Dimostrazione dell’efficacia di maschere e rivestimenti facciali per rallentare la diffusione della trasmissione del coronavirus

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Il medico della Duke Eric Westman è stato uno dei primi a promuovere l’utilizzo della maschera come mezzo per ridurre la diffusione del coronavirus, lavorando con un’organizzazione no profit locale per fornire maschere gratuite alle popolazioni a rischio e sottoservite nella grande comunità di Durham.

In ogni caso era necessario sapere se le caratteristihe funzionali delle maschere, promesse dai fornitori, potevano bloccare dei virus , per cui era necessario assicurarsi che non fornisse maschere inefficaci che diffondessero virus insieme a falsa sicurezza.

Quindi si è rivolto ai colleghi del Dipartimento di Fisica della Duke… chiedendo se qualcuno potreva testare i vari tipi di maschere per lui?

Martin Fischer, Ph.D., chimico e fisico, si fece avanti. In qualità di direttore della struttura Advanced Light Imaging and Spectroscopy, si concentra normalmente sull’esplorazione di nuovi meccanismi di contrasto ottico per l’imaging molecolare, ma per questo compito, MacGyver ha utilizzato un apparato relativamente economico costituito da comuni materiali di laboratorio che possono essere facilmente acquistati online.

La configurazione consisteva in una scatola, un laser, una lente e una fotocamera per cellulare.

In uno studio proof-of-concept apparso online il 7 agosto sulla rivista Science Advances, Fischer, Westman e colleghi riferiscono che la semplice tecnica a basso costo ha fornito la prova visiva che le maschere facciali sono efficaci nel ridurre le emissioni di goccioline durante il normale utilizzo.

“Abbiamo confermato che quando le persone parlano, piccole goccioline vengono espulse, quindi la malattia può essere diffusa parlando, senza tossire o starnutire”, ha detto Fischer.

“Abbiamo anche potuto vedere che alcuni rivestimenti per il viso hanno funzionato molto meglio di altri nel bloccare le particelle espulse”.

In particolare, riferiscono i ricercatori, le migliori coperture per il viso erano le maschere N95 senza valvole, le coperture di grado ospedaliero che vengono utilizzate dagli operatori sanitari di prima linea.

Anche le maschere chirurgiche o in polipropilene hanno funzionato bene.

Ma i rivestimenti per il viso in cotone fatti a mano fornivano una buona copertura, eliminando una notevole quantità di spray dal linguaggio normale.

D’altra parte, bandane e felpe per il collo come i passamontagna non bloccavano affatto le goccioline.

“Questa era solo una dimostrazione – è necessario più lavoro per studiare le variazioni di maschere, altoparlanti e come le persone li indossano – ma dimostra che questo tipo di test potrebbe essere facilmente condotto dalle aziende e da altri che forniscono maschere ai propri dipendenti o clienti “, Ha detto Fischer.

“Indossare una maschera è un modo semplice e facile per ridurre la diffusione di COVID-19”, ha detto Westman. 

“Circa la metà delle infezioni proviene da persone che non mostrano sintomi e spesso non sanno di essere infette.

Possono inconsapevolmente diffondere il virus quando tossiscono, starnutiscono e parlano.

“Se tutti indossassero una maschera, potremmo fermare fino al 99% di queste goccioline prima che raggiungano qualcun altro”, ha detto Westman.

 “In assenza di un vaccino o di un farmaco antivirale, è l’unico modo comprovato per proteggere gli altri oltre a te stesso”.

Westman e Fischer hanno affermato che è importante che le aziende che forniscono maschere al pubblico e i dipendenti abbiano buone informazioni sui prodotti che stanno fornendo per garantire la migliore protezione possibile.

“Volevamo sviluppare un metodo semplice ea basso costo che potessimo condividere con altri nella comunità per incoraggiare la sperimentazione di materiali, maschere, prototipi e accessori”, ha detto Fischer. 

“Le parti dell’apparato di prova sono accessibili e facili da montare e abbiamo dimostrato che possono fornire informazioni utili sull’efficacia della mascheratura.”

Westman ha affermato di aver utilizzato immediatamente le informazioni: “Stavamo cercando di prendere una decisione sul tipo di copertura del viso da acquistare in termini di volume, e poche informazioni erano disponibili su questi nuovi materiali che venivano utilizzati”.

Le maschere che stava per acquistare per l’iniziativa “Cover Durham”?

“Non erano buoni”, ha detto Westman. “L’idea che ‘qualsiasi cosa è meglio di niente’ non era vera.”


