Immagine: Public Domain.
Per la prima volta, i ricercatori hanno visualizzato direttamente come il parlare produce ed espelle nell’aria goccioline di saliva che diffondono SARS-CoV-2. Le goccioline più piccole possono essere inalate da altre persone e sono il modo principale in cui le infezioni respiratorie come COVID-19 si diffondono da persona a persona.
Utilizzando l’imaging ad alta velocità, i ricercatori hanno dimostrato che quando le nostre bocche si aprono per produrre suoni vocali, una pellicola di saliva lubrificante si diffonde inizialmente sulle labbra. Quando le labbra si aprono, il film liquido si rompe in filamenti. Il flusso d’aria verso l’esterno dai polmoni allunga e assottiglia i filamenti fino a quando alla fine si rompono e si disperdono nell’aria sotto forma di minuscole goccioline, il tutto in frazioni di secondo.
Howard Stone di Princeton e Manouk Abkarian del CNRS hanno visualizzato direttamente come la parola e il respiro producono ed espellono goccioline di saliva nell’aria. Illustrazione di Matilda Luk, Office of Communications presso Princeton University
Questo meccanismo che produce goccioline è particolarmente pronunciato per le cosiddette consonanti di stop o “occlusive” come “p” e “b”, che richiedono che le labbra si premano saldamente insieme quando si forma il suono vocalizzato. Altri suoni sono noti come esplosivi, come “t” e “d” che coinvolgono la lingua che tocca i denti superiori e la cresta mascellare appena dietro i denti, allo stesso modo producono goccioline ad una velocità molto maggiore rispetto a quando si formano suoni vocalici.
Una comprensione più profonda di questo processo di formazione e dispersione delle goccioline dovrebbe portare a nuove e migliori strategie di mitigazione, contribuendo a rallentare l’attuale pandemia di coronavirus insieme a future epidemie.
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“Abbiamo effettuato la prima visualizzazione diretta del meccanismo che produce goccioline nella cavità orale durante un discorso”, ha affermato Howard Stone, Donald R. Dixon ’69 ed Elizabeth W. Dixon Professore di ingegneria meccanica e aerospaziale. “Il nostro studio fornisce informazioni sull’origine delle goccioline quando le persone parlano, il che può aiutare a frenare la diffusione di malattie come COVID-19”.
I ricercatori hanno utilizzato questo foglio laser per illuminare le goccioline di saliva. La luce laser, originata da sinistra, si espande a formare un “foglio” che va da sinistra a destra e alto circa un metro. Il soggetto della ricerca (di solito Manouk Abkarian del CNRS) starebbe davanti al foglio o accanto ad esso, a seconda dell’esperimento. Le gocce del loro discorso o respiro che attraversavano il foglio avrebbero prodotto dei flash che hanno fotografato e contato. Alcuni esperimenti hanno aggiunto una macchina che peroduce nebbia per vedere come il respiro del soggetto o le goccioline del discorso interagiscono con il movimento delle goccioline nella nebbia ambientale. Illustrazione di Manouk Abkarian, Princeton University
Lo studio è apparso sulla rivista Physical Review Fluids. Stone è stato coautore dello studio con Manouk Abkarian, Direttore della ricerca presso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), nel Centre de Biologie Structurale di Montpellier. Abkarian era arrivato a Princeton in un breve periodo sabbatico programmato all’inizio di marzo 2020, per coincidenza appena prima che l’Università (e gran parte del resto del mondo) entrasse in un blocco pandemico.
In quelle prime settimane, quando i tassi di infezione da COVID-19 aumentavano vertiginosamente, i ricercatori di un’ampia gamma di discipline iniziarono a concentrarsi su come il virus veniva trasmesso. Allo stesso modo preoccupati, Stone e Abkarian volevano utilizzare la loro esperienza nella meccanica dei fluidi per affrontare il problema. I ricercatori si sono concentrati sulla trasmissione asintomatica; cioè, da persone che non tossivano e non starnutivano e non emettevano particelle sospese nell’aria cariche di agenti patogeni.
“Abbiamo presentato un progetto ad aprile per indagare sulla meccanica dei fluidi coinvolta nella trasmissione asintomatica attraverso il ruolo della parola, quando le persone che non sono apparentemente malate stanno normalmente interagendo e parlando”, ha detto Stone.
