le volume total et le nombre de gouttelettes augmentent avec le bruit (9). Par conséquent, dans un environnement d’air stagnant, les noyaux de gouttelettes générés par la parole persisteront comme un nuage descendant lentement émanant de la bouche de l’orateur, avec le taux de descente déterminé par le diamètre des noyaux déshydratés de gouttelette de la parole.

L’hypothèse d’action indépendante (IAH) indique que chaque virion a une probabilité égale et non zéro de causer une infection. La validité de l’IAH a été démontrée pour l’infection des larves d’insectes par le baculovirus (15), et des plantes par des variantes de virus de l’échage de tabac qui ont porté des marqueurs fluorescents verts de protéine (16). L’IAH s’applique aux systèmes où l’hôte est très sensible, mais la mesure dans laquelle l’IAH est valable pour les humains et le SRAS-CoV-2 n’a pas encore été fermement établie. Pour le COVID-19, avec une charge moyenne d’ARN de virus de fluide oral de 7 à 10⁶  copies par millilitre (maximum de 2,35 à 10⁹  exemplaires par millilitre) (7), la probabilité qu’une gouttelette de 50 m de diamètre, avant la déshydratation, contienne au moins une virion est  de37 %. Pour une gouttelette de 10 m, cette probabilité tombe à 0,37 %, et la probabilité qu’elle contienne plus d’une virion, si elle est générée par une distribution homogène de liquide oral, est négligeable. Par conséquent, les gouttelettes en suspension dans l’air ne présentent un risque important que si l’IAH s’applique à la transmission du virus humain. Étant donné que la transmission fréquente de personne à personne a été signalée dans les milieux communautaires et de soins de santé, il semble probable que l’IAH s’applique au COVID-19 et à d’autres maladies respiratoires atmosphériques très contagieuses, comme la grippe et la rougeole.

Résultats et discussion

La sortie d’un laser Verdi cohérent vert (532 nm) fonctionnant à une puissance optique de 4-W a été transformée avec une optique sphérique et cylindrique en une feuille lumineuse d’uneépaisseur de 1 mm et de 150 mm de haut. Cette feuille lumineuse passait par des fentes centrées sur les côtés opposés d’un boîtier cubique de 226 L. Lorsqu’il est activé, un ventilateur de muffins de 40 mm et 12 V à l’intérieur de l’enceinte homogénéise spatialement la distribution de particules dans l’enceinte. Un film montrant l’arrangement est disponible (17). Des extraits de noyaux de gouttelettes de la parole ont été enregistrés à un taux d’image de 24 Hz avec résolution haute définition (1 920 à 1 080 pixels). L’objectif de la caméra a fourni un champ de vision horizontal  de20 cm. Par conséquent, le volume intercepté par la feuille de lumière et visualisé par la caméra est  de30 cm^3. Le nombre total de particules dans l’enceinte peut être approximatif en multipliant le nombre moyen de particules détectées dans un seul film par le rapport de volume de l’enceinte à la feuille visualisée, qui est de 7 300 euros. Les courants de convection lente, à des vitesses de quelques centimètres par seconde, sont restés pendant toute la durée de l’enregistrement. Ces courants de convection sont attribués à un gradient de température de 0,5 oC dans l’enceinte (de bas en haut) qui est probablement dû à la chaleur dissipé par la caméra iPhone11, qui était attachée à l’avant de l’enceinte. Étant donné que le flux d’air net sur n’importe quel plan horizontal de l’enceinte est nul, cette convection n’a pas d’impact sur la vitesse moyenne à laquelle les noyaux de gouttelettes tombent au fond de l’enceinte.

Avec le ventilateur de circulation interne allumé, l’enceinte a été purgée avec de l’air filtré HEPA pendant plusieurs minutes. Puis, l’obturateur de purge a été fermé, le clip du film a été lancé, le port haut-parleur a été ouvert, et l’enceinte a été "rempli" de gouttelettes de la parole par quelqu’un répétant l’expression "rester en bonne santé" pour 25 s. Cette phrase a été choisie parce que la phonation « th » dans le mot « sain » s’est avérée être un générateur efficace de gouttelettes orales de la parole fluide. Le ventilateur interne a été éteint 10 s après la parole a été terminée, et la caméra a continué l’enregistrement pendant 80 min. Le clip a été analysé image par image pour déterminer le nombre de taches/stries dont l’intensité maximale d’un pixel dépassait une valeur seuil de 30. La figue 1  trace la diminution dépendante du temps du nombre de particules de diffusion détectées. Nous ne sommes pas encore en mesure de lier quantitativement l’intensité de la lumière dispersée observée à la taille de la particule de diffusion parce que l’intensité de la lumière varie d’une feuille à l’autre. Cependant, les 25% les plus brillants se sont avérés pour se décomposer plus rapidement que la fraction de gradateur, avec les deux courbes raisonnablement bien décrites par des temps de décomposition exponentielle de 8 et 14 min, respectivement (Fig. 1A). Ces ajustements indiquent que, près du temps 0, il y avait, en moyenne, environ neuf noyaux de gouttelettes dans lafenêtre d’observation de 30 cm^3,  les noyaux plus grands et plus lumineux (en moyenne) tombant au fond de l’enceinte à des vitesses plus rapides que les plus petits et les plus petits.

