A importância dos padrões de fluxo de ar em espaços interiores na propagação de doenças de transmissão aérea

Investigadores exploram como um fator-chave pode mitigar ou promover a transmissão da tuberculose.

A tuberculose (TB) é uma das principais causas de morte por doenças infeciosas, ceifando mais de 1 milhão de vidas todos os anos. Propaga-se pelo ar quando uma pessoa infetada tosse, espirra ou expira, e as estirpes resistentes aos medicamentos e a propagação assintomática são preocupações crescentes. Travar a transmissão da TB é um desafio urgente de saúde pública, contudo os cientistas ainda não compreendem totalmente como o fluxo de ar e outros fatores ambientais influenciam essa propagação.

Um dos problemas é que os estudos sobre a transmissão de doenças infeciosas têm-se focado maioritariamente em avaliações ao nível da população ou em respostas imunitárias individuais. Mas compreender como o fluxo de ar e a mistura influenciam a transmissão em espaços interiores exige conhecimentos especializados em física dos fluidos e modelação computacional.

Uma equipa interdisciplinar, que inclui investigadores do MIT e do UT Southwestern Medical Center, combinou agora experiências de transmissão em animais com o rastreamento quantitativo de partículas e a modelação de fluxos para compreender como alguns ambientes de laboratório podem promover a propagação de doenças infeciosas respiratórias, como a TB, enquanto outros a mitigam.

Um fator-chave na previsão da transmissão infeciosa não foi apenas a taxa total de ventilação, mas, de forma mais determinante, o padrão local do fluxo de ar impulsionado pela conceção do espaço — como fugas de ar, locais de entrada e saída de ar e forças criadas por um indivíduo infetado.

«Os padrões locais de fluxo de ar revelam-se cruciais», afirma Lydia Bourouiba, professora titular da Cátedra Japan Steel Industry no MIT e responsável pelo Laboratório de Dinâmica de Fluidos da Transmissão de Doenças, integrado na Rede de Fluidos e Saúde do Instituto de Engenharia e Ciência Médica (IMES). «As conclusões da nossa equipa fornecem algumas das provas mais claras de que tenho conhecimento sobre a importância de ter em conta a falta de homogeneidade [do fluxo de ar] e os seus efeitos ao conceber padrões detalhados de fluxo de ar. Esta perceção é crítica ao construir ou adaptar um espaço interior para mitigar a transmissão aérea, ou ao conceber um estudo de transmissão aérea.»

A investigação é um passo importante no sentido de ligar os estudos laboratoriais sobre doenças infeciosas ao modo como as pessoas propagam essas doenças no mundo real. A equipa espera que as suas conclusões possam ir além do seu sistema de modelo e demonstrar a importância da física dos fluxos na conceção de edifícios para prevenir a propagação de doenças de transmissão aérea em espaços interiores.

«Apesar das pandemias e epidemias recentes, ainda existe resistência à incorporação do fluxo de ar nas ferramentas de rotina para a prevenção de doenças infeciosas», refere Bourouiba. «As infraestruturas poderiam ser adaptadas a um custo relativamente baixo, mas a escassez e a dificuldade em recolher provas diretas impedem uma adoção mais ampla da física dos fluxos como ferramenta para a saúde no interior dos edifícios. Este estudo ajuda a fornecer tais provas.»

Unindo-se a Bourouiba num artigo sobre este trabalho estão Yash Kulkarni, investigador em pós-doutoramento no IMES, que liderou as componentes de física de fluidos e aerossóis; Kubra Naqvi, autora principal e investigadora em pós-doutoramento no UT Southwestern; Michael Shiloh, professor no UT Southwestern, que liderou o esforço plurianual para restabelecer um modelo clássico de transmissão da tuberculose; Hui Ouyang, professora assistente de engenharia de aerossóis na UT Dallas; Yuhui Guo, Deepak Sapkota e Arabella Martin, todos estudantes de doutoramento no UT Southwestern; Pei Lu e Victoria Ektnitphong, investigadoras associadas no UT Southwestern; Shibo Wang, investigador na Universidade do Minnesota; Beatriz Dias, instrutora no UT Southwestern; Bret Evers, professor associado no UT Southwestern; e Lenette Lu, professora assistente no UT Southwestern.

