SARS-COV-2: ANALISI DELLA TRASMISSIONE PER VIA AEREA DELLE INFEZIONI RESPIRATORIE VIRALI

Lo scopo di questo mio post è quello di analizzare e possibilmente chiarire ciò che all'inizio della pandemia, è sempre stato negato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità, ovvero che il SARS-CoV-2 non si trasmetteva attraverso l'aria. Un errore ora corretto che per troppo tempo ha contribuito a generare confusione alimentando dubbi ingiustificati. (https://www.scienzainrete.it/articolo/perché-loms-ha-impiegato-tanto-riconoscere-che-sars-cov-2-si-trasmette-aerea/chiara-sabelli).

Nel secolo scorso si pensava che i virus che si trasmettono per via aerea si diffondessero principalmente attraverso i DROPLETS, goccioline (che per chi non ha dimestichezza con il vocabolario esterofono, da ora definirò come tali) di “grandi” dimensioni prodotte dalla tosse e dagli starnuti di individui infetti che entrano in contatto con gli occhi, il naso o le mucose della bocca di ospiti potenziali o che, depositandosi su superfici, vengono poi in contatto con altre persone. Si presupponeva inoltre che queste goccioline cadessero a terra nel raggio di 1 o 2 m dalla persona infetta ( e questo rappresentava il presupposto da cui partire per raccomandare, da parte della maggior parte delle agenzie di sanità pubblica, di mantenere un determinato distanziamento di sicurezza ).

La trasmissione per via aerea si attua anche attraverso l’inalazione di aerosol infettivi (particelle che evaporano nell'aria) o di goccioline di dimensioni inferiori a 5 μm in grado di percorrere distanze di almeno 1 o 2 m a partire dalla fonte di infezione.

Gli aerosol sono particelle microscopiche liquide, solide o semisolide così piccole da rimanere sospese nell'aria. Gli aerosol respiratori vengono prodotti durante la fisiologica respirazione, il parlare, il cantare, il gridare, il tossire e lo starnutire sia da parte di individui sani che da parte di coloro che risultano infettivi. 

Le meno recenti conoscenze sulla trasmissione virale per via aerea ignoravano il fatto che gli aerosol potessero essere inalati anche a distanza ravvicinata da una persona infetta, dove il contagio è più probabile perché gli aerosol espirati sono più concentrati quando sono maggiormente vicino alla persona che li emette. Recentemente è stato proposto, che la distinzione in relazione alle dimensioni tra aerosol e goccioline dovrebbe essere aggiornata a 100 μm in luogo dei 5 μm, dal momento che si deve tener conto anche del comportamento aerodinamico. Nello specifico, 100 μm rappresentano le particelle più grandi che possono essere inalate rimanendo sospese nell'aria ferma per un tempo > 5 s e da un'altezza di 1,5 m, dopo aver percorso una distanza di 1 m dalla persona infetta. Nonostante le goccioline prodotte tossendo o starnutendo da un individuo infetto possano trasmettere l'infezione a brevi distanze (<0,5 m), il numero e la carica virale degli aerosol prodotti attraverso il parlare e altre attività espiratorie sono molto più elevati di quelli delle goccioline. Gli aerosol sono abbastanza piccoli da rimanere nell'aria, accumularsi in spazi scarsamente ventilati ed essere inalati sia a breve che a lunga distanza.

Prima del XX secolo, si pensava che le malattie infettive respiratorie si diffondessero tramite quelle che erano definite “particelle pestilenziali" rilasciate da parte di soggetti infetti. Questa interpretazione fu confutata all'inizio del 1900 da Charles Chapin, il quale sosteneva che fosse il contatto l’elemento principale per la trasmissione delle malattie respiratorie essendo preoccupato del fatto che menzionando il concetto di trasmissione per via aerea si sarebbe contribuito non solo a spaventare le persone ma anche a modificare le ormai acquisite abitudini igieniche. Chapin ha erroneamente correlato le infezioni a distanza ravvicinata con la sola trasmissione di goccioline, trascurando il fatto che anche e sopratutto la trasmissione di aerosol avviene a brevi distanze. Questa ipotesi non supportata da evidenze si diffuse negli studi epidemiologici e le strategie da allora attuate per mitigare la diffusione del virus si concentrarono prevalentemente sul limitare le cause e la diffusione di tali goccioline.

Ormai, esistono solide prove a sostegno della trasmissione aerea di molti virus respiratori, tra cui il virus del morbillo, il virus dell'influenza, il virus respiratorio sinciziale (RSV), il rinovirus umano (hRV), l’adenovirus, l’enterovirus, il SARS-CoV, il MERS-CoV e il SARS -CoV-2. Uno studio condotto in ambiente domestico stima che la trasmissione per via aerea con aerosol rappresenti circa la metà della trasmissione del virus dell'influenza A ( Aerosol transmission is an important mode of influenza A virus spread. Nat. Commun. 4, 1935 2013 ). Un ulteriore studio sulla trasmissione del rinovirus conclude che gli aerosol rappresentano probabilmente la modalità di trasmissione dominante ( Aerosol transmission of rhinovirus colds. J. Infect. Dis. 156, 442–448 1987 ). L'analisi delle emissioni respiratorie durante l'infezione da virus influenzale, virus parainfluenzale, RSV, metapneumovirus umano e hRV ha rivelato la presenza in maggiore quantità di genomi virali in aerosol <5 μm piuttosto che in aerosol più grandi mentre studi di laboratorio hanno scoperto che SARS-CoV-2 aerosolizzato ha un'emivita di circa 1-3 ore. Ad aprile e maggio 2021 l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) ed il CDC hanno ufficialmente dichiarato l'inalazione di aerosol carichi di virus a breve e/o lunga distanza come la modalità principale per la diffusione del SARS-CoV-2 ( https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/science/science-briefs/sars-cov-2-transmission.html ). 

Un recente modello matematico evidenzia come l’inalazione di aerosol carichi di patogeni sia determinante nel processo di trasmissione quando le persone si vengono a trovare entro 2 m dalla persona infetta mentre le goccioline lo sono solo quando gli individui si trovano entro 0,2 m quando parlano o 0,5 m quando tossiscono. 

Secondo le informazioni fornite dal CDC, linkato poco sopra, le modalità principali con cui le persone vengono infettate dal SARS-CoV-2 sono tre: (1) inalazione di goccioline respiratorie molto fini ed aerosol. In questo caso il rischio di trasmissione è maggiore entro 3-6 piedi da una fonte infettiva dove la concentrazione di queste goccioline ed aerosol è maggiore., (2) deposizione di goccioline ed aerosol mediante schizzi e spruzzi diretti sulle membrane mucose esposte nella bocca, nel naso o negli occhi.  Anche in questo caso il rischio di trasmissione è maggiore in prossimità di una fonte infettiva dove la concentrazione delle goccioline e degli aerosol è maggiore e (3 ) contatto delle mucose con le mani o le superfici che siano state esposte al contagio con il virus. 

A ciò si aggiunge l’evidenza che il rischio di infezione da SARS-Cov-2 varia in base alla quantità di virus a cui una persona è esposta per cui una volta che le goccioline e gli aerosol vengono espirati, tendono a spostarsi verso l'esterno rispetto la sorgente di contagio; dunque il rischio di infezione diminuisce con l'aumentare della distanza dalla sorgente e con l'aumentare del tempo entro cui è avvenuta l'espirazione. I fattori principali che determinano la carica virale a cui un soggetto può essere esposto sono:

1. La diminuzione della concentrazione del virus nell'aria man mano che le goccioline respiratorie più grandi e pesanti contenenti il virus cadono a terra o su altre superfici a causa la forza di gravità.
2. I fattori ambientali come temperatura, umidità e radiazioni ultraviolette (ad esempio la luce solare) influenzano la progressiva perdita della carica virale e della capacità di infettare nel tempo.

Una ulteriore informazione divulgata dalla nota del CDC è che la trasmissione di SARS-Cov-2 può avvenire attraverso l’inalazione del virus nell’aria quando ci si ritrova a più di sei piedi dalla fonte infettiva.

E’ un dato assodato che aumento della distanza dalla sorgente infettiva ed attività inalatoria siano direttamente proporzionali. Le infezioni per inalazione, a distanze da una fonte infettiva superiori a sei piedi, risultano meno probabili che a distanze inferiori e questo fenomeno è stato ripetutamente documentato. Secondo i rapporti pubblicati, i fattori che aumentano il rischio di infezione da SARS-CoV-2 in queste determinate circostanze includono:

• Spazi chiusi con ventilazione o trattamento dell'aria inadeguati, all'interno dei quali la concentrazione sia di goccioline molto fini che di aerosol, possono facilmente accumularsi.
• Aumento dell'espirazione quando il soggetto infetto è impegnata in uno sforzo fisico o alza la voce e grida.
• Esposizione prolungata ( in genere più di 15 minuti ) a queste condizioni.

Per quanto concerne la nota relativa alla prevenzione della trasmissione del SARS-Cov-2, il CDC rimarca come non sia ancora stata stabilita precisamente la dose infettiva del virus sufficiente e necessaria per trasmettere l’infezione. Ciò che pare confermato è che la trasmissione da superfici contaminate, non contribuisce in modo sostanziale alla diffusione di nuove infezioni, e sebbene permangano ancora lacune sull’argomento, le conoscenze disponibili, ad oggi, continuano a dimostrare che le raccomandazioni esistenti per prevenire la trasmissione di SARS-CoV-2, ossia il distanziamento fisico, l’utilizzo di mascherine ed una adeguata ventilazione negli spazi interni, rimangono le precauzioni più efficaci.

Esaurito il documento proposto dal CDC, continuo nell’analisi tracciata sino ad ora. All’inizio della pandemia, basandosi sul fatto che l’R° fosse “relativamente” basso, se comparato con quello del morbillo, si presumeva che le goccioline e i fomiti fossero le principali vie di trasmissione. Ricordo che l’R°, noto come “numero di riproduzione di base”, rappresenta il numero medio di infezioni secondarie trasmesse da ciascun individuo infetto in una popolazione completamente suscettibile cioè mai venuta a contatto con il nuovo patogeno. Tale presunzione trovava radici nella convinzione che tutte le patologie trasmissibili per via aerea, dovevano essere forzatamente altamente contagiose.

Tuttavia, ora sappiamo che non esiste una evidenza scientifica che supporti una tale convinzione perché le malattie trasmesse per via aerea sono caratterizzate da un range di valori di R°, che non può essere “riassunto” da un singolo valore medio, dal momento che dipende da numerosi fattori. Un esempio può chiarire meglio il concetto, per cui la tubercolosi, che ha un R° che oscilla tra 0,26 e 4,3, pur essendo un’infezione batterica a trasmissione aerea, risulta meno trasmissibile della Covid-19 che ha un range di R° compreso tra 1,4 e 8,9.

I fattori che influenzano la trasmissione per via aerea includono la carica virale delle particelle respiratorie di dimensioni diverse, la stabilità del virus all’interno degli aerosol e la relazione dose-risposta per ciascun tipo di virus. Ovviamente la trasmissione aerea di SARS-CoV-2 dipende anche dalle caratteristiche degli ambienti interni, soprattutto quando scarsamente ventilati e ciò vale esclusivamente per gli aerosol e l’unico fattore che accomuna tutte le persone quando si ritrovano in ambienti interni, affollati, scarsamente ventilati, per un periodo superiore all’ora ed in mancanza di mascherine è l’aria condivisa ed inalata. 

Affinché si verifichi la trasmissione per via aerea, gli aerosol devono essere generati, trasportati attraverso l'aria, inalati da un ospite suscettibile e depositati nel tratto respiratorio ed il virus deve mantenere la sua capacità infettante durante tutti e tre questi momenti. Analizziamo più nel dettaglio.

Come si generano aerosol carichi di virus.