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Observation de diffusion légère des noyaux de gouttelettes de la parole aéroportées, générées par une rafale de 25 s de parler à plusieurs reprises l’expression «rester en bonne santé» d’une voix forte (maximum 85 dB_B  à une distance de 30 cm; moyenne 59 dB_B). (A) Graphique du nombre de particules par image par rapport autemps (lissé avec une moyenne mobile de 24 s), avec la courbe rouge représentant le top 25% de la luminosité de diffusion et la courbe verte représentant le reste. La fraction brillante (rouge) se désintègre avec une constante de temps de 8 min, et la fraction de gradateur (vert) se désintègre avec une constante de temps de 14 min. Les deux courbes de décomposition exponentielle reviennent à leur niveau de fond respectif  d’environ  0 (ligne horizontale rouge pointillée) et 0,4 (ligne pointillée verte) compte par image. Le temps "0" correspond au moment où le ventilateur en remuant a été éteint. L’éclatement de 25 s de parler a commencé 36 s avant l’heure 0. La flèche noire (à 0,5 min) marque le début des crises exponentielles. (B) Image de la sommede 144 cadres consécutifs (couvrant 6 s) extrait peu après la fin de l’éclatement de 25 s de parler. Le cercle pointillé marque la pointe d’aiguille utilisée pour concentrer la caméra. L’enregistrement complet du film est disponible en arbitre. 17, avec le temps "0" dans le graphique au point d’heure 3:38 dans le film.

En supposant que le contenu de la boîte est homogénéisé par le ventilateur de muffins au moment 0, le nombre moyen de gouttelettes trouvées dans un seul cadre près du temps 0 correspond à environ  66 000 petites gouttelettes émises dans l’enceinte de 226-L, soit  environ  2 600 petits noyaux de gouttelettes par seconde de la parole. Si la distribution de la taille des particules était une fonction delta et que les particules étaient uniformément réparties dans l’enceinte, on s’attendrait à ce que le nombre de particules reste constant jusqu’à ce que les particules du haut de l’enceinte descendent vers le haut de la feuille lumineuse, après quoi le nombre de particules se désintégrerait linéairement au niveau de fond. L’observation que les profils de désintégration sont approximativement exponentielles indique une hétérogénéité substantielle dans la taille des particules, même après les binning en deux groupes distincts.

Le taux de désintégration moyen pondéré⋅(0,085 min¹) des fractions lumineuses et sombres des particules(Fig. 1A) se traduit par une demi-vie dans l’enceinte d’environ  ca.  8 min. En supposant que cette demi-vie correspond au temps nécessaire pour qu’une particule tombe de 30 cm (la moitié de la hauteur de la boîte), sa vitesse terminale n’est que de 0,06 cms¹, ce qui correspond à un diamètre de noyau de gouttelette de  ∼4 m. À l’humidité relative (27 %) et la température (23 oC) de notre expérience, nous nous attendons à ce que les gouttelettes se déshydratent en quelques secondes. Une particule déshydratée de 4 m correspond à une gouttelette hydratée d’environ  ca.  12 à 21 m de diamètre, ou à un volume hydraté total de  ∼60 nL à 320 nL pour 25 s de parole. À une charge virale moyenne de 7 à 10⁶  par millilitre (77),nous estimons que 1 min de parler fort génère au moins 1 000 noyaux de gouttelettes contenant de la virion qui restent en suspension dans l’air pendant plus de 8 minutes. Ceux-ci pourraient donc être inhalés par d’autres et, selon l’IAH, déclencher une nouvelle infection par le SRAS-CoV-2.

La plus longue constante de désintégration observée par nous correspond à des gouttelettes d’un diamètre hydraté de 12 m en sortant de la bouche. L’existence de gouttelettes encore plus petites a été établie par des mesures aérodynamiques de taille de particules (APS) (2). APS est largement utilisé pour détecter les particules d’aérosols et est le mieux adapté pour les particules dans la gamme de 0,5 à 5 m. Morawska et coll. (2) ont détecté jusqu’à 330 particules par seconde dans la plage de 0,8 à 5,5 m sur une vocalisation soutenue d’aah. Considérant le court temps de déplacement (0,7 s) entre la sortie de la bouche et le détecteur APS, et l’humidité relative élevée (59 %) utilisé dans cette étude, la déshydratation des gouttelettes peut avoir été incomplète. S’il avait été déshydraté à 75 % au détecteur, une particule observée de 5,5 m aurait commencé comme une gouttelette de 8,7 m en sortant de la bouche, bien à l’extérieur de la plage de 12 à 21 m observée ci-dessus par la diffusion de la lumière. Ce résultat suggère que les mesures de diffusion de l’APS et de la lumière constituent un complément parfait. Cependant, nous notons également que, même si les plus petits noyaux de gouttelettes restent effectivement en suspension indéfiniment et ont des demi-vies qui sont dominées par le taux de ventilation, à une charge virale de salive de 7 à 6⁶ copies par millilitre, la probabilité qu’un noyau de gouttelette de 1 m (réduit à sa taille initialement hydratée de 3 m) ne contient qu’une virion est seulement 0,01%.

Notre configuration actuelle ne détecte pas toutes les petites particules dans chaque image du film, et nos valeurs rapportées sont donc des estimations prudentes limite inférieure. Nous notons également que la charge virale de salive montre une grande variation patient-patient. Certains patients ont des titres viraux qui dépassent la moyenne de Welfel et al de plus de deux ordres de grandeur (7,  18), augmentant ainsi le nombre de virions dans les gouttelettes émises à bien plus de 100.000 par minute de parler. Les noyaux de gouttelette observés dans notre étude actuelle et précédemment par APS (2,  9) sont suffisamment petits pour atteindre les voies respiratoires inférieures, qui est associée à un résultat accru de maladie défavorable (19,  20).

Notre méthode de diffusion de la lumière laser fournit non seulement des preuves visuelles en temps réel pour l’émission de gouttelettes de la parole, mais évalue également leur durée de vie aéroportée. Cette visualisation directe montre comment la parole normale génère des gouttelettes en suspension dans l’air pendant des dizaines de minutes ou plus et sont éminemment capables de transmettre la maladie dans des espaces confinés.