https://orcid.org/0000-0003-1611-7900
RESUMEN
Las vías de transmisión de la COVID-19 desde pacientes infectados al personal de la salud son actualmente objeto de debate, pero su consideración resulta fundamental para la selección del equipo de protección personal. El objetivo de este documento es explorar las contribuciones de tres vías de transmisión—contacto, gota e inhalación—al riesgo de infección de COVID-19 adquirida por el personal sanitario en el ámbito laboral. El método consistió en la evaluación cuantitativa de los riesgos microbianos y de un modelo de exposición cuyos posibles parámetros se basaron en datos específicos del virus SARS-CoV-2 cuando se disponía de ellos. El hallazgo clave fue que las vías de transmisión por gotas e inhalación predominan sobre la vía de contacto, contribuyendo en promedio 35%, 57% y 8.2% a la probabilidad de infección cuando no se usa equipo de protección personal. En promedio, 80% de la exposición a la inhalación ocurre cuando el personal sanitario está cerca de los pacientes. La contribución relativa de las gotas y la inhalación depende de la emisión de SARS-CoV-2 en las partículas respirables (<10 μm) a través de la exhalación, y la inhalación se vuelve predominante, en promedio, cuando la emisión supera las cinco copias genéticas por minuto. La concentración prevista del SARS-CoV-2 en el aire de la habitación del paciente es baja (<1 copia del gen por m3 en promedio) y probablemente se encuentre por debajo del límite de cuantificación de muchos métodos de muestreo del aire. Los resultados demuestran el valor que supone la protección respiratoria del personal sanitario y que el muestreo de campo puede no ser lo suficientemente sensible para verificar la contribución que realiza la inhalación del SARS-CoV-2 al riesgo de infección de COVID-19 adquirida por el personal. La emisión e ineficacia del SARS-CoV-2 en gotas respiratorias de diferente tamaño es aún una brecha en el conocimiento, fundamental para comprender y controlar la transmisión de la COVID-19.
Introducción
Las vías de transmisión de la COVID-19 y sus contribuciones relativas siguen siendo inciertas. Sin embargo, este conocimiento resulta de importancia crítica, porque las vías de transmisión determinan la implementación de las estrategias necesarias para proteger al personal sanitario de infecciones adquiridas en el ámbito laboral. Varias organizaciones de salud pública han planteado que la transmisión de la COVID-19 se produce predominantemente por la vía de gotas (OMS, Citation2020) y puede ser interrumpida con un dispositivo de barrera, por ejemplo, una mascarilla quirúrgica (Siegel et al., Citation2007). Existe un apoyo creciente a la teoría de la transmisión de la COVID-19 por la inhalación de aerosoles virales (Morawska y Cao Citation2020; Setti et al. Citation2020), lo que sería coherente con las evidencias arrojadas por el brote de SARS-CoV de principios del año 2000 (Jones y Brosseau Citation2015). La inhalación de aerosoles virales, tanto si la persona susceptible se encuentra en la proximidad de la fuente como en lugares más distantes, sólo puede interrumpirse eficazmente utilizando un dispositivo de protección respiratoria, como una mascarilla autofiltrante N95.
El objetivo de este documento es explorar las contribuciones de tres vías de transmisión—contacto, gotas e inhalación—al riesgo de infección de COVID-19 al que está expuesto el personal sanitario que provee cuidados a pacientes infectados y cómo influye la incertidumbre en la emisión de SARS-CoV-2 a las contribuciones relativas de cada vía de transmisión. Dicho objetivo se logró mediante la adaptación de un modelo de exposición aplicado previamente para caracterizar el riesgo de gripe SARS-CoV-2 adquirida en un entorno profesional (Jones y Xia Citation2018).
Métodos
Vías de transmisión
Se consideraron tres vías de transmisión: 1) transmisión por contacto del virus con las membranas mucosas faciales; 2) transmisión a través de gotas ocasionada por la proyección de gotas respiratorias que contienen el virus sobre las membranas mucosas faciales y la inhalación de partículas inspirables; y 3) inhalación de gotas respirables que contienen el virus (<10 µm), tanto en la cercanía de pacientes como en lugares más alejados.
