In 2003 raakten duizenden mensen besmet met het SARS-virus, waardoor honderden burgers overleden en de wereld een tijdlang de adem inhield. Destijds deed Lidia Morawska, natuurkundige aan de Queensland University of Technology in Brisbane, onderzoek naar de gevolgen van het inademen van luchtvervuiling in de vorm van minuscule druppeltjes. Maar nadat de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) haar had gevraagd om lid te worden van een team in Hongkong dat moest proberen inzicht te krijgen in de manier waarop het SARS-coronavirus zich kon verspreiden, besloot Morawska om voor een ongebruikelijke benadering te kiezen.

In plaats van te kijken naar de wijze waarop mensen besmet materiaal van elkaar inademen, verdiepte zij zich in het omgekeerde proces: het uitademen.

“Ik vond drie wetenschappelijke artikelen die iets te maken hadden met het uitademen van deeltjes als gevolg van menselijke respiratie. Verder was er eigenlijk niets,” zegt zij. “Dat verbaasde me, omdat dit zo’n belangrijk onderzoeksterrein is, in zo’n belangrijke tijd.”

Bijna twintig jaar later is het onderzoek naar de manier waarop de longen besmet materiaal in de lucht uitstoten, aangewakkerd als gevolg van de snelle verspreiding van het nieuwe coronavirus SARS-CoV-2. Het onderzoek richt zich vooral op minuscule druppeltjes die lang in de lucht blijven zweven en ‘aerosolen’ worden genoemd. Het antwoord op de vraag hoe deze aerosolen in het lichaam ontstaan is van cruciaal belang voor een beter inzicht in de snelle verspreiding van het coronavirus en in voorvallen waarbij een klein aantal besmette ‘superspreaders’ (‘superverspreiders’) het virus overdragen op een grote groep personen. Zulke incidenten zijn typisch voor de huidige COVID-19-pandemie.

Sinds het begin van Morawska’s onderzoek zijn wetenschappers veel te weten gekomen over vloeistoffen die uit de luchtwegen in de lucht worden uitgestoten en vooral over de omstandigheden waarin iemand tot een ‘superspreader’ kan uitgroeien. Bepaalde kenmerken, zoals lichaamsbouw, en bepaald gedrag, zoals luid praten of een snelle ademhaling, lijken een grote rol te spelen in de verspreiding van het virus.

“Ze niezen niet, ze hoesten niet, ze doen niets anders dan ademhalen en praten,” zegt Donald Milton, een expert in de overdracht via aerosolen aan de University of Maryland. “Ze schreeuwen of zingen misschien. Zo zijn karaokebars belangrijke hotspots voor superspreader-incidenten geweest. We onderzochten een superspreading event in een indoorclub voor spinningfietsen in Hamilton, Ontario, waar mensen intensief ademhaalden.”

Maar het is toch erg lastig gebleken om uit te zoeken wie de meeste aerosolen uitstoten, want deze uitstoot is afhankelijk van een groot aantal biologische en fysieke factoren die moeilijk zijn te identificeren of te meten.

Niet sproeien maar spreken

Voor aerosol-experts als Morawska, die zich meer richt op de puur natuurkundige aspecten van het probleem, zijn aerosolen gewoon deeltjes – in droge of natte vorm – die minuten- of urenlang in de lucht kunnen blijven zweven. Aerosolen hebben doorgaans een doorsnede van minder dan honderd micron (micrometer), oftewel de dikte van een menselijke haar. De luchtwegen produceren een breed scala aan aerosolen, van minuscule druppeltjes met een diameter van slechts een paar microns en bolletjes vloeistof met een doorsnede van honderd micron tot nog grotere druppels, die goed met het blote oog zijn te zien en doorgaans ‘ademhalingsdruppeltjes’ worden genoemd.

“De kleinste aerosolen ontstaan in de diepere luchtwegen,” zegt Morawska. Het gaat dan om deeltjes die een bijzonder grote rol spelen in de overdracht van ziekten, omdat ze langer in de lucht blijven zweven dan grotere druppeltjes, die sneller op de grond neerdalen.

Deze ultrakleine aerosolen ontstaan in de bronchioli, de kleinste afsplitsingen van de luchtpijptakken, diep in onze longen. Door het nauwkeurig meten van het aantal aerosolen dat wordt geproduceerd door mensen die op verschillende manieren ademen, konden Morawska en haar collega Graham Richard Johnson in 2009 een baanbrekende studiepresenteren waarin ze aantoonden dat de vloeistof waarmee de binnenzijde van deze vertakkingen zijn bedekt, een film vormen die in talloze ‘zeepbelletjes’ uiteenspat wanneer de bronchioli zich plotseling samentrekken en weer uitdijen. Dit proces wordt nu gezien als het voornaamste mechanisme waardoor aerosolen diep in de longen ontstaan.

Hogerop in de luchtwegen gebeurt iets soortgelijks, wanneer geluid wordt geproduceerd in het strottenhoofd. “De stembanden openen en sluiten zich zó snel dat je dat met het blote oog niet kunt volgen,” zegt William Ristenpart, een chemisch ingenieur van de University of California in Davis die onderzoek doet naar de overdraagbaarheid van ziekteverwekkers. Tijdens het praten of zingen klappen de stembanden tegen elkaar, waardoor ze (een beetje zoals de bronchioli) de vloeistof op de binnenzijde van het strottenhoofd uiteen doen spatten en zo piepkleine druppeltjes creëren. Het doet enigszins denken aan de druppeltjes die ontstaan als het laagje zