Обяснено: Защо все пак трябва да носим маски

Спорът около ползите от защитни маски срещу Covid-19 се води не само в България, но и по цял свят.

Много страни в Азия, които имат дългогодишен опит с тежки вирусни епидемии, са превърнали носенето на предпазна маска в културен навик, дори задължение. Това е един от факторите, за които се смята, че допринасят за по-бавното разпространение на заразата от новия коронавирус и поставянето на епидемията под контрол.

От друга страна, американският Център за контрол на заболяванията CDC не препоръчва дори носенето на хирургически маски за еднократна употреба от масовото население. Аргументите са два - първо, тези маски осигуряват относително по-малка защита в сравнение с респираторните маски N95 (FFP2), и второ, презапасяването и изчерпването от мрежата би довело до дефицит на важен ресурс за здравните работници.

Текстилните маски, които са най-достъпни и могат да се ползват многократно след изпиране, са смятани за най-слабо предпазващи от аерозолни частици.

Молекулярният биолог д-р Суи Хуанг от Института за системна биология в Сиатъл обаче оспорва този подход на отричане на ползите от личните предпазни средства.

Той цитира серия от нови научни изследвания, които показват няколко основни извода:

- Колкото и ограничена защита да предоставят маските, тя е по-добра от липсата на каквато и да е защита, ако целим "изглаждане на кривата" на епидемията;

- Разликата в защитните свойства на хирургическите и респираторните маски е относително малка, когато става дума за предпазване от големите струйни капчици, изхвърляни при кихане и кашляне. Ефективността им е още по-добра за предпазване на околните, когато кашлящият човек носи маска.

- Има данни, че SARS-Cov2 може да се възпроизведе по-лесно още в назофаринкса заради биологичните особености на клетките и на самия вирус. Тоест, всяка физическа преграда, която защитава носа от вдишване на капки, би имала положителен ефект.

Ако се ползват правилно, хирургическите или импровизираните маски няма да навредят, а в най-добрия случай - може дори да помогнат, посочва д-р Хуанг. Тези прости и евтини маски може да бъдат добро средство в стратегията за изглаждане на кривата, а употребата им от гражданите няма да лиши медицинските работници от респираторните маски.

Нещо повече - насърчаването на носенето им на обществени места може да помогне и в процеса по постепенно освобождаване на строгите мерки за изолация. Предлагаме ви текста на анализа му с незначителни съкращения:

Твърденията, че няма ефект от маските, са неправилни поне на три нива: 1) логика, 2) механика на предаване на вируса и 3) биология на проникване на вируса в организма.

1) Логиката

Естествено, никоя маска не осигурява съвършена 100% защита, сама по себе си - дори плътно прилягащата към лицето N95.

Несъвършената защита обаче не означава, че маските са “напълно безполезни". По същата логика, една чаша, която не е пълна с вода до ръба, не е задължително да е празна. Ако сме жадни, охотно бихме приели чаша вода, пълна до 60%.

Липсата на доказателства за защитните свойства не е доказателство за отсъствието им. Само че в нашия бинарен свят официалното твърдение, че хирургическите маски “не са ефективни”, може да се възприеме погрешно като послание, че те са абсолютно безполезни. Дебатът за ефективността на маските е сведен до минимум, а с това се намалява и потенциалът за стимулиране на бизнеса да увеличи производството на тези евтини защитни решения.

Стратегията за "изглаждане на кривата" (а не пълно елиминиране на вируса) е “относителна”, а не абсолютна цел. Това поставя идеята за “частичната защита” в съвсем нова светлина.

Можем да изчислим степента Y на изглаждане на кривата, като се вземе предвид частична защита от X%, осигурена от маска. За тази цел трябва първо да разберем механиката и биологията на предаването на вируса.

2) Механиката

Начинът, по който вирусите се пренасят по въздушно-капков път от човек на човек, е сложен и недостатъчно изследван въпрос. Най-грубо казано, капчиците могат да бъдат разделени на две големи категории според размерите им:

Капчици, по-големи от аерозоли, издишани със скорост <1m/s, се изпаряват или падат на земята на по-малко от 1.5 m разстояние. Когато са изхвърлени с голяма скорост чрез кашляне или кихане (10 m/s или 50 m/s), особено по-големите капчици (> 0.1 микрометра) могат да бъдат пренесени от въздушната струя съответно на разстояние от повече от 2 или 6 метра.