Abrir a caixa-negra

Quando as pessoas expiram, falam, tossem ou espirram, minúsculas microgotículas e bioaerossóis são projetados da sua boca, transportados por uma nuvem. Se estiverem infetadas por uma doença respiratória, estes bioaerossóis podem conter patógenos capazes de infetar outras pessoas. A transmissão da doença depende da sobrevivência do patógeno no ar, a qual é influenciada pela temperatura, humidade e ventilação.

Em 1882, o médico e microbiologista alemão Robert Koch estabeleceu pela primeira vez um modelo animal para o estudo da patogénese da tuberculose. Décadas mais tarde, investigadores demonstraram a transmissão da tuberculose por via aérea entre pessoas e animais.

Estas primeiras experiências revelaram-se difíceis de replicar nas instalações modernas de biossegurança de hoje em dia. Este novo estudo revela que a dificuldade advém de requisitos rigorosos de contenção e ventilação, que podem influenciar dramaticamente o fluxo de ar durante as experiências.

«A transmissão de hospedeiro para hospedeiro é uma fase evolutiva obrigatória dos patógenos respiratórios, mas tem sido considerada demasiado intratável ou complexa para ser sujeita a uma investigação sistemática, sendo por isso comummente remetida para uma caixa-negra. O nosso trabalho abre essa caixa-negra», afirma Bourouiba, professora nos departamentos de Engenharia Mecânica e de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, e membro do corpo docente principal do IMES.

Para quantificar a forma como os padrões locais de fluxo de ar afetam a transmissão de doenças infeciosas, os investigadores redesenharam e modelaram os estudos pioneiros para instalações laboratoriais modernas de alta contenção — incluindo a vedação, entradas, saídas e vias de exaustão — e quantificaram a libertação e dispersão de partículas e de partículas carregadas de bactérias. Libertaram partículas traçadoras e bactérias num compartimento e modelaram a recuperação a partir do ar amostrado no outro lado, sob diferentes taxas de fluxo de ar, configurações de conceção e de fugas.

A equipa do MIT realizou cálculos computacionais, aferidos em comparação com experiências de libertação de partículas. Os resultados revelaram quão importantes podem ser pormenores aparentemente insignificantes, como os trajetos de fuga.

«Mesmo uma pequena fuga pode criar um curto-circuito no fluxo de ar, ao puxar ar fresco diretamente para a exaustão em vez de arrastar o ar contaminado através das câmaras de contenção», explica Kulkarni.

Avançar na investigação da TB

Até à data, os padrões desiguais de fluxo de ar em espaços interiores não têm sido totalmente aproveitados como parte de uma estratégia de mitigação de riscos.

«Ao definir sistematicamente como o fluxo de ar e a conceção influenciam a exposição biológica, fomos finalmente capazes de restaurar a transmissão e criar um sistema que pode agora ser utilizado para colocar questões fundamentais sobre os fatores bacterianos, do hospedeiro e ambientais que determinam a propagação da tuberculose», refere Naqvi.

«Comecei a trabalhar para restabelecer este modelo animal seminal de transmissão da TB há quase 10 anos e revelou-se muito mais desafiante do que antecipei», diz Shiloh. «Espero que este trabalho sirva como um lembrete de que avanços científicos significativos exigem muitas vezes paciência e perseverança.»

«Este trabalho ilustra quão crucial é apoiar colaborações sinérgicas que integrem disciplinas complementares para superar estrangulamentos na investigação — e padronizar as normas de comunicação de dados entre laboratórios», afirma Bourouiba. «Se laboratórios diferentes tiverem padrões de fluxo de ar variáveis devido a fugas não controladas ou pormenores de vedação, essa variabilidade física pode sobrepor-se aos sinais biológicos que os investigadores procuram. Para além do seu impacto fundamental nos estudos de transmissão da TB, o nosso trabalho mostra que abrir a caixa-negra da transmissão proporciona conhecimentos mecanicistas: o controlo detalhado dos padrões de fluxo de ar pode potenciar ou mitigar a transmissão aérea — tornando-o explorável como medida de prevenção em espaços de reunião com grande afluência.»

Este trabalho foi financiado, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH), pela Fundação Nacional da Ciência (NSF), pelo Burroughs Wellcome Fund, pela MathWorks e pelo Instituto de Investigação Traslacional para a Saúde Espacial.

This article was originally posted by: news.mit.edu