Función de dosis-respuesta
A falta de una función de dosis-respuesta para el SARS-CoV-2 se utilizó la función exponencial de respuesta a la dosis ajustada por Watanabe et al. (Citation2010) con el fin de agrupar los datos sobre la capacidad de infección del SARS-CoV en ratones cuando se administró por instilación intranasal: P(infección) = 1 – e-(410d) donde d es la dosis esperada (UFP). Este modelo resulta en una dosis infecciosa media de 280 UFP.
Modelo de exposición
Como en anteriores trabajos sobre la gripe (Nicas y Sun Citation2006; Nicas y Jones Citation2009; Jones y Xia Citation2018), las vías de contacto e inhalación se ajustaron utilizando un modelo compartimentado de transporte y destino del virus, implementado mediante una cadena de Markov. Los compartimentos se muestran en la , en la que las flechas indican la dirección de transferencia del virus entre los compartimentos. Para representar la vía aérea proximal, la habitación del paciente se dividió en zonas de campo cercano y campo lejano. Cuando el personal sanitario se encuentra cerca de los pacientes (en la zona de campo cercano), puede inhalar el virus y entrar en contacto con las superficies de la zona de campo cercano; mientras que, cuando el personal está más alejado del paciente (en la zona de campo lejano), puede entrar en contacto con las superficies de la zona de campo lejano e inhalar el virus. Las dosis inhaladas en las zonas del campo cercano y el campo lejano fueron tabuladas por separado. El virus que entra en los compartimentos que representan las vías respiratorias o las mucosas faciales contribuyó a la dosis recibida por el personal sanitario. Se consideró que el personal estaba cerca de los pacientes durante 75% del periodo de exposición. Para estimar el número de virus presentes en las partículas proyectadas que llegan a las membranas mucosas faciales se utilizó un modelo de dispersión cónica (Nicas y Sun Citation2006). Se consideró que el personal sanitario tenía una probabilidad de 0.05 de interceptar una tos.
Figura 1. Compartimentos y vías para el transporte de virus en el modelo de exposición.
La emisión de gotas respiratorias durante una tos se basó en la distribución del tamaño de las gotas medido por Chao et al. (Citation2009), extrapolado al volumen espiratorio notificado por Duguid (Citation1946). Las gotas respiratorias de más de 100 μm de diámetro emitidas en una tos tenían probabilidad de impactar la cara proporcional a la superficie de las mucosas faciales (15.2 cm2) y la base del cono (0.38 m2), como se vio en trabajos anteriores (Nicas y Sun Citation2006). Las gotas respiratorias de menos de 100 μ de diámetro emitidas en una tos tenían una probabilidad de ser inspiradas proporcional al volumen de una sola respiración (0.0005 m3) y al volumen del cono (0.079 m3). El número de gotas respiratorias de cada tamaño emitidas en el recipiente durante una tos se modeló como una variable aleatoria de Poisson, con un valor medio igual al mostrado en la .
Tabla 1. Emisión y distribución del tamaño de las gotas respiratorias (Chao et al. Citation2009).
Además, se consideró que el virus se emitía continuamente en las gotas respiratorias exhaladas, con tasas de emisión de 10–1,000 virus cada 30 min (Leung et al. Citation2020). El rango es más bajo que el informado por Leung et al. (Citation2020), pero es posible que en ese estudio algunos participantes hayan tosido. Se consideró que la emisión se producía en todas las iteraciones de la simulación, pues el presente estudio se centra en las exposiciones ocupacionales, aunque parece que los pacientes con infecciones respiratorias virales no siempre emiten virus (Leung et al. Citation2020).
Se realizaron simulaciones adicionales con emisión fija de virus en gotas respirables a ritmos de 1, 10, 50, 100, 250 y 500 virus por minuto.
Todos los demás parámetros se muestran en la . Remitimos al lector a trabajos anteriores para su justificación (Jones y Xia Citation2018), a menos que en el presente documento se especifique lo contrario. La actualización de ciertas variables respondió a la disponibilidad de datos específicos sobre el SARS-CoV-2, el SARS-CoV o las actividades de atención a pacientes con infecciones respiratorias virales.
Tabla 2. Parámetros del modelo.
