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Dr. Phil. Nat. Rainer Christoph

Dr. Phil. Nat. Rainer Christoph

NOVEDADES SOBRE LOS MECANISMOS DE CONTAGIO DE ENFERMEDADES INFECCIOSAS COMO EL COVID-19

Desde los tiempos del ilustre científico Francés Louis Pasteur (1822-1895) en el siglo XIX (1), hemos aprendido mucho sobre las enfermedades infecciosas, incluyendo la higiene, terapias y vacunación.  

Sin embargo, hay un aspecto que hoy aun no entendemos mucho mejor que cuando Louis Pasteur aún vivía. Se trata del mecanismo de la transmisión de virus y bacterias, o patógenos a través del airecuando el infectado respira, tose, estornuda, habla o incluso canta.  

¿Cómo los patógenos de un individuo se transforman en los de otra persona? ¿Por qué la transmisión aérea de algunos patógenos es más fácil que para otros? Son preguntas fundamentales a las que aún buscamos respuestas, a pesar de que todos respiramos, tosemos, estornudamos, hablamos, e incluso algunos cantamos. El entendimiento de los mecanismos, sumamente complejos, es esencial y fundamental para desarrollar medidas eficaces que bloquean la cadena de transmisión.  

Para lograr la transmisión través del aire, los patógenos deben poder traspasar diferentes medios, distancias y alturas, pero también deben poder sobrevivir afuera del huésped, incluso por semanas. Es importante recalcar que los patógenos siempre viajan en fluidos, tanto dentro del cuerpo infectado, como en el agua y en el aire.  

La organización Mundial de Salud (OMS) y los Centros de Control de Enfermedades (CDC), definen la transmisión a través del aire por medio de dos rutas principales de transmisión: La transmisión por medio de gotitas grandes, que caen más rápido de que se evaporan, y la transmisión por medio de gotas pequeñas que se evaporan más rápido de lo que caen (2,3). 

Esta transmisión por medio de gotitas aisladas, así como la dicotomía entre gotitas grandes y pequeñas, proviene de conceptos establecido hacmás de 100 años por  el higienista alemán Carl Flügge (1847-1923) y el ingeniero sanitario estadounidense William Firth Wells4 (Ɨ1893). Como consecuencia de este legado, todavía hoy en día la mayoría de los estudios se enfocan en medir la distribución de tamaño de las gotitas emitidas por humanos al hablar, toser, hablar y cantar. 

El enfoque anteriormente descrito sin embargo representa varias desventajas:  

  • Las gotitas, o bioaerosoles, contienen materiales biológicos en concentraciones variables. Esto conlleva a que la medición de sus tamaños es sumamente inexacta, debido a que los equipos de medición indirecta son calibrados en base a materiales no-biológicos. 
  • La medición de la distribución de tamaño de gotitas provee una información puramente estática. No contiene información sobre espacio y tiempo, es decir, carece de información dinámica. 

Es solamente en años recientes, principalmente a raíz de la influenza gripal de 2018, que aparecen nuevos enfoques de estudio, basados en técnicas de iluminación de imágenes de alta velocidad5, extracción de imágenes y el modelamiento mecánico. 

Estudios muy recientes, desarrollados con estas nuevas tecnologías por investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) revelan un cuadro mucho más complejo que el modelo de dicotomía entre gotas aisladas (6,7) 

Fig. 1. Imágenes de resolución ultra rápida de estornudo humano. Izquierda: Trayectorias de gotitas grandes marcadas en color verde y nube turbulenta y multifásica, marcada en color rojo. Derecha: Evolución de nube turbulenta. En 0.25 segundos, la nube puede viajar distancias de hasta ocho metros (8).

Lo que realmente sucede durante una exhalación humana, estornudo o tos, no es la emisión de gotas aisladas, grandes y pequeñas, sino que es una nube, cuya velocidad y volumen evoluciona con el tiempo de acuerdo a los principios dictadas por los conceptos de dinámica de fluidos 

Esta nube, o bio-aerosol contiene tres estados de agregación de materia: Una fase gaseosa compuesta del aire exhalado, una fase líquida en las gotas dentro de ella y una fase sólida compuesta de loremanentes de la evaporación de las gotas.  

También se ha confirmado experimentalmente que esta nube es turbulentacompuesta de parcelas con flujos de alta energía dentro de ellas. Las parcelas se arremolinan de manera aparentemente desorganizada, pero siguiendo patrones predecibles y determinísticos. 