Nell’ambito della pandemia COVID-19 in corso (causata dal coronavirus SARS-CoV-2), le raccomandazioni e le pratiche comuni riguardanti l’uso della maschera facciale da parte del pubblico in generale sono variate notevolmente e sono in rapido flusso: l’uso delle maschere da parte del pubblico negli spazi pubblici è stato controverso negli Stati Uniti, sebbene a partire dal 3 aprile 2020 i Centri statunitensi per il controllo e la prevenzione delle malattie (CDC) raccomandino al pubblico di indossare maschere di stoffa.

L’uso di maschere pubbliche è molto più diffuso in molti paesi asiatici, che hanno più esperienza con nuove epidemie di coronavirus; l’uso di maschere pubbliche potrebbe essere stato efficace nel limitare la diffusione nella comunità durante l’epidemia di SARS del 2003 (Lau, Tsui, Lau, & Yang, 2004; Wu et al., 2004), e l’uso diffuso di maschere è una caratteristica prominente del COVID- 19 risposta a Taiwan (Wang, Ng e Brook, 2020), ad esempio. 

Le maschere sono state anche suggerite come metodo per limitare la trasmissione comunitaria da parte di portatori asintomatici o almeno clinicamente non rilevati (Chan & Yuen, 2020), che potrebbero essere uno dei principali fattori di trasmissione di COVID-19 (Li et al., 2020).

Vari studi sperimentali suggeriscono che le maschere possono proteggere chi lo indossa dall’acquisizione di varie infezioni (Davies et al., 2013; Lai, Poon, & Cheung, 2012) o dalla trasmissione di infezioni (Dharmadhikari et al., 2012). 

Le maschere mediche (cioè maschere chirurgiche e respiratori N95) negli operatori sanitari sembrano proteggere in modo coerente dalle infezioni respiratorie durante la metanalisi (MacIntyre et al., 2017; Offeddu, Yung, Low, & Tam, 2017), sebbene gli studi clinici nella comunità abbiano ha prodotto risultati più contrastanti (Canini et al., 2010; Cowling et al., 2009; MacIntyre et al., 2009).

Mentre le maschere di grado medico dovrebbero avere la priorità per gli operatori sanitari, le maschere di stoffa fatte in casa possono ancora offrire una protezione significativa, sebbene variabile e generalmente inferiore (Davies et al., 2013; van der Sande, Teunis e Sabel, 2008), ma studi clinici nella comunità rimangono carenti.

Dato il flusso di raccomandazioni e l’incertezza che circonda il possibile impatto a livello di comunità delle maschere facciali di massa (in particolare maschere di stoffa fatte in casa) sulla trasmissione COVID-19, abbiamo sviluppato un modello matematico compartimentale multi-gruppo di tipo Kermack-McKendrick, estendendo il lavoro precedente orientato verso la modellazione della pandemia COVID-19 (ad esempio Ferguson et al., 2020, Li et al., 2020, Tracht et al., 2010), così come i modelli precedentemente utilizzati per esaminare le maschere in una potenziale pandemia influenzale (Brienen, Timen , Wallinga, Van Steenbergen e Teunis, 2010; Tracht et al., 2010).

Questo quadro iniziale suggerisce che le maschere potrebbero essere efficaci anche se implementate come una singola strategia di intervento / mitigazione, ma soprattutto in combinazione con altri interventi non farmaceutici che riducono i tassi di trasmissione della comunità.

Se le maschere possono essere utili, anche in linea di principio, dipende dai meccanismi di trasmissione per SARS-CoV-2, che sono probabilmente una combinazione di goccioline, contatto e possibili modalità aeree (aerosol).

Il modello tradizionale per la trasmissione di malattie respiratorie presuppone l’infezione tramite goccioline infettive (generalmente 5-10 μm) che hanno una breve durata nell’aria e infettano il tratto respiratorio superiore, o aerosol più fini, che possono rimanere nell’aria per molte ore (Leung et al., 2020), con continue incertezze sull’importanza relativa di queste modalità (e nel modello concettuale stesso Bourouiba, 2020) per la trasmissione di SARS-CoV-2 (Bourouiba, 2020; Han, Lin, Ni, & You, 2020) .

L’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità, 2020, p. 27) ha affermato che la trasmissione della SARS-CoV-2 avviene principalmente attraverso goccioline respiratorie grossolane e vie di contatto. 

Uno studio sperimentale (van Doremalen et al., 2020) utilizzando un nebulizzatore ha rilevato che SARS-CoV-2 rimane vitale negli aerosol (<5 μm) per 3 ore (la durata dello studio), ma la rilevanza clinica di questa configurazione è discutibile ( Organizzazione mondiale della sanità, 2020, p. 27).