La concentración del virus en las gotas respiratorias se basó en su concentración medida en una muestra de saliva de la orofaringe posterior tomada a primera hora de la mañana en 23 pacientes consecutivos de dos hospitales de Hong Kong, de los cuales 10 padecían COVID-19 grave y 13 la enfermedad leve (To et al. Citation2020). La carga viral se representó como una distribución uniforme con un rango igual al margen intercuartil notificado inicialmente para los pacientes con enfermedad leve, que incluía el rango intercuartil notificado para los pacientes con enfermedad grave. La concentración del virus se modeló como (1) uniforme en todos los tamaños de partículas e igual a la concentración del virus en la saliva, y (2) menor en las partículas no respirables, igual a 50% de la concentración del virus en la saliva.
La tasa de inactivación del SARS-CoV-2 en el aire y en las superficies tuvo como base la vida media del virus en el aerosol y en las superficies de plástico (van Doremalen et al. Citation2020). Para representar las superficies de una habitación de hospital se utilizó plástico, ya que en ese entorno es más común que las otras superficies probadas. El SARS-CoV-2 tuvo una vida media más larga en el plástico que en el cartón, el cobre y el acero. Se calculó una constante de tasa de primer orden, k, con base en la vida media reportada de t1/2, en cuanto k = ln(2)/t1/2. El valor del intervalo creíble informado de 2.5% y 97.5% se equiparó con el margen de una distribución triangular y la media reportada con el modo.
Las tasas de contacto y la duración de la exposición se sustentaron en Phan et al. (Citation2019), quienes observaron la atención a pacientes bajo precauciones de gotas y contacto debido a una infección respiratoria viral en un hospital de cuidados agudos. Las tasas de contacto en la superficie se representaron como distribuciones triangulares basadas en los valores notificados para todos los fómites de las zonas cercanas y lejanas a los pacientes, con la media del valor notificado equivalente a la modalidad. El número de autocontactos se representó con una distribución binomial negativa ajustada al número de veces que Phan et al. (Citation2019) observaron al personal sanitario tocar sus máscaras. La duración de la visita del personal sanitario a un paciente se representó con una distribución triangular, en la que el valor de la media comunicada se equiparaba con la modalidad.
Para tener en cuenta que las unidades de función dosis-respuesta de las UFP implicaban la administración intranasal se utilizaron factores de ajuste. Esto implicó que: 1) el número de copias del gen del SARS-CoV-2 presente en la saliva se dividiera entre un número distribuido uniformemente entre 500 y 1,000 para explicitar la tasa de ARN a UFP; y 2) la fracción de virus que se deposita en las membranas mucosas faciales que llegan a los sitios del cuerpo en que el SARS-CoV-2 puede iniciar la infección se representara con una distribución uniforme en el rango de 0.001–0.01.
Equipo de protección personal
Se consideraron tres escenarios de uso del EPP: (1) sin EPP, (2) precauciones de barrera y (3) protección de inhalación y precauciones de barrera. Las precauciones de barrera incluían la protección ocular, que permitía que sólo 4% del virus pasara por las gafas o el protector facial para llegar al ojo (Lindsley et al. Citation2014), y una mascarilla quirúrgica, que posibilitaba que sólo 5% del virus pasara por la mascarilla para llegar a las membranas mucosas faciales durante el contacto y la exposición a las gotas. El valor de 5% para las mascarillas quirúrgicas se basó en el requisito de desempeño de eficacia de la filtración bacteriana (ASTM F2100-11), pero su desempeño puede ser mayor. Se consideró que la protección contra la inhalación ofrecía una barrera de protección y evitaba la inhalación de partículas respirables. Asimismo, se entendió que un margen de desempeño (penetración de 5%, 10%, 25% y 50% de las partículas respirables) reflejaba el uso de mascarillas quirúrgicas y autofiltrantes N95 (Bollinger Citation2004; Oberg y Brosseau Citation2008). No se consideró específicamente el uso de guantes y la higiene de las manos, porque se asumió que todos los miembros del personal sanitario que atienden a pacientes de COVID-19 usan guantes en la habitación de este y realizan una higiene de manos eficaz al salir de la habitación. No se consideró la posible exposición al momento de retirar el EPP.
