COVID-19: ПОЧЕМУ МЫ ВСЕ ДОЛЖНЫ НОСИТЬ МАСКИ — СУЩЕСТВУЕТ НОВОЕ НАУЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ
Суй Хуан
Официальная рекомендация в Соединенных Штатах (и других западных странах) о том, что общественность не должна носить маски, была мотивирована необходимостью сохранения респираторных масок для работников здравоохранения. Нет никакого научного подтверждения утверждению, что маски, которые носят непрофессионалы, «не эффективны». Напротив, с учетом заявленной цели «сгладить кривую», было бы желательно любое дополнительное, хотя и частичное уменьшение передачи - даже то, что обеспечивается простыми хирургическими масками или самодельными (сделай сам) масками (которые не усугубят проблему поставки). Последние биологические данные о проникновении вируса SARS-Cov-2 в ткани человека и баллистике чихания / кашля позволяют предположить, что основным механизмом передачи являются не мелкие аэрозоли, а большие капли, и, таким образом, каждый человек должен носить хирургические маски.
Главный хирург написал в Твиттере: « ПРЕКРАТИТЕ ПОКУПАТЬ МАСКИ , они не эффективны ...». Центр контроля заболеваний (CDC) говорит, что хирургические маски предлагают гораздо меньшую защиту, чем респираторы N95 (которые также должны быть правильно надеты, и только профессионалы могут сделать это). CDC рекомендует, чтобы здоровые люди вообще не носили маски, только больные. Эти руководящие принципы не основаны на научном обосновании, но были мотивированы необходимостью сохранить ценные маски для медицинских работников ввиду нехватки. Но они могли иметь непредвиденные последствия: стигматизировать тех, кто носит маски, на публике (вы замаскированный или заразный!)
Сравните это с культурной привычкой, поощрением или даже необходимостью носить маски в азиатских странах - которые сейчас «сгладили кривую» или даже имели более плоскую кривую с самого начала.
Конечно, хирургические маски и неправильно носимые маски-респираторы N95, не обеспечивают идеальную защиту. Но если заявленная цель состоит в том, чтобы «сгладить» кривую заболеваемости (в отличие от уничтожения вируса), мы должны отказаться от черно-белого мышления и принять оттенки серого. Мы больше не можем утверждать, что маски «не эффективны». Мы не можем допустить, чтобы идеальное было врагом хорошего. Что если частичная защита, обеспечиваемая протекающими хирургическими или даже самодельными масками, снижает вероятность передачи вируса до степени, сходной с таковой рекомендуемого (одинаково несовершенного) расстояния более чем на 6 футов (1,8 м) друг от друга или «не касания вашего лица»? Это может затем удвоить влияние нефармакологического вмешательства (NPI) на сглаживание кривой (Рисунок 1).
Рисунок 1. «Сглаживание кривой». Эффект смягчающих вмешательств, которые снизили бы начальную скорость размножения R0 на 50%, если они были реализованы на 25-й день. Красная кривая - это динамика числа инфицированных людей («случай») без вмешательства. Зеленая кривая отражает измененную («сплющенную») кривую после вмешательства. День 0 (3 марта 2020 г.) - это время, когда было подтверждено 100 случаев заражения (d100 = 0). Модель только для иллюстрации и была выполнена в симуляторе модели SEIR (http://gabgoh.github.io/COVID/index.html). Модель невмешательства была приспособлена к этим точкам данных: период времени в двадцать дней, в течение которого число случаев в Соединенных Штатах возросло со 100 (d100 = 0) до 35 000 (d100 = 20). Использовались стандартные параметры (численность населения 330 М, Tinc = 5,2 дня, Tinf = 3,0 дня, но с довольно высоким значением R0 = 5.6, чтобы достигнуть наблюдаемого темпа увеличения случаев в США. Кривые изображены не в масштабе.
Поскольку CDC не дает никаких научных доказательств для утверждения, что маски, которые носит общественность, «не являются эффективными», здесь мы рассмотрим научную поддержку защиты, обеспечиваемой хирургическими масками. Мы концентрируемся на механистическом обосновании (в отличие от эпидемиологических и феноменологических данных). Принимая во внимание баллистику кашля и результаты последних исследований в области биологии передачи вируса SARS-CoV2 (который называется COVID-19), мы заключаем, что любой физический барьер, обеспечиваемый даже импровизированными масками, может существенно уменьшить распространение COVID-19. Если мы скоро уступим давлению, чтобы ослабить строгую изоляцию и позволить ограниченным социальным взаимодействиям оживить экономику, тогда маски общественности должны сыграть свою роль и могли бы способствовать подходу середины пути.
Официальная рекомендация CDC, FDA и других лиц о том, что маски, которые носят не относящиеся к здравоохранению непрофессионалы неэффективны, неверна на трех уровнях: в логике, в механике передачи и в биологии проникновения вируса.
I. ЛОГИКА
Конечно, ни одна маска, будь то плотно прилегающая маска-респиратор N95, добренная NIOSH, или слабо изношенная хирургическая маска, не обеспечивают идеальную («100%») защиту. Но несовершенная защита не означает «совершенно бесполезная», так как стакан не полный не обязательно должен быть пустым: я бы с радостью принял стакан воды, наполненный до 60%, когда я хочу пить. Отсутствие доказательств защиты не является доказательством ее отсутствия. Но в нашем бинарном мире официальное сообщение о том, что хирургические маски «не эффективны», возможно создало неверное мнение: они абсолютно бесполезны. К сожалению, благодаря черно-белой картине, нарисованной официальными лицами, дискуссия об эффективности масок была заглушена, а вместе с тем и возможность стимулировать промышленность наращивать производство этих 75-центовых защитных устройств.
Но с объявленной целью «сгладить кривую» (а не полностью уничтожить вирус) мы имеем «связанную» в противоположность абсолютной цели, которая ставит понятие «частичной защиты» в новом свете. В принципе, можно вычислить степень Y сглаживания кривой, учитывая частичную защиту на X%, как дает маска. Но для этого нам нужно сначала понять механику и биологию передачи в деталях.
II. МЕХАНИКА
То, как вирусы, вызывающие болезни, передающиеся воздушно-капельным путем, передаются капельками от человека к человеку является сложным, недостаточно изученным вопросом. Капли можно (для данного обсуждения) грубо разделить на две большие категории в зависимости от размера (Рисунок 2):
Рисунок 2. Капли большие, чем аэрозоли, при выдохе (со скоростью <1 м/с) испаряются или падают на землю на расстоянии менее 1,5 м. При выталкивании с высокой скоростью из-за кашля или чихания струя, особенно более крупных капель (> 0,1 мм), может уноситься струей на расстоянии более 2 м или 6 м соответственно.
(а) Капли диаметром менее 10 мкм (микрометр) - верхний предел размера для определения «аэрозоля» (частицы настолько легкие, что могут летать в воздухе). Для краткости будем называть эту категорию «аэрозолями». Эти небольшие аэрозоли переносятся вентиляцией или ветром и поэтому могут перемещаться по комнатам. Что отличает маски для лица N95 от хирургических масок, так это то, что они предназначены (в соответствии с нормативными требованиями) для остановки аэрозолей: они должны отфильтровывать 95% капель размером менее 0,3 мкм.
(б) Капли размером более 10 мкм (микрометр), достигающие 100 мкм (0,1 мм) или более. Давайте назовем эти крупные частицы «брызги капель». (Более подробное обсуждение см. Nicas and Jones, 2009 ). Разумеется, капли могут быть даже больше, вплоть до размера, видимого невооруженным глазом в брызгах, образующихся при кашле или чихании (диаметр от 0,1 мм и выше). Расчеты Xie и др. показывают, что при выдохе капли >0,1 мм могут испаряться или падать на поверхность в пределах 2 м, в зависимости от размера, влажности воздуха и температуры. Но при кашле или чихании они могут выстреливаться как снаряды изо рта с «начальной скоростью» 50 метров в секунду (для чихания) или 10 м/с (для кашля), и капли могут достигать расстояния до 6 метров. Если это так, то часто упоминаемого «безопасного расстояния» в 6 футов (1,8 м) при социальном общении может быть недостаточно - если только вы не наденете (простую) маску - об этом позже.