Uno su tre pazienti COVID-19 sintomatici ha causato un’estesa contaminazione ambientale in (Ong et al., 2020), comprese le prese di scarico dell’aria, sebbene l’aria stessa sia risultata negativa.

Le maschere per il viso possono proteggere sia dalle goccioline più grossolane che dalla trasmissione di aerosol più fine, sebbene i respiratori N95 siano più efficaci contro gli aerosol più fini e possono essere superiori anche nella prevenzione della trasmissione di goccioline (MacIntyre et al., 2017).

La metanalisi degli studi in operatori sanitari sani (nei quali è stata eseguita la maggior parte degli studi) ha indicato un forte valore protettivo contro l’infezione da virus clinici e respiratori sia per le maschere chirurgiche che per i respiratori N95 (Offeddu et al., 2017).

I dati caso-controllo dell’epidemia di SARS del 2003 suggeriscono un forte valore protettivo per mascherare l’uso da parte dei membri della comunità negli spazi pubblici, dell’ordine del 70% (Lau et al., 2004; Wu et al., 2004).

Studi sperimentali sia sull’uomo che sui manichini indicano che una serie di maschere fornisce almeno un certo valore protettivo contro vari agenti infettivi (Davies et al., 2013; Driessche et al., 2015; Stockwell et al., 2018; van der Sande et al. ., 2008; Leung et al., 2020).

Le maschere mediche erano potenzialmente altamente efficaci sia come controllo della fonte che come prevenzione primaria in condizioni di respirazione e tosse ordinarie negli studi sui manichini (Lai et al., 2012; Patel, Skaria, Mansour e Smaldone, 2016), con maschere di qualità superiore (ad es. Respiratore N95 vs. maschera chirurgica) che offre una maggiore protezione (Patel et al., 2016).

Non è in gran parte sconosciuto fino a che punto le maschere fatte in casa (tipicamente realizzate con cotone, tela da tè o altre fibre di poliestere) possano proteggere da goccioline / aerosol e dalla trasmissione virale, ma i risultati sperimentali di Davies et al. 7 suggeriscono che mentre le maschere fatte in casa erano meno efficaci delle maschere chirurgiche, erano comunque nettamente superiori a nessuna maschera.

Uno studio clinico su operatori sanitari (MacIntyre et al., 2015) ha mostrato prestazioni relativamente scarse per le maschere in tessuto rispetto alle maschere mediche.

La modellazione matematica è stata influente nel fornire una comprensione più profonda dei meccanismi di trasmissione e del carico della pandemia COVID-19 in corso, contribuendo allo sviluppo della politica e della comprensione della salute pubblica.

La maggior parte dei modelli matematici della pandemia COVID-19 può essere ampiamente suddivisa in modelli di tipo SIR (Kermack-McKendrick) basati sulla popolazione, guidati da equazioni differenziali (potenzialmente stocastiche) (Li et al., 2020; Tang et al., 2020; Wu, Leung, & Leung, 2020; Kucharski et al., 2020; Calafiore, Novara, & Possieri, 2020; Simha, Prasad, & Narayana, 2020; Dehning et al., 2020; Nesteruk, 2020; Zhang et al ., 2020; Anastassopoulou, Russo, Tsakris, & Siettos, 2020; Moore & Okyere, 2004), o modelli basati su agenti (Biswas, Khaleque, & Sen, 2020; Chang, Harding, Zachreson, Cliff, & Prokopenko, 2020; Ferguson et al., 2020; Ruiz Estrada & Koutronas, 2020; Wilder et al., 2020), in cui gli individui interagiscono tipicamente su una struttura di rete e scambiano l’infezione in modo stocastico.

Una difficoltà di quest’ultimo approccio è che la struttura della rete varia nel tempo e può essere difficile, se non impossibile, costruire con precisione. 

I modelli basati sulla popolazione, in alternativa, possono rischiare di essere troppo grossolani per catturare alcune complessità del mondo reale.

Molti di questi modelli, ovviamente, incorporano caratteristiche di entrambi i paradigmi e la giusta combinazione di metodi dinamici, stocastici, basati sui dati e basati sulla rete dipenderà sempre dalla domanda di interesse.

In Li et al. (2020) ha imposto una struttura di metapopolazione a un modello SEIR per tenere conto dei viaggi tra le principali città della Cina. In particolare, includono scomparti per infezioni sia documentate che non documentate.