Simulación
El modelo se implementó mediante la simulación de Monte Carlo utilizando B = 10,000 iteraciones para cada escenario. Se verificó la convergencia obteniendo resultados casi idénticos, dado que B = 20,000 para el escenario base. El resultado del modelo fue el riesgo general de infección y el porcentaje de contribución de cada vía de exposición al riesgo general. Los análisis de sensibilidad incluyeron el cálculo de la correlación de Spearman entre los parámetros del modelo y el riesgo general de infección, y entre los parámetros del modelo y la contribución porcentual de cada vía de exposición.
Resultados
El escenario base (sin EPP), con una distribución uniforme de la concentración del virus en todos los tamaños de partículas, predijo que la probabilidad media (percentiles 25 y 75) de infección era de 0.38 (0.18, 0.53) durante una sola actividad de atención al paciente. La probabilidad de infección se asoció más fuertemente con el número de toses (ρ = 0.62, p < 0.001), la duración de la exposición (ρ = 0.57, p < 0.001), la concentración del virus en la saliva (ρ = 0.32, p < 0.001) y la frecuencia de contacto entre la mano y la cara (ρ = 0.21, p < 0.001); otros parámetros mostraron correlaciones débiles (|ρ| < 0.20). La contribución media (percentil 25 y 75) de las vías de transmisión por contacto, gotas e inhalación al riesgo general de infección fue de 8.2% (0.0, 0.37%), 35% (12, 55%) y 57% (33, 82%), respectivamente (). La exposición en la zona cercana al paciente contribuyó en promedio 80% a la dosis inhalada, (margen 76-89%). La contribución de la transmisión por contacto a la probabilidad de infección se asoció de forma muy positiva con la tasa de contactos de mano a cara (ρ = 0.96, p < 0.001). La contribución de la transmisión por aspersión a la probabilidad de infección se asoció de manera muy positiva con el número de toses (ρ = 0.58, p < 0.001) y con la concentración del virus en la saliva (ρ = 0.29, p < 0.001). La contribución de la transmisión por inhalación a la probabilidad de infección se asoció positivamente con la tasa de emisión del virus en el aliento exhalado (ρ = 0.36, p < 0.001). En el material complementario en línea se muestran otros análisis de sensibilidad.
Figura 2. Contribución de las vías de transmisión por contacto, gotas e inhalación al riesgo de infección por SARS-CoV-2 entre el personal sanitario durante una actividad de atención al paciente sin utilizar equipo de protección personal.
Cuando se consideró que la concentración del virus variaba entre las gotas de tos respirables y no respirables, la probabilidad de infección media (percentiles 25 y 75) fue de 0.36 (0.17, 0.50) durante una actividad de atención a un solo paciente en el escenario base (sin EPP). La contribución media (percentiles 25 y 75) de las vías de transmisión por contacto, gotas e inhalación a la probabilidad de infección fue de 6.9% (0.00, 0.19%), 32% (6.9, 52%) y 61% (36, 90%), respectivamente. Estos resultados son bastante similares a los de simulaciones con una concentración uniforme del virus en todas las gotas de tos. Por consiguiente, no se presentan más resultados sobre la distribución desigual de la concentración del virus entre las gotas de tos.
Con el uso de precauciones de barrera, la probabilidad media (percentiles 25 y 75) de infección fue de 0.32 (0.15, 0.45) durante una sola actividad de atención al paciente, lo que equivale a una reducción de 6% de la probabilidad de infección en relación con la ausencia de EPP. La contribución porcentual media de las vías de transmisión por contacto, gota e inhalación a la probabilidad de infección fue de 2.8%, 30% y 68%, respectivamente. Esto refleja una mayor contribución de la inhalación en relación con el escenario base de no usar EPP.
El efecto de la filtración de virus respirables en la probabilidad de infección se muestra en la , cuando se usan máscaras faciales en conjunto con las precauciones de barrera. Las máscaras faciales, como las mascarillas quirúrgicas, pueden reducir la exposición a la inhalación en 25% a 50% respecto a la exposición sin protección contra la inhalación (Oberg y Brosseau Citation2008). Una reducción de 50% o 25% supone una probabilidad media de infección igual a 0.23 o 0.18, en promedio. Las máscaras faciales, como una mascarilla respiratoria autofiltrante N95, pueden reducir la exposición a la inhalación en 5% a 10% respecto a la exposición sin protección contra la inhalación (Bollinger Citation2004). Una reducción de 10% o 5% resulta en una probabilidad media de infección igual a 0.14 o 1.2 × 10−2, en promedio.