La normale espirazione genera aerosol in diversi punti del tratto respiratorio e con meccanismi distinti. Gli aerosol prodotti da attività come respirare, parlare e tossire hanno diverse dimensioni e velocità di flusso nell’aria che determinano la carica virale che ciascuna particella di aerosol può trasportare, il tempo di permanenza nell'aria, la distanza percorsa, ed infine i siti del tratto respiratorio in cui si depositano. Gli aerosol rilasciati da un individuo infetto possono contenere virus nonché elettroliti, proteine, tensioattivi e altri componenti.

Siti in cui si formano gli aerosol.

Gli aerosol respiratori possono essere classificati in aerosol alveolari, bronchiolari, bronchiali, laringei e orali, a seconda ovviamente dei siti in cui vengono prodotti. Gli aerosol bronchiolari si formano durante la normale respirazione. Durante l'espirazione, il film liquido che riveste le superfici dei bronchioli si rompe per produrre piccoli aerosol. Gli aerosol laringei sono generati dalle vibrazioni delle corde vocali durante la vocalizzazione. Al contrario, le goccioline (>100 μm) sono prodotte principalmente dalla saliva nella cavità orale.

Dimensioni e distribuzione degli aerosol.

La dimensione degli aerosol prodotti è una caratteristica importante perché influisce sulle peculiarità aerodinamiche, sui meccanismi di deposito e sui possibili siti dì infezione. È stato dimostrato che la respirazione normale rilascia fino a 7200 particelle di aerosol per litro di aria espirata. Il numero di aerosol carichi di virus emessi dalle persone durante la respirazione varia ampiamente tra gli individui e dipende dallo stadio della malattia, dall'età, dall'indice di massa corporea e dalle condizioni di salute preesistenti. I bambini generalmente producono meno aerosol carichi di virus rispetto agli adulti perché i loro polmoni sono ancora in via di sviluppo e hanno meno bronchioli e alveoli in cui possono formarsi gli aerosol. Uno studio ha mostrato che 1 minuto di conversazione può produrre almeno 1000 aerosol. Sebbene la tosse possa produrre più aerosol in un breve lasso di tempo, è molto meno frequente del normale moto respiratorio e delle comuni attività quali il parlare, il respirare ecc , specialmente per le persone infette che non mostrano sintomi clinici, e che per questi motivi rilasceranno un numero maggiore di aerosol.

Contenuto virale degli aerosol. 

La carica virale degli aerosol è un fattore determinante per comprendere quanto questa possa contribuire alla trasmissione per via aerea. Tuttavia, il campionamento e il rilevamento dei virus nell'aria sono difficili a causa delle loro basse concentrazioni nell'aria e della facilità con cui possono essere inattivati durante la procedura di campionamento condotta attraverso test di reazione a catena della polimerasi (PCR) o con la metodica di real-time RT-PCR (Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction). Sia chiaro che, la sola presenza di materiale genetico, non è sufficiente per determinare che il virus sia infettivo. Quanto i virus possano risultare attivi e potenzialmente infettivi durante la fase di campionamento della carica virale, dipende dall'integrità del genoma, delle nucleoproteine, del capside e dei capsomeri. Questo studio ( Viable SARS-CoV-2 in the air of a hospital room with COVID-19 patients. Int. J. Infect. Dis. 100, 476–482 / 2020 ) rileva come la concentrazione di SARS-CoV-2 nell'aria di una stanza d'ospedale con due pazienti COVID-19 fosse compresa tra 6 e 74 TCID50 per litro (TCID50 = unità di misura che fornisce la quantità di virus necessaria per distruggere o causare qualsiasi altro tipo di effetto citopatico nel 50% delle cellule o colture infettate ).

Sebbene i virus dotati di carica virale abbondino in piccoli aerosol, resta da chiarire quale sia la relazione dose-risposta che determina la probabilità di infezione dopo esposizione a un certo numero di virioni. In un ospite suscettibile, la dose infettiva minima varia in base al tipo di virus e al sito nel tratto respiratorio in cui si deposita e ciò fa sì che l'inalazione di aerosol più piccoli che si depositano più in profondità nei polmoni possano richiedere meno virus per essere in grado di infettare.

