Luftbåren smitte av virale luftveisinfeksjoner fra et aerosolfysisk perspektiv

Abstract

Luftbåren smitte foregår gjennom at infeksiøst materiale følger med dråper av ulik størrelse ut fra verten gjennom respiratoriske aktiviteter som pust, tale, sang, host eller nys. For de vanlige aktivitetene som pusting, snakking og synging forlater disse dråpene verten med relativt lav hastighet men over lengre tid. For hosting og nysing derimot blir dråpene slynget ut med stor hastighet, men med kort varighet. I de to siste tilfellene er dråpene omgitt av en kraftig turbulent jet som har evne til å transportere de mindre dråpene et godt stykke bort fra verten. Store dråper vil deponere på bakken, mens de mindre dråpene vil kunne transporteres videre med luftstrømmer. Denne rapporten har vurdert mekanismene bak luftbåren smitte av virale luftveisinfeksjoner fra et aerosolfysisk ståsted. Fysiske prosesser og begreper som er sentrale for aerosolspredning, hovedsaklig knyttet til Stokes-tall, fallhastigheter og fordamping, er diskutert for å nyansere bildet av aerosolspredning som fenomen. Rapporten belyser effekter av ulike aerosolstørrelser og atmosfæriske forhold som luftfuktighet og lufttemperatur, spesielt med tanke på aerosolenes sveveog fordampingstid. Dette gjør vi ved en gjennomgang av relevant litteratur kombinert med modellering av aerosolfysikken. Litteraturgjennomgangen avslører flere kunnskapshull som trenger å fylles for at vi skal få en forbedret forståelse av hvordan luftbåren smittespredning foregår. Det er tre hovedområder som utpeker seg. Det første området er virusspesifikk empiri. Dette inkluderer tema som hvor mye infeksiøst materiale som er tilgjengelig per volum dråpe, hvor lang overlevelsestid det har i uttørket tilstand i luft og på overflater, og hvor stor dose som trengs for å bli smittet. Det andre området er empiri om respiratoriske dråper. Her er det nødvendig å karakterisere størrelsesfordelingen av dråper ved ulike respiratoriske aktiviteter samt også å kunne fastslå innholdet av oppløste forbindelser og faste partikler. Sistnevnte er viktig med tanke på fordamping. Det tredje området som har kunnskapshull, er modellering av dråpebevegelse. I litteraturen har først og fremst forenklede modeller blitt brukt for å beskrive dråpetransport, men bruken av høyoppløste fluiddynamiske beregninger vil gi mer pålitelige resultater. Kombinert med gode empiriske data vil høyoppløste fluiddynamiske beregninger gi et godt datagrunnlag for vurdering av ulike beredskapstiltak. Rapporten viser at små respiratoriske dråper, typisk mindre enn 50 m, kan sveve lenge som dråpekjerner og transporteres langt. Dersom viruset har lav infeksiøs dose og lang nok overlevelsestid, vil disse dråpene kunne være en effektiv smittevei over lengre avstander. Dette er ofte referert til som luftsmitte. De store dråpene, fra 150 m og oppover, har potensiale for å inneholde mye mer virus, men vil sjelden spres lenger enn 2 m ved pusting, prating, synging og hosting. Ved kraftige nys kan de imidlertid spres lenger enn dette. Disse dråpene representerer den såkalte dråpesmitten. Hvorvidt mellomstore dråper, altså dråper med størrelser mellom 50 m og 150 m, utgjør luftbåren smitte eller dråpesmitte, er sterkt avhengig av lufttemperatur og luftfuktighet.

Airborne transmission of viral diseases is caused by infectious material being carried by droplets of different sizes through respiratory activities such as breathing, talking, singing, coughing and sneezing. For common activities such as breathing, talking and singing, these droplets leave the host at relatively low speeds, but the process is maintained for a long time. For coughing and sneezing, however, the droplets are thrown out at high speeds but with short durations. In the latter two cases, the droplets are surrounded by a strong turbulent jet that is capable of transporting the smaller droplets well away from the host. Large droplets will fall to the ground, while the smaller droplets may be readily transported by air currents. This report assesses the mechanisms behind airborne transmission of viral respiratory infection from an aerosol physics perspective. Physical processes and concepts central to aerosol dispersion, mainly associated with Stokes numbers, fall times and evaporation, have been discussed to nuance the understanding of aerosol dispersion as a phenomenon. The report elucidates effects of various aerosol sizes and atmospheric conditions such as humidity and temperature, especially with regard to the aerosols’ fall and evaporation times. This is achieved by means of a literature review combined with aerosol physics modeling. The literature review reveals several knowledge gaps that need to be filled in order to improve our understanding on how viral respiratory infections are transmitted through an airborne route. There are three main areas that stand out. The first is virus-specific empirical data, and includes topics such as how much infectious material is available per volume of droplet, how long it survives in dried states and on various surfaces, and which dosage is needed to be infected. The other area is empirical knowledge on respiratory droplets. Here, it is necessary to characterize the size distribution of droplets in different respiratory activities as well as to be able to determine solute and solid particle content. The latter is important to accurately model evaporation. The third area that has knowledge gaps is droplet and droplet nucleus tranport modeling. In literature, simplified models have primarily been used to describe droplet transport, but the use of high-fidelity computational fluid dynamics models will yield more reliable results. Combined with good empirical data, high-fidelity computational fluid dynamics models will provide sound science for assessing various emergency response measures. This report shows that respiratory droplets smaller than 50 m can remain suspended as droplet nuclei for a long time and thus be transported far away from the source. If the virus has a low infectious dose and long enough survival time, these droplets can be an effective route of infection, often referred to as airborne route of transmission. Droplets larger than 150 m) have the potential to contain much more virus, but will rarely spread beyond 2 m by normal breathing, talking, singing or coughing. However, in the case of violent sneezes they can be spread farther away from the source. These droplets represent the so-called droplet/contact route of transmission. Whether medium droplets, typically in the size range 50 m to 150 m, constitute the airborne route of transmission or the droplet/contact route of transmission, depends on air temperature and humidity.