Figura 3. Probabilidad de infección entre el personal sanitario que usa precauciones de barrera y máscaras faciales de protección diversa contra las gotas respirables. Las mascarillas autofiltrantes N95 permitirían 5–10% de penetración, las máscaras quirúrgicas 25–50% de penetración y la penetración sin protección alguna sería de 100%.
Las condiciones iniciales del modelo de exposición equipararon el virus en el aire y en las superficies cercanas al paciente con valores de estado estable. Se predijo que la concentración media de virus (percentiles 25 y 75) en el aire de la zona cercana al paciente sería de 1.1 × 10−3 copias genéticas por m3 (6.0 × 10−4, 1.7 × 10−3 copias genéticas por m3). Asimismo, se predijo que la concentración media de virus (percentiles 25 y 75) en las superficies cercanas al paciente sería de 4.1 copias de genes por cm2 (0.04, 2.8 copias de genes por cm2).
Se comprobó que la contribución relativa de la vía de transmisión por inhalación dependía en gran medida de la tasa de emisión del virus en el aliento exhalado en gotas respirables, y se volvió predominante, en promedio, al emitirse >5 copias del gen del virus por minuto (). En comparación, la tasa de emisión del virus en partículas respirables de tos durante un periodo de exposición en este modelo fue, en promedio, de 1.33 copias de genes por minuto.
Figura 4. Efecto de la emisión del virus en gotas respirables (por ejemplo, la exhalación) en la contribución media relativa de la inhalación y la transmisión por gotas.
Discusión
Los resultados del modelo para la hipótesis de referencia demuestran que las vías de transmisión por inhalación y aspersión contribuyen sustancialmente al riesgo de infección del personal sanitario que presta atención a los pacientes de COVID-19 (). La contribución relativamente baja de la vía de transmisión
Tasa de emisión de virus respirables (copias de genes por minuto)
de contacto contrasta con estudios anteriores sobre la gripe (Nicas y Jones Citation2009), pero es consistente con las declaraciones de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, que no consideran que el contacto sea la principal forma de propagación del virus (CDC, Citation2020). Dada la gran variabilidad entre las simulaciones (), sin embargo, se debe considerar que las tres vías de transmisión representan un riesgo para el personal que atiende a los pacientes de COVID-19.
La contribución relativa de la aspersión y la transmisión por inhalación dependió en gran medida de la emisión continua de virus en las gotas respirables ocasionada por la respiración o el habla (). Las tasas de emisión del SARS-CoV-2 por la respiración, el habla y la tos siguen siendo muy inciertas y las pruebas experimentales indican que no todos los pacientes con infecciones respiratorias virales emiten virus todo el tiempo al respirar (Leung et al. Citation2020). Esta cuestión debería ser una prioridad para la investigación. Sin embargo, la tasa de emisión del virus en el aliento exhalado, en que la inhalación se convierte en la vía de transmisión predominante (cinco copias de genes por minuto, ), aunada a las concentraciones de virus en el aire en el entorno próximo (1.1 × 10−3 copias de genes por m3 en promedio), están cerca o por debajo del límite de cuantificación de muchos métodos de muestreo del aire. Estos resultados son coherentes con la baja frecuencia de detección en el aire del ARN del SARS-CoV-2 en los entornos sanitarios (Chia et al. Citation2020; Liu et al. Citation2020).