Caratteristiche e comportamenti degli aerosol con carica virale nell’ambiente.

Le caratteristiche fisiche degli aerosol influenzano il modo con cui vengono trasportati nell'aria. La velocità iniziale con cui gli aerosol sono espirati dipende da come vengono generati e successivamente rilasciati all'interno delle vie respiratorie; ad esempio, la tosse produce goccioline e aerosol rilasciati ad una velocità più elevate rispetto a quanto avviene quando si parla normalmente. Il trasporto di aerosol è controllato da un mix di fattori che comprendono le caratteristiche che influenzano il flusso dell’aria ( moto browniano e le forze gravitazionali, elettroforetiche e termoforetiche ), alcune proprietà ambientali come temperatura, umidità e radiazioni ultraviolette (UV) e le stesse caratteristiche fisiche degli aerosol.

Le dimensioni degli aerosol espirati che rimangono nell'aria cambiano nel tempo a causa dell'evaporazione e/o del loro deposito. Dal momento che gli aerosol respiratori contengono componenti non volatili tra cui proteine, elettroliti e altre specie biologiche, la velocità di evaporazione è più lenta di quella dell'acqua. Durante l'evaporazione, gli aerosol sono soggetti a cambiamenti di fase, morfologia, viscosità e pH ed i cambiamenti nelle caratteristiche fisiche degli aerosol influenzano il trasporto e il destino di tutti i virus contenuti al loro interno nonché la relativa carica virale. Una ulteriore importante considerazione è che il tempo di permanenza degli aerosol carichi di virus nell'aria è cruciale nel determinare il loro raggio di diffusione. In assenza di altre forze, il tempo di permanenza di un aerosol di una determinata dimensione è correlato alla sua velocità di sedimentazione finale, risultante dall’equilibrio tra la forza di resistenza viscosa e la forza gravitazionale, così come descritto dalla legge di Stokes per le piccole particelle soggetto a flusso laminare.

Quando l’aria è in uno stato di quiete (aria ferma) un aerosol di 5 μm impiega 33 minuti per depositarsi al suolo da un'altezza di 1,5 m, mentre un aerosol di 1 μm può rimanere sospeso nell'aria per un tempo superiore alle 12 ore. Ma noi non viviamo all’interno di un modello ideale e precostituito, bensì reale, per cui dobbiamo prendere in considerazione la velocità del flusso dell’aria circostante. 

La distanza che gli aerosol con carica virale sono in grado di percorre dipende dalle dimensioni dell'aerosol, dalla velocità iniziale del flusso che li trasporta e da altre condizioni ambientali, come la velocità del vento, se ci si trova nell’ambiente esterno, o le correnti d'aria interne prodotte dalla ventilazione naturale, dal riscaldamento o dall’aerazione con aria condizionata. La concentrazione degli aerosol espirati risulta essere massima vicino alla fonte (cioè l'individuo infetto) e diminuisce man mano che ci si allontana. Mentre quelle che abbiamo definito come goccioline di grandi dimensioni tendono a raggiungere rapidamente le distanze orizzontali massime percorribili ed a cadere a terra o sulle superfici entro pochi metri, gli aerosol possono rimanere sospesi per molti secondi  se non addirittura per ore, percorrendo lunghe distanze ed accumulandosi nell'aria all’interno di spazi scarsamente ventilati.

Quali sono i fattori ambientali che influenzano gli aerosol.

Temperatura: Evidenze epidemiologiche e studi sugli animali suggeriscono che la trasmissione di virus respiratori in grado di infettare le vie aeree superiori è favorita dalle basse temperature.

Umidità relativa; L'umidità relativa (UR) è in grado di influenzare il trasporto dei virus e della relativa carica virale. La relazione tra UR e capacità infettiva, sia nelle goccioline che negli aerosol, dipende dalle proprietà fisico-chimiche intrinseche del virus e dalle caratteristiche dall'ambiente circostante.