Вот в чем состоит коренное биологическое различие между аэрозолями и брызгами капель:
Переносимые по воздуху частицы, которые при вдохе проникают глубоко в легкие через все воздухопроводящие пути вплоть до альвеолярных клеток, где происходит газообмен, должны быть маленькими (Рисунок 3): только капли диаметром менее 10 микрометров могут достигать альвеол. Напротив, крупные брызги капель застревают в носу и горле (носоглоточное пространство) и в верхних дыхательных путях легких, трахее и крупных бронхах. Типичные выделяемые при кашле капли распределяются по размеру так, что примерно половина капель относится к категориям аэрозолей, хотя они вместе составляют только менее 1/100000 от объема выделения (Nicas и др 2005 ).
Рисунок 3. Анатомия дыхательных путей и где капли могут оседать в конечном итоге, в зависимости от их размера и какие капли блокируются какими масками
Осюда следует, что сложные маски N95, предназначенные для фильтрации мельчайших частиц, помогают предотвратить перенос капель вируса в альвеолы. Но действительно ли это важно для сглаживания кривой? Посмотрим ниже. Напротив, вполне вероятно, что крупные капли, которые попадают в носоглотку, могут быть остановлены любым физическим барьером, таким как более простые хирургические или пылевые маски.
Конечно, многие аэрозоли в выдохе или брызги капель при кашле могут не содержать вирус, но некоторые содержат. В случае вируса SARS-Cov-2 неизвестно, какова минимальная инфекционная нагрузка (количество вирусных частиц, необходимое для запуска каскада патогенеза, который вызывает клиническое заболевание). Но мы оценим, являются ли маленькие аэрозоли или большие капли брызг более актуальными.
Молчаливое понимание CDC о том, что альвеолы являются местом назначения капель для доставки вирусной нагрузки (альвеолы являются, в конце концов, анатомическим местом для угрожающей жизни пневмонии), повысило очевидную важность масок N95 и привело к отказу от хирургических масок. Нюансы не учитываются непрофессионалами (а также многимb диванными экспертами), которые сейчас, благодаря бинаризации сообщений, считают маски бесполезными.
Даже в отношении небольших аэрозолей мы не должны забывать, что частичная фильтрация, обеспечиваемая хирургическими масками, лучше, чем ничего. В экспериментальном моделировании фильтрующей способности масок в 2008 году ван дер Санде и ее коллеги из Нидерландов сравнили способность трех масок: ( i ) самодельные (DYI) из чайной ткани, ( ii ) стандартные хирургические маски и ( iii ) FFP2, европейский эквивалент масок N95, в отношении их способности останавливать небольшие аэрозоли в диапазоне от 0,2 до 1 мкм - капли, которые достигают нижней доли легкого.
i ii iii 
Рисунок 4
То, что авторы обнаружили в отношении внутренней защиты, вызывает некоторые сомнения в посыле CDC о том, что хирургические маски «не эффективны»: хотя маски FFP2 (или N95) действительно отфильтровывают> 99% частиц (таким образом, снижая аэрозольную нагрузку в 100 раз), хирургические маски снизили количество капель аэрозоля за маской в 4 раза по сравнению с внешней частью маски. Вполне вероятно, что для более крупных брызг капель от кашля разница между хирургическими масками и масками-респираторами N95 была бы еще меньше. Интересно, что для внешней защиты эффективность и различия намного меньше (см. цифры на Рисунке 5).