En este análisis, el tamaño de las gotas de tos y la distribución numérica utilizada fueron medidos por Chao et al. (Citation2009), y difieren de los análisis anteriores que utilizaron la distribución medida por Loudon y Brown (Citation1967). Chao et al. (Citation2009) midieron la distribución estadística del tamaño de las gotas mediante una técnica de imagen y ajustaron el número de gotas para alinearlas con el volumen expulsado medido por Duguid (Citation1946). En relación con la distribución de Loudon y Brown (Citation1967), la distribución de Chao et al. (Citation2009) tenía más gotas respiratorias (conteos promedio de 2,084 vs. 467), sobre todo, más gotas respirables. Esta diferencia no es sorprendente, debido a las limitaciones de la metodología empleada por Loudon y Brown (Citation1967) para la medición de gotas respirables y es consistente con la mayor transmisión por inhalación encontrada en este estudio en comparación con trabajos anteriores (Nicas y Jones Citation2009).
Aunque está bien establecido que los virus respiratorios pueden estar presentes en gotas respiratorias de diferentes tamaños (Phan et al., Citation2020; Leung et al. Citation2020), los estudios se han centrado en gran medida en las gotas de tamaño respirable, por lo que, sigue siendo incierto cuál es la distribución del virus en toda la gama de tamaños de gotas respiratorias. Es posible que aquellas que se generan en partes del tracto respiratorio en que se está replicando el SARS-CoV-2 puedan contener más virus que las generadas en otras áreas. En este estudio se determinó que las concentraciones más bajas de virus en gotas respiratorias más grandes tenían un efecto limitado en la probabilidad de infección y en la contribución relativa de la vía de transmisión por aspersión, en comparación con una concentración uniforme del virus en todas las gotas respiratorias. El efecto menor puede ser resultado de la distribución del tamaño de las gotas de tos y podría observarse un efecto mayor en otros contextos. La contribución de la exposición por inhalación a la COVID-19 recibida en el ámbito laboral podría entenderse con mayor claridad si se realizaran investigaciones orientadas a describir la emisión de SARS-CoV-2 en gotas respiratorias de diferentes tamaños y la forma en que ésta varía con actividades como la tos, el habla y la respiración.
Desde hace mucho tiempo se debate si mantener una distancia de 3 o 6 pies (aproximadamente 1 a 2 metros) de una fuente es suficiente para evitar las exposiciones (Setti et al. Citation2020). Este estudio mostró que 80% (rango 76–89%) del virus inhalado ingresó mientras el miembro del personal se encontraba en la zona cercana al paciente en el escenario base y esto fue consistente en todos los escenarios. En general, se espera que las exposiciones sean mayores en la cercanía de un punto de origen contaminante, por ejemplo, un paciente infectado. Sin embargo, este estudio sugiere que las exposiciones significativas a la inhalación ocurren en lugares de la habitación alejados del paciente, de manera que cada vez que un miembro del personal ingresa a la habitación del paciente debe usar protección respiratoria.
El riesgo de infección por COVID-19 predicho por el modelo debe interpretarse con cautela, aunque dentro de los resultados las comparaciones siguen siendo informativas. Un modelo similar aplicado para determinar el riesgo y la carga de infección de tuberculosis pulmonar entre el personal sanitario de los Estados Unidos fue coherente con los datos epidemiológicos (Jones Citation2017), pero aún no se dispone de datos similares para evaluar las predicciones para la COVID-19. La función de dosis-respuesta utilizada se empleó para el SARS-CoV (Watanabe et al. Citation2010) y probablemente sea pertinente para el SARS-CoV-2, pero la vía de administración fue por instilación intranasal. Esta vía no es directamente comparable con las vías de transmisión por contacto, gota o inhalación; aunado a ello, la extrapolación de ratones a humanos añade más incertidumbre. En este análisis, la infecciosidad del SARS-CoV-2 se trató como equivalente en todos los lugares del tracto respiratorio, pero es más o menos probable que los virus inicien la infección en diferentes lugares del mismo (Nicas y Jones Citation2009), por ejemplo, en áreas en que los receptores son más o menos densos.
Conclusiones
Este análisis ha demostrado que es probable que la exposición por inhalación contribuya de manera significativa al riesgo de COVID-19 del personal sanitario que presta atención a pacientes infectados, lo que motiva el uso de mascarillas autofiltrantes para prevenir la infección contraída en el ámbito laboral. Es necesario aclarar la emisión e infectividad del SARS-CoV-2 en diferentes lugares del tracto respiratorio para mejorar nuestra comprensión sobre la contribución de las vías de transmisión por contacto, gotas e inhalación a la COVID-19.
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