COVID-19: ¿Por qué algunos individuos son superpropagadores? ¿Cómo el cuerpo emite partículas infecciosas?

Cuando en el 2003, el SARS había infectado a miles de personas y había matado a otros cientos causando un susto mundial, Lidia Morawska estaba estudiando los efectos de inhalar partículas finas de contaminación. Pero luego, la Organización Mundial de la Salud le pidió a Morawska, una física de la Universidad Tecnológica de Queensland, que se uniera a un equipo en Hong Kong que intentaba comprender cómo se estaba propagando el coronavirus que causa el SARS.

Morawska decidió adoptar un enfoque poco convencional. En lugar de observar cómo las personas inhalan la materia contagiosa entre sí, investigó el proceso inverso: la exhalación.

“Descubrí tres artículos que investigaban algo relacionado con la exhalación de partículas de las actividades respiratorias humanas. Básicamente no había casi nada”, dice. "Esto me asombró porque es un área tan importante, tan crítica".

Casi dos décadas después, la rápida propagación del nuevo virus SARS-CoV-2 ha reavivado el interés en la investigación sobre cómo nuestros pulmones lanzan material infeccioso al aire, es decir, las gotitas respiratorias más diminutas llamadas aerosoles. Comprender cómo se forman los aerosoles en el cuerpo es crucial para descubrir por qué este virus se propaga tan fácilmente y qué está alimentando los llamados eventos de superpropagación, donde un pequeño número de portadores de enfermedades terminan infectando a muchas personas. Estos incidentes son un sello distintivo de COVID-19.

Desde que Morawska comenzó sus investigaciones, los científicos han aprendido mucho sobre los fluidos respiratorios en el aire y, en particular, lo que podría convertir a alguien en un supercontagiador o superpropagador. Ciertos atributos, como la forma del cuerpo y ciertos comportamientos, como hablar en voz alta o respirar rápido, parecen tener un papel importante en la propagación de la enfermedad.

”No están estornudando. No están tosiendo. Simplemente respiran y hablan”, dice Donald Milton, un experto en transmisión de aerosoles de la Universidad de Maryland. “Pueden estar gritando. Puede que estén cantando. Los bares de karaoke han sido una gran fuente de eventos de gran difusión. Vimos uno en un club de spinning en Hamilton, Ontario, donde la gente respira fuerte".

Sin embargo, ha resultado difícil determinar quiénes son los productores más prodigiosos de los aerosoles, con muchos factores biológicos y físicos que afectan la generación de aerosoles y que son difíciles de analizar o incluso medir.

Dilo, no lo rocíes

Para los científicos de aerosoles como Morawska, que están más centrados en la física, un aerosol es cualquier partícula, húmeda o seca, que se puede suspender en el aire durante minutos u horas. Los aerosoles suelen tener un tamaño inferior a 100 micrómetros, o aproximadamente el ancho de un cabello humano. El tracto respiratorio humano produce una amplia variedad de aerosoles, desde pequeñas gotas de solo unos pocos micrómetros de diámetro hasta glóbulos de alrededor de 100 micrómetros, e incluso gotas más grandes que los aerosoles que son visibles a simple vista y se describen más típicamente como gotas respiratorias.

“Los aerosoles más pequeños se generan en la parte más profunda del tracto respiratorio”, dice Morawska. Estos son especialmente importantes para la transmisión de enfermedades porque pueden permanecer en el aire más tiempo y viajar más lejos en comparación con las grandes gotas que caen rápidamente.

Estos aerosoles más pequeños se crean dentro de los bronquiolos, las vías respiratorias delgadas y ramificadas en lo profundo de nuestros pulmones. Midiendo cuidadosamente los aerosoles producidos por las personas cuando respiran de diferentes maneras, Morawska y su colega Graham Richard Johnson propuso en un artículo del 2009 que el revestimiento fluido respiratorio de estos tubos crea películas que explotan como pompas de jabón cuando el contrato bronquiolos y expandirse. Este ahora se considera el mecanismo principal que crea aerosoles en las profundidades de los pulmones.

Algo similar ocurre más arriba en el tracto respiratorio, en la laringe productora de sonido.

“Las cuerdas vocales se abren y se cierran demasiado rápido para que el ojo humano pueda verlas”, dice William Ristenpart, ingeniero químico de la Universidad de California en Davis, que estudia la transmisión de enfermedades. Al igual que los bronquiolos, estos pliegues separan el líquido respiratorio cuando se golpean durante el habla y el canto, creando pequeñas gotas. Imagínese lavarse las manos vigorosamente y que la película de jabón se rompa al separarlas.

Este proceso ocurre muy rápido, unas cien veces por segundo y las gotitas que crea se mueven en el aire exhalado, lo que nos lleva a la cavidad bucal. Las gotas más grandes del tracto respiratorio se generan en la boca, durante el movimiento de los labios y demás acrobacias del habla cargadas de saliva y estas son las que probablemente conozcas mejor.

“Especialmente al hablar, a veces puedes sentir pequeñas gotas que salen volando”, dice Ristenpart. "De ahí es de donde viene -Dilo, no lo rocíes-".

Si bien la nariz también es un camino para que escapen los aerosoles, la ruta principal es a través de la boca. Todos los aerosoles y las gotitas quedan atrapados en una explosiva bocanada de gas, que gobierna su movimiento y se propaga durante los primeros segundos.