La nube, de hecho, se puede comparar parcialmente con una bocanada muy turbulenta de humo, emitida en una escala de tiempo corta con respecto a la escala de tiempo de su evolución general, y se emite desde una pequeña fuente de origen puntual, la boca, pequeña comparada con la distancia sobre la que esta nube evoluciona. La nube crece a medida que los remolinos en su borde se agarran al aire del ambiente y el aire del ambiente más estático se agarra a las partes más lentas de la nube.   

También se ha comprobado y cuantificado, mediante experimentos analógicos precisos, que la nube expiatoria es boyante, subiendo en la mayoría de los ambientes debido a que el aire que exhalamos es caliente y húmedo, más ligero que el aire seco y frío que usualmente nos rodea. Finalmente, también se demostró que la nube expiatoria atrapa las gotas dentro de ella, llevándolas hacia adelante un continuo de tamaños de gotas diferentes. 

La distancia de propagación que alcanzan aumenta dramáticamente en comparación a las distancias predichas por los modelos de gotas aisladas de tamaño dicotómico. Primero, la nube aumenta el alcance de todas las gotas. Segundo este alcance puede aumentarse en un factor de 200 para gotitas de tamaños inferiores a los 30 micrones Esto le permite a la nube rociar una habitación completa en pocos segundos Porque la nube nace y se eleva, las gotas que quedan atrapadas dentro de ella pueden alcanzar alturas de techo, llegando a sistemas de ventilación. Esto les permite a los patógenos trasladarse de una habitación a otra, en caso de que el sistema de filtración no sea el adecuado, lo que es el caso a menudo, incluso en hospitales.  

Es muy importante recalar que la dinámica de esta nube también cambia la física de la evaporación de las gotas en ella, por lo que también afecta a la persistencia y supervivencia de los patógenos. 

Con estas ideas y marco de conocimiento, ahora podemos mejorar substancialmente la precisión de las escalas espaciales y temporales en el modelaje matemático de la transmisión de enfermedades a través del aire (en inglés: airborne transmission). Nuevos aportes de mecánica de fluidos y de la biofísica permitirán incorporar el papel del medio ambiente y la fisiología del huésped en diferentes condiciones, y así contribuir a medidas de protección mucho más eficaces en ausencia de vacunas. 

Agradecimientos: Se agradece al Instituto de Ciencias, Tecnología e Innovación (ICTI) de la Universidad Francisco Gavidia, El Salvador, por el apoyo a esta investigación. 

Bibliografía 

1.Ruiza, M. & Fenandez, T. Biografia de Louis Pasteur. (2004). Available at: https://www.biografiasyvidas.com/biografia/p/pasteur.htm. (Accessed: 1st July 2020) 

2.World Health Organization(WHO). Infection prevention and control of epidemic- and pandemic-prone acute respiratory infections in health care. WHO Guidel. 1–156 (2014). 

3.Modes of transmission of virus causing COVID-19: implications for IPC precaution recommendations. Available at: https://www.who.int/news-room/commentaries/detail/modes-of-transmission-of-virus-causing-covid-19-implications-for-ipc-precaution-recommendations. (Accessed: 2nd July 2020) 

4.Wikkiam Firth Wells, Herbert L. Ratcliffe, C. C. On the Mechanics of Droplet Nuclei Infectiom: II. Quantitative experimental air-borne Tuberculosis in Rabbits. Am. J. Epidemiol. 47, 11–28 (1948). 

5.Mikami, H., Gao, L. & Goda, K. Ultrafast optical imaging technology: Principles and applications of emerging methods. Nanophotonics 5, 441–453 (2016). 

6.Bourouiba, L. Turbulent Gas Clouds and Respiratory Pathogen Emissions: Potential Implications for Reducing Transmission of COVID-19. JAMA – Journal of the American Medical Association 323, 1837–1838 (2020). 

7.Lydia Bourouiba. How diseases and epidemics move through a breath of air. TEDMED (2019). Available at: https://www.youtube.com/watch?v=fJ1NN0HZWcQ. (Accessed: 2nd July 2020) 

8.Bourouiba, L. Sneezing and Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) – YouTube. 2020 Available at: https://www.youtube.com/watch?time_continue=97&v=piCWFgwysu0&feature=emb_title. (Accessed: 2nd July 2020) 

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