Рисунок 5. Эффект фильтрации мелких капель (аэрозолей) по различным маскам; самодельные из чайной ткани, хирургическая маска (3М «Tie-on») и маска-респиратор FFP2 (N95). Числа масштабируются до эталона 100 (источник капель) в иллюстративных целях, рассчитаны по значениям PF (коэффициент защиты) в Таблице 2 van der Sande et al, 2007, Измерения проводили с помощью счетчика Portacount, который регистрирует частицы в воздухе с размерами в диапазоне от 0,02 до 1 микрометра в конце 3-часового периода ношения без физической активности. Числа защиты являются медианами 7 (или 8) взрослых добровольцев на группу. Защита в начале теста была аналогичной для чайной ткани и хирургической маски, но для FFP2 защита была двойной. У детей защита была значительно меньшей (см. Van der Sande et al 2007)
Эти результаты поднимают актуальный вопрос: если все мы хотим смягчить пандемии, то есть, «выравнять кривую», насколько 4-кратное уменьшение частиц, которые достигают легких снизят передачу от человека к человеку? Интуиция предполагает, что даже несовершенная маска может предложить некоторую защиту, которая, по крайней мере, находится в диапазоне рекомендуемого расстояния более чем на 6 футов в социальных взаимодействиях или мытья рук или запрета на касание вашего лица - все рекомендации основаны на механистическом правдоподобии без сильной эпидемиологической поддержки.
Технически, можно количественно оценить, насколько 4-кратное снижение капель, воздействующих на человека, достигаемое хирургическими масками, либо 3-кратное, достигаемое за счет самодельных масок из чайной ткани, способствует снижению «коэффициента воспроизведения» от исходного R0 до эффективного Rt после принимаемых мер в момент времени t. Возможно на 25%? Тогда можно, используя SEIR-эпидемиологические модели, вычислить, в какой степени частичное снижение R существенно сгладит кривую - до желаемой степени, чтобы избежать перегрузки системы здравоохранения (см. Рисунок 1).
Но такое «восходящее» вычисление R является сложным, потому что требует знания многих механистических факторов, которые нелегко количественно оценить. Например, мы не знаем, в какой пропорции COVID-19 передается через большие брызги капель по сравнению с небольшими аэрозолями. Только в последнем случае преимущество масок-респираторов N95 перед хирургическими масками будет полностью реализовано! Мы также не знаем, как сильно одно социальное дистанцирование в способствует уменьшению R .
Таким образом, давайте посмотрим на реальную биологию передачи, которая предлагает выход из этой проблемы, а также не рассматривалась официальными лицами, которые утверждали, что «хирургические маски не эффективны».
III. БИОЛОГИЯ
Вирус SARS-Cov-2, как и любой вирус, должен прикрепляться к клеткам человека с использованием принципа ключ-замок, при котором вирус представляет ключ, а клетка - замок, который дополняет ключ для входа в клетку и репликации. Для вируса SARS-Cov-2 вирусный поверхностный белок «Spike protein S» является «ключом», и он должен плотно прилегать к «блокирующему» белку, который находится (= представлен молекулярно) на поверхности клеток-хозяев. Белком клеточного замка, который использует вирус SARS-Cov-2, является белок ACE2 ( Рисунок 6).
Этот фермент клеточной поверхности обычно выполняет защитную функцию сердечно-легочной системы. ACE2 экспрессируется на более высоких уровнях у пожилых людей, у людей с хронической сердечной недостаточностью или с легочной или системной артериальной гипертензией. (Обратите внимание, что экспрессия ACE2 является «ограничением скорости, потому что другие белки-хозяева , присутствие которых также необходимо для проникновения вируса в клетки, такие как протеазы, более обильно и широко экспрессируются). Некоторые препараты для измерения артериального давления (как в настоящее время интенсивно обсуждается, поскольку гипертония является фактором риска прогрессирования острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС) и смерти при COVID-19), а также механический стресс от вентиляции, по иронии судьбы, могут усиливать экспрессию АПФ2.
Рисунок 6. Вирус SARS-Cov-2 поступает в клетку-хозяина путем стыковки выступа своего белка к белку ACE2 (синий) на поверхности клеток.
Удивительно, но экспрессия ACE2 в легких очень низкая: она ограничена несколькими молекулами на клетку в альвеолярных клетках (клетках AT2) глубоко в легком. Но только опубликованная работа консорциума HumanАтлас клеток человека (HCA) сообщает, что ACE2 высоко экспрессируется в некотором типе (секреторных) клеток внутреннего носа! (Рисунок 7).