“De hecho, la nube de gas mantiene concentradas las gotas emitidas a medida que avanza en una habitación, llevándolas dentro de ella”, dice Lydia Bourouiba, científica de dinámica de fluidos del MIT.

¡Más gotas en camino!

Aunque la mecánica general que crea los aerosoles respiratorios es la misma entre las personas, existe una gran variación en la cantidad de aerosol que realmente producen los individuos. Mire a una multitud de personas de pie junto a una parada de autobús en un día frío y notará que la niebla del aliento de todos se ve diferente en términos de tamaño.

Esto no debería sorprender, considerando la complejidad del tracto respiratorio. Morawska usa la analogía de la niebla más uniforme de una botella de perfume: “A diferencia del frasco de perfume, donde solo hay un tubo, hay muchos conductos diferentes en el tracto respiratorio, conductos de diferentes anchos y diferentes longitudes”.

Cuantificar esta complejidad incluso para una sola persona sería engorroso, pero los científicos aún pueden detectar a aquellos que se destacan en la fabricación de aerosoles. En un estudio de 2019, Ristenpart y sus colegas demostraron que cuanto más alto habla una persona, más aerosoles emiten. Sin embargo, los científicos también descubrieron que algunos participantes en su estudio producían un orden de magnitud de más aerosoles que otros, incluso cuando hablaban al mismo volumen. A estas personas se las conoce como superpropagadores.

“Claramente, tiene que haber algún tipo de razón fisiológica subyacente que haga que las personas que hablan aproximadamente con la misma amplitud y el mismo tono emitan cantidades tremendamente diferentes de partículas”, dice Ristenpart. Una posibilidad, dice, es que el grosor del fluido y cómo reacciona a la deformación puede variar entre personas. Investigaciones anteriores han demostrado que la inhalación de niebla de agua salada es menos viscosa que el fluido respiratorio lleno de moco y hace que las personas produjeran menos partículas de aerosol en general. Por otro lado, las personas con un fluido que es naturalmente de mayor viscosidad pueden estar produciendo más aerosoles.

Para complicar las cosas, una infección respiratoria puede provocar cambios en los fluidos respiratorios. Por ejemplo, la viscosidad del revestimiento respiratorio aumenta durante las infecciones bronquiales como la neumonía bacteriana y la gripe grave debido a la pérdida de agua y al aumento de la producción de proteínas celulares. Las condiciones crónicas como el asma y la fibrosis quística también pueden espesar los líquidos.

Sondeando la individualidad

Responder a las muchas preguntas que quedan es un desafío debido a la naturaleza de los aerosoles en sí. Por ejemplo, las partículas son sensibles a las condiciones ambientales y las más grandes con más líquido pueden secarse rápidamente, dejando en su mayoría partículas diminutas y más concentradas que sesgan las lecturas. La temperatura, la humedad y el flujo de aire dentro de los instrumentos científicos también pueden cambiar los aerosoles que uno está tratando de medir.

Estos matices recuerdan las peculiaridades de la mecánica cuántica, donde realizar una medición en una partícula subatómica influye en el resultado. Aunque estos aerosoles son mucho más grandes, medir su naturaleza efímera es un desafío similar.

Morawska reconoce este desafío con una sonrisa. “Ser capaz de medir y dar una respuesta que represente lo que realmente está sucediendo es extremadamente difícil”, dice.

Estas dificultades, en parte, han obstaculizado el estudio de la transmisión de enfermedades por aerosoles durante décadas. “Incluso ahora, en el 2020, la forma en que se propaga la influenza es controvertida”, dice Ristenpart, quien recientemente publicó un estudio que muestra que los virus de la influenza pueden aprovecharse de las partículas de polvo.

Pero este campo de la ciencia está teniendo un momento de atención ahora debido al COVID-19. Los aerosoles han ayudado a revelar por qué el coronavirus SARS-CoV-2 es aún más transmisible a través del aire que el SARS original de 2003. Muchos expertos ahora están de acuerdo en que una mejor ventilación de los ambientes interiores y el enmascaramiento pueden ayudar a frenar esta enfermedad transmitida por aerosoles. Es por eso que Morawska, Milton y muchos de sus colegas en la ciencia de los aerosoles pidieron en julio un mayor enfoque en la transmisión aérea del SARS-CoV-2 a través de aerosoles, que los CDC y la OMS ahora están comenzando a enfatizar.

Mantener un enfoque sostenido en esta investigación es otro asunto, aunque la superpropagación ha cautivado las mentes científicas y públicas desde la era de la fiebre tifoidea hace casi un siglo. Al igual que Morawska, Bourouiba también cambió su enfoque de investigación sobre la dinámica de fluidos a la epidemiología después del brote de SARS en el 2003. Ella ha visto un aumento en el interés en la investigación de aerosoles durante los brotes de enfermedades respiratorias como el SARS, el MERS y el virus de la gripe H1N1, pero luego desaparece. Cambiar eso es imperativo, dice ella.

"Si este patrón de los tomadores de decisiones y de los financiadores sigue siendo tan corto de vista", dice Bourouiba, "siempre tendremos enfoques tipo "curita" para abordar estas preguntas".