Per proseguire lo studio, Stone e Abkarian hanno ricevuto il permesso dall’Università, incluso il Comitato di revisione istituzionale, di accedere al laboratorio del suo campus per perseguire questo lavoro urgente osservando un rigoroso protocollo di distanziamento sociale. Lì, Abkarian ha eseguito la maggior parte degli esperimenti su se stesso, con alcune immagini aggiuntive di Stone che parla. La configurazione sperimentale prevedeva Abkarian seduto su una sedia, una stanza piena di nebbia da una macchina del fumo. Ha vocalizzato varie fonetica mentre parlava verso un foglio laser, che è un piano piatto e sottile di luce laser. Il foglio laser ha rivelato eventuali particelle che lasciavano la bocca di Abkarian a causa dell’effetto di diffusione della luce che provocano quando attraversano il foglio. Una telecamera ad alta velocità ha catturato questa dispersione, consentendo ai ricercatori di misurare il livello di produzione di goccioline per suono parlato.
Per visualizzare la formazione delle goccioline durante il discorso, la stessa telecamera ha ingrandito la bocca di chi parla. La fotocamera ha registrato a una velocità estremamente dettagliata di 5000 fotogrammi al secondo in condizioni di forte illuminazione. La prospettiva fotogramma per fotogramma a livello di millisecondi mostrava la deposizione di uno strato salivare microscopico, lubrificante, sulle labbra mentre le labbra si premevano insieme prima di emettere una consonante esplosiva. Lo strato liquido si disegna in una pellicola sottile verticale mentre le labbra si separano. La pellicola diventa instabile entro un millisecondo mentre si espande fino a circa un millimetro di larghezza. Il film si divide in numerosi filamenti che si assottigliano e si estendono rapidamente per centimetri di lunghezza per rompersi infine in gocce soffiate dall’aria verso l’esterno lasciando la bocca di chi parla.
Questa prova catturata dalla telecamera contrasta con ipotesi precedenti, per lo più non supportate, riguardanti la formazione di goccioline aerosolizzate. Si presume che la formazione di goccioline avvenga in due modi: da pellicole sottili che esplodono in profondità nei polmoni, o da goccioline di taglio del flusso d’aria dalle superfici rivestite di saliva nelle vie aeree superiori, che comprendono la gola e la bocca. Gli esperti sono incerti comunque che gli altri meccanismi proposti giochino un ruolo al di là del meccanismo documentato da Stone e Abkarian.
“Nessuno è mai stato in grado di ottenere misurazioni dirette o visualizzazioni della formazione di goccioline nei polmoni o nelle vie aeree superiori”, ha detto Abkarian. “Ora con il nostro studio, ci sono prove convincenti che lo stiramento e la rottura dei filamenti di saliva durante un discorso e quindi “la parola” è alla base della formazione di aerosol“.
“Indossare maschere, come è quasi universalmente raccomandato dagli esperti di salute pubblica e richiesto in molte giurisdizioni, dovrebbe contenere efficacemente una porzione significativa di aerosol espulsi”, hanno sottolineato i ricercatori. Stone e Abkarian hanno inoltre suggerito che il semplice intervento di utilizzare balsamo per le labbra dovrebbe ridurre la formazione di goccioline durante il discorso.
Quando le condizioni pandemiche lo consentono, Stone e Abkarian vorrebbero estendere l’imaging del loro studio a più partecipanti per confermare che il meccanismo di generazione di goccioline che hanno documentato è una caratteristica generale del linguaggio umano.
I ricercatori sono anche interessati alle differenze tra le lingue in termini di varietà e frequenza dei suoni evocati dalla loro articolazione. È possibile che chi parla certe lingue con molte consonanti dure, per esempio, tenderà a produrre più goccioline rispetto a chi parla di lingue caratterizzate da un maggiore uso di suoni vocalici più morbidi. Le persone che producono più saliva quando parlano – soprannominate “super emettitori” – potrebbero non essere necessariamente superdiffusori di COVID-19 o altre malattie trasmesse dalla saliva. Questo perché l’infettività di una determinata gocciolina è probabilmente basata sulla quantità di virus che contiene, e una persona infetta da COVID-19 che produce solo goccioline abbondanti potrebbe non avere anche un’elevata carica virale nella saliva o nel tratto respiratorio.
“Stiamo ancora imparando molto su come viene trasmesso COVID-19”, ha detto Stone. “La nostra speranza è che questo studio aiuterà nella lotta globale contro questa devastante pandemia”.
Scritto da Adam Hadhazy
Fonte: Princeton University