Il loro modello suggerisce che fino all’86% di tutti i casi è passato inosservato a Wuhan prima che le restrizioni di viaggio entrassero in vigore il 23 gennaio 2020. Inoltre hanno stimato che, su base individuale, gli individui asintomatici fossero solo il 55% come contagiosi, ma erano responsabili per il 79% delle nuove infezioni, data la loro maggiore prevalenza.

L’importanza di tenere conto degli individui asintomatici è stata confermata da altri studi (Calafiore et al., 2020; Ferguson et al., 2020; Moriarty, 2020; Verity et al., 2020). Nella loro valutazione basata su modello dei rapporti caso-fatalità, Verity et al. (2020) hanno stimato che il 40-50% dei casi non è stato identificato in Cina, a partire dall’8 febbraio 2020, mentre nel caso della nave da crociera Princess Diamond, il 46,5% delle persone che sono risultate positive al COVID-19 erano asintomatiche (Moriarty, 2020).

Inoltre, Calafiore et al. (2020), utilizzando un modello SIR modificato, ha stimato che, in media, i casi in Italia sono stati sottostimati di un fattore 63, al 30 marzo 2020.

Diversi modelli matematici precedenti, motivati ​​dal potenziale di influenza pandemica, hanno esaminato l’utilità di indossare maschere da parte del pubblico in generale.

Questi includono una modifica relativamente semplice di un modello di tipo SIR di Brienen et al. (2010), mentre Tracht et al. (2010) hanno considerato un modello SEIR più complesso che disaggregava esplicitamente quelli che usano e non usano maschere.

Quest’ultimo ha concluso che, per l’influenza pandemica H1N1, maschere modestamente efficaci (20%) potrebbero dimezzare le infezioni totali, mentre se le maschere fossero efficaci solo al 50% come controllo della fonte, l’epidemia potrebbe essere sostanzialmente eliminata se solo il 25% della popolazione indossasse maschere.

Adattiamo questi framework del modello SEIR precedentemente sviluppati per le dinamiche di trasmissione per esplorare il potenziale impatto a livello di comunità dell’uso pubblico di maschere facciali, di diversa efficacia e conformità, sulle dinamiche di trasmissione e sul controllo della pandemia COVID-19.

In particolare, sviluppiamo un modello a due gruppi, che stratifica la popolazione totale in coloro che abitualmente indossano e non indossano maschere facciali in pubblico o in altri contesti in cui può verificarsi la trasmissione.

Questo modello assume la forma di un sistema deterministico di equazioni differenziali non lineari e include esplicitamente gli esseri umani infettivi asintomaticamente. Esaminiamo l’efficacia e la copertura della maschera (cioè la frazione della popolazione che indossa abitualmente le maschere) come i nostri due principali parametri di interesse.

Esploriamo possibili non linearità nella copertura e nell’efficacia della maschera e nell’interazione di questi due parametri; scopriamo che il prodotto dell’efficacia della maschera e del livello di copertura predice fortemente l’effetto dell’uso della maschera sugli esiti epidemiologici.

Pertanto, le maschere di stoffa fatte in casa sono meglio distribuite in massa a beneficio della popolazione in generale. Esiste anche un effetto non lineare potenzialmente forte dell’uso della maschera sugli esiti epidemiologici di morte cumulativa e picco di ospedalizzazione.

Notiamo un possibile effetto temporale: ritardare l’adozione di una maschera di massa troppo a lungo può comprometterne l’efficacia. Inoltre, eseguiamo studi di casi simulati utilizzando i dati sulla mortalità per lo stato di New York e Washington.

Allo stesso modo, questi casi di studio suggeriscono un ruolo benefico nell’adozione di massa di maschere anche poco efficaci, con il beneficio relativo probabilmente maggiore nello stato di Washington, dove la trasmissione di base è meno intensa.

Il potenziale assoluto per salvare vite umane è ancora, tuttavia, maggiore sotto le dinamiche di trasmissione più intense nello stato di New York. 

Pertanto, l’adozione precoce delle maschere è utile indipendentemente dall’intensità di trasmissione e non dovrebbe essere ritardata anche se il carico / mortalità del caso sembra relativamente basso.

In sintesi, il beneficio dell’uso di routine delle maschere per il viso da parte del pubblico durante la pandemia di COVID-19 rimane incerto, ma il nostro lavoro iniziale di modellazione matematica suggerisce un possibile forte vantaggio potenziale per l’adozione quasi universale di maschere fatte in casa anche debolmente efficaci che possono sinergizzare con, non sostituire, altre misure di controllo e mitigazione.

link di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7186508/


Fonte:
Duke University

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