Radiazioni UV:  L'irradiazione con luce UV è stata per lungo tempo considerata come  un approccio efficace per inattivare i virus a trasmissione aerea, inclusi il virus dell'influenza, il SARS-CoV e altri coronavirus umani. Il meccanismo con cui esplicherebbero quest’azione si ritrova nella capacità di danneggiare il materiale genetico del virus, sino a condurlo all’inattivazione.

Anche il flusso dell’aria, la ventilazione e la relativa filtrazione rientrano nell’elenco di questi fattori.

Come si depositano gli aerosol carichi di virus:

Una volta inalati, gli aerosol dotati di carica virale sono in grado di depositarsi nel tratto respiratorio di un ospite potenziale. Ancora una volta la dimensione degli aerosol è fondamentale per determinare il luogo in cui il virus si depositerà, non tralasciando che anche numerosi fattori (quali l’anatomia delle vie aeree) piuttosto che non fisiologici o aerodinamici, influenzino anche il modello con cui questi si depositano.

Il modo con cui gli aerosol si depositano nei polmoni di soggetti ammalati o assolutamente sani, differisce in base ai mutamenti che avvengono a carico della struttura delle vie aeree. Ad esempio, il flusso dell’aria ed i comportamenti degli aerosol inalati possono risultare alterati nei soggetti asmatici, a causa dei cambiamenti che avvengono a carico dell'epitelio del tratto respiratorio, così come nei soggetti con BPCO in seguito al restringimento delle vie aeree causato appunto dalla broncopneumopatia cronica ostruttiva. Ovviamente la quantità di aerosol depositati è maggiore nei pazienti con BPCO rispetto agli individui sani, parimenti come il deposito a livello bronchiale è maggiore nei pazienti con asma e bronchite cronica. 

Gli studi suggeriscono anche che la carica virale del SARS-CoV-2 è più elevata e persiste più a lungo nel tratto inferiore dall’apparato respiratorio rispetto a quello superiore, dal momento che gli aerosol prodotti, essendo di dimensioni inferiori ai 5 μm, riescono a penetrare più facilmente in profondità. 

Conclusione: 

Innanzitutto non si può differenziare in modo netto tra trasmissione aerea in un ambiente interno o esterno portando in causa solo i Droplets poiché questi sono influenzati dalle forze gravitazionali in modo identico sia all’interno che all’esterno.

Sebbene alcuni studi suggeriscano che la trasmissione per via aerea non sia una via efficace, in particolare per gli individui asintomatici o paucisintomatici ( Aerosol persistence in relation to possible transmission of SARS-CoV-2. Phys. Fluids 32, 107108 anno 2020 ) dal momento che mostrano  basse cariche virali nella loro saliva, la carica virale negli individui presintomatici è paragonabile a quella dei pazienti sintomatici ( SARS-CoV-2 viral load in upper respiratory specimens of infected patients. N. Engl. J. Med. 382, 1177–1179 (2020) e SARS-CoV-2 detection, viral load and infectivity over the course of an infection. J. Infect. 81, 357–371 anno 2020). È importante soprattutto potenziare le precauzioni in grado di proteggere dall'esposizione preventiva di aerosol con carica virale prodotti quando gli individui, senza essere coscienti di essere infettivi dal momento che non mostrano alcun sintomo,  parlano, cantano o semplicemente svolgono le normali attività . Poiché questi soggetti non sanno di essere infetti, generalmente continuano a far vita sociale, contribuendo in tal modo ad una diffusione inconsapevole dell’infezione.

L’utilizzo di mascherine è un modo efficace ed economico per bloccare gli aerosol carichi di virus (Reducing transmission of SARS-CoV-2. Science 368, 1422–1424 anno 2020). Le simulazioni nei modelli studiati dimostrano che le mascherine prevengono efficacemente la trasmissione asintomatica e riducono il numero totale di individui infetti e la mortalità a causa della COVID-19 (To mask or not to mask: Modeling the potential for face mask use by the general public to curtail the COVID-19 pandemic. Infect. Dis. Model. 5, 293–308 anno 2020), e risulta fondamentale ottimizzare la distribuzione di tali mascherine.