(a) Капчици с диаметър под 10 um (микрометра) - пределният горен лимит за дефиницията на ‘аерозол’ (частици, които са толкова леки, че могат да летят във въздуха). Нека наречем тази категория “аерозоли”. Тези се пренасят чрез вентилация или от вятъра, поради което могат да навлизат в помещенията. Разликата между лицевите маски N95 и хирургическите маски е в това, че първите са проектирани да спират аерозоли: те трябва да филтрират 95% от капчиците, по-малки от 0.3 um.

(b) Капчици, по-големи от 10um, достигащи 100um или по-големи размери. Да наречем тези големи частици “струйни капчици”. Естествено, те могат да бъдат дори още по-големи — до ниво, видимо за невъоръженото око в пръските, породени от кашляне или кихане (0.1 um диаметър или повече). Изчисления на екип от учени показват, че ако бъдат издишани, капчиците с размери >0.1 um може да се изпарят или да паднат на повърхност на разстояние до 2m, в зависимост от размерите, влажността на въздуха и температурата.

Но кашлянето или кихането може да ги изстреля като снаряди от устата с “начална скорост”, достигаща 50 m/s (за кихане) или 10 m/s (за кашляне), така че да се разпространят на разстояние до 6 метра. При това положение - препоръчителната дистанция от 2 метра между хората може и да не е достатъчна, ако те не носят маски. Но за това ще говорим по-късно.

Това е основното биологично разграничение между аерозоли и струйни капчици: За да бъдат задвижени частиците във въздуха и да достигнат дълбоко до алвеоларните клетки в дробовете, където се случва газовата обмяна, те трябва да бъдат малки: само капчици с диаметър под 10 um могат да достигнат до алвеолите.

За разлика от тях, големите струйни капчици засядат в носа и гърлото (назофарингиалното пространство) и в горните въздухопроводи на белите дробове, трахеята и големите бронхи. Приблизително половината от капчиците, които се изхвърлят при кашляне, са в категорията на аерозолите, макар че взети заедно те представляват по-малко от 1/100 000 от изхвърлените обеми.

Анатомия на въздухопроводите и местата, където могат да попаднат капчиците, в зависимост от размерите им и от това кои капчици от кои маски се блокират

От това следва, че маските N95, проектирани да филтрират най-малките частици, спомагат за спирането на достъпа на вируса до алвеолите.

Има основание да смятаме, че големите капчици, които попадат в назофаринкса, могат да бъдат спрени от всякакви физически прегради, дори от по-простите хирургически или прахови маски.

Естествено, много аерозолни капчици в издишаните газове или пръските от кашляне може да не съдържат вируса, но някои все пак ще го съдържат. В случая със SARS-Cov-2 не е известно какво е минималното заразно количество (броят вирусни частици, необходими за стартиране на патогенната каскада, причиняваща клинично заболяване). Но нека да видим дали малките аерозолни или големите струйни капчици са по-релевантни.

Тезата на CDC е, че алвеолите са крайната цел на капчиците с вирусната зараза. Те са алвеолите анатомичното местоположение на животозастрашаващата пневмония. Тази предпоставка е причината да се подчертава полезността на N95 маските и да се подценява ефектът от масовото носене на хирургически маски.

Но не бива да забравяме, че частичното филтриране, осигурявано от хирургическите маски, е по-добре от нищо. Това важи дори по отношение на защитата от малките аерозоли. В експериментална симулация през 2008 г., учени от Нидерландия сравняват три вида маски: (i) направени в домашни условия от кухненска кърпа, (ii) стандартни хирургически маски и (iii) FFP2 (европейският еквивалент на маските N95 ), за да проверят способността им да спират малки аерозоли в диапазона 0.2 um до 1 um –капчици, които достигат до долната част на белите дробове.

Резултатът от това изследване дава основание за известни съмнения в твърденията, че хирургическите маски “не са ефективни”.