Сочетание этого факта с ранее объясненной механикой: Экспрессия белка ACE2 в носу предполагает, что вирус SARS-Cov2 инфицирует эти клетки. Можно также сделать вывод, что передача вируса SARS-Cov2 будет происходить в основном через большие капли от кашля или чихания, которые составляют большую часть распыляемой жидкости при кашле / чихании и будут попадать в носоглотку благодаря своим размерам - именно там, где существуют молекулярные замочные скважины для вируса, позволяющие вирусу прикрепляться и проникать в клетки-хозяева. Очевидно, что этот путь передачи может быть эффективно заблокирован простым физическим барьером. (Проксимальная экспрессия АПФ в полости носа также способствует передаче через поверхностные капли - следовательно, действительно мойте руки).
Рисунок 7. Основной путь проникновения вируса, вероятно, происходит через крупные капли, которые попадают в нос - там, где экспрессия рецептора проникновения вируса, ACE2 самая высокая. Это маршрут передачи уже может быть эффективно заблокирован простыми масками, которые создают физический барьер.
На самом деле, W?lfel и др . теперь сообщают, что вирусный материал может легко быть обнаружен и выделен из носовых тампонов, в отличие от других вирусных инфекций, передаваемых воздушно-капельным путем, таких как исходная атипичная пневмония. По сравнению с SARS (которая также использует ACE2 для проникновения в клетки) в случае COVID-19, вирусные геномы (РНК) появляются раньше в носовых мазках и при гораздо более высоких концентрациях, так что обнаруживаются довольно легко. Фактически, FDA только одобрило тампоны для анализов, взятых от передней части носа посредством самонакопления, а не глубоко в носоглотке. Молекулярный анализ также показывает , что вирус SARS-Cov2 активен и размножается уже в носоглотке в отличие от других респираторных вирусов, которые живут в более глубоких областях легких.
Вирусная репликация в слизистой оболочки носоглотки может также объяснить положительные тесты в продромальном периоде и передаче от здоровых носителей и, возможно, аносмию, замеченную на ранних стадиях COVID19. Но эта биология также означает: избегайтение крупных капель, которые в любом случае не могут попасть в легкие, но попадают в верхние дыхательные пути, может быть наиболее эффективным средством предотвращения инфекции . Следовательно, хирургические маски, возможно, даже ваша лыжная маска, банданы или шарф могут обеспечить большую защиту, чем это представлял правительственный чиновник в своей первоначальной (понятной, но неудачной) рекомендации против ношения масок широкой публикой в целом. Маски-респираторы N95 могут предложить относительно небольшую дополнительную защиту, чем предполагалось. (Чтобы быть справедливым,CDC предлагает использовать платок медицинскими работниками в качестве крайней меры, когда нет доступных масок).
С практической и общественной точки зрения хирургические или самодельные маски при правильном обращении в худшем случае не повредят, а в лучшем случае могут помочь. (Обязательно выбрасывайте или стирайте после использования, не касаясь наружной поверхности). Эти более простые, недорогие маски могут быть достаточными, чтобы помочь сгладить кривую, возможно немного, возможно существенно. Важно отметить, что их использование не отнимает ценные маски-респираторы N95 у работников здравоохранения.
ВЫВОДЫ
Было бы трагично, если неправильная логика, механика и биология, которые заставили западные правительства не поощрять, если не клеймить ношение масок, сможет способствовать крутому росту COVID-19. Учитывая, что верхние дыхательные пути являются основным местом для проникновения SARS-Cov-2 в ткани человека, ношение простых масок для лица, которые выполняют барьерную функцию, блокируют те большие брызги капель, которые попадают в нос или горло, может существенно снизить производительность R в той степени, в которой это можно сравнить с социальным дистанцированием и мытьем рук. Это тогда удвоит эффект смягчения в «выравнивании кривой»!
Заглядывая вперед: если мы скоро ослабим строгую изоляцию из-за политического давления, направленного на поддержание экономики, то, возможно, поощрение использования в обществе масок для лица будет хорошим компромиссом между полной изоляцией и полной свободой, которая может привести к возрождению невидимого врага. В настоящее время существует надежная научная основа для того, чтобы положить конец официальной истерии против хирургических масок и рекомендовать или даже предписать широкое использование масок, как в азиатских странах, которые изогнули кривую.
PS (1 апреля 2020 г.): работа Wölfel et al. процитированая выше, теперь опубликована здесь.