FFP2 (или N95) маските наистина филтрират над 99% от частиците, като понижават нивата на заразни аерозоли стократно. Хирургическите маски обаче също понижават осезаемо количеството аерозолни капчици зад маската — четирикратно в сравнение с количеството им извън нея.

Изглежда правдоподобна тезата, че за по-големите струйни капчици, изхвърляни при кашляне, разликата между хирургическите маски и N95 респираторните маски би била дори още по-малка. Интересното е, че ефективността и разликите са много по-малки, когато става дума за защита на околните.

Филтриращ ефект за малки капчици (аерозоли) при различни маски; направени в домашни условия от кухненски кърпи, хирургическа маска (3M “Tie-on”) и FFP2 (N95) респираторна маска. Числата са с референтен мащаб 100 (източник на капчици) за илюстративни цели, изчислени на база стойности на PF (фактор на защита) в Таблица 2 на van der Sande et al, 2007. Измерването е било извършено с Portacount брояч, отчитащ частиците във въздуха с размери в диапазона между 0.02 и 1 микрометър в края на 3-часов период на носене без физическа активност. Данните за защитата са усреднени между 7 (или 8) доброволци в зряла възраст на група. Защитата в началото на теста е сходна при маската от кухненска кърпа и хирургическата маска, но FFP2 защитата е двойно по-голяма. При децата е наблюдавана осезаемо по-малка защита.

Тези резултати пораждат важен въпрос: ако основната ни цел е намаляване на мащаба на пандемията (“изглаждане на кривата”), доколко полезни може да са хирургическите маски?

Интуицията подсказва, че дори несъвършена маска може да предложи известна защита, която е поне в мащаба на препоръчваната физическа дистанция от 2 метра, миенето на ръце или избягването на докосването на лицето.

Формално, може да се измери доколко 4-кратното намаляване на аерозолните капчици допринася за намаляването на нивото на разпространение на коронавируса от първоначалното R0 до действителното Rt след прилагането на мерки. Вероятно с 25%? Тогава може чрез SEIR епидемиологични модели да изчислим до каква степен частичното ограничаване на R ще доведе до значимо изглаждане на кривата

Но подобно изчисление “отдолу нагоре” на R е сложно, защото би изисквало познания за много фактори, които не са лесни за количествено измерване. Например не знаем до каква степен COVID-19 се предава чрез големи струйни капчици, съпоставено с малките аерозоли. Само в последния случай преимуществата на N95 респираторните маски се проявяват напълно. Също така не знаем до каква степен социалното дистанциране само по себе си допринася за намаляването на R.

Поради това нека разгледаме реалната биология на предаване на вируса, която предлага изход от този проблем.

3) Биологията

Като всеки друг вирус, за да може да се възпроизведе, SARS-Cov-2 трябва да се захване за човешка клетка, като използва принципа “ключ-ключалка”, в който вирусът представлява ключът, а клетката — ключалката.

При вируса SARS-Cov-2, вирусният повърхностен протеин “шипов протеин S” (spike-протеин) е ключът, който трябва да съответства точно на протеина-“ключалка”, експресиран (т.е. молекулярно присъстващ) на повърхността на клетката на гостоприемника.

Клетъчният протеин-ключалка, който използва вирусът SARS-Cov-2, е ACE2 протеинът.

Този ензим на повърхността на клетката обикновено има защитна функция срещу сърдечно-белодробни заболявания. ACE2 се експресира в по-високи нива при по-възрастните хора, при хората с хронични сърдечни проблеми, с белодробно или системна артериална хипертензия (високо кръвно налягане).

Забележете, че експресията на ACE2 е “ограничаваща нивото на разпространение”, защото други протеини на гостоприемника, чието наличие също е необходимо за проникването на вируса в клетките, от рода на протеазите, са по-богато и масово експресирани.

Някои лекарства за кръвно налягане (в момента активно обсъждани, тъй като високото кръвно налягане е рисков фактор за остър респираторен дистрес синдром (ARDS) и смърт при COVID-19), но също така и механичен стрес от обдишване, парадоксално, може да увеличат експресията на ACE2.

Фигура 6. SARS-Cov-2 навлиза в клетката на гостоприемника, като се захваща със spike-протеина си към ACE2 (синия) протеин на повърхността на клетките.

Изненадващо, експресията на ACE2 в белите дробове е много слаба: тя е ограничена до няколко молекули на клетка в алвеоларните клетки (AT2 клетките) дълбоко в белите дробове. Току-що публикуван доклад на консорциума Human Cell Atlas (HCA) обаче съобщава, че ACE2 е силно експресиран в някои типове (отделителни) клетки във вътрешния нос.

Експресията на протеина ACE2 в носа подсказва, че вирусът SARS-Cov2 заразява тези клетки. От това може да се стигне до заключението, че предаването на SARS-Cov2 се случва предимно чрез големи капчици, които представляват огромния дял от изхвърляната течност при кашляне/кихане и попадат в назофаринкса заради размера си. Точно там са налице молекулярните “ключалки” за захващане на вируса, което позволява възпроизводството му и проникванете в клетките на гостоприемника.

Очевидно този начин на предаване може да бъде ефективно блокиран чрез проста физическа преграда. Експресията на ACE в носната кухина също така подкрепя тезата за предаване чрез повърхностни капчици — така че наистина, мийте си ръцете.

Основен начин за проникване на вируса вероятно е чрез големи капчици, попадащи в носа — където експресията на рецептора за проникване на вируса ACE2 е най-висока. Това е начинът на предаване, който би могъл ефективно да бъде блокиран чрез прости маски, осигуряващи физическа бариерна преграда.

Всъщност, екип от учени в Германия съобщават, че вирусен материал може лесно да бъде открит и изолиран от секрети от носа, за разлика от случаите на други предавани по въздушно-капков път вирусни инфекции, като предишния тежък остър респираторен синдром (SARS).

Сравнено със SARS (който също използва ACE2, за да прониква в клетките), вирусните геноми (RNA) при Covid-19 се проявяват по-рано в секрети от носа, и в много по-висока концентрация, така че откриването им е относително лесно.

Американската служба за безопасност на храните и лекарствата наскоро одобри тампони за вземане на секрети от предната част на носа за самостоятелна употреба, вместо да се изисква дълбоко проникване в назофаринкса. Молекулярен анализ показва, че вирусът SARS-Cov2 е активен и се възпроизвежда още в назофаринкса, за разлика от други респираторни вируси, които се установяват в дълбоките зони на белите дробове.

Възпроизводството на вируса в назофарингиалните лигавици обяснява и положителните резултати на тестове в периодa преди проява на симптимите и предаването му между здрави преносители. Вероятно той може да обясни и загубата на обоняние (аносмия), наблюдавана в ранните етапи на COVID19.

Но тази биологична проява означава още, че избягването на големи капчици, които попадат в горния респираторен тракт, може да е най-ефективният начин за предотвратяване на заразяването.

Поради това хирургическите маски, вероятно дори скиорска маска, бандана или шал, може да осигурят по-добра защита, отколкото се предполага. N95 респираторните маски може да осигуряват относително малка допълнителна защита, отколкото се смяташе преди.

Ако се ползват правилно, хирургическите или импровизираните маски няма да навредят, а в най-добрия случай - може дори да помогнат. Задължително е да се изхвърлят или изпират след употреба, без да се докосва външната повърхност.

Тези прости и евтини маски може да бъдат добро средство в стратегията за изглаждане на кривата. Вероятният им принос може да е малък, но може и да е доста голям. Нещо повече: употребата им няма да лиши медицинските работници от ценните N95 респираторни маски.

Би било трагично, ако пренебрегването на това елементарно решение доведе до ръст на болните от Covid-19. Като се има предвид, че горният респираторен тракт е основно място за проникване на SARS-Cov-2 в човешките тъкани, носенето на прости лицеви маски може сериозно да намали нивото на разпространение R, до степен, сравнима със социалното дистанциране и миенето на ръцете.

Това би удвоило ефекта от мерките за ограничаване върху “изглаждането на кривата”.

Гледайки в перспектива: ако мерките за безопасност се разхлабят от съображения за състоянието на икономиката, насърчаването на носенето на маски на обществени места може да е добро компромисно решение между пълната блокада на движението и опасността от завръщане на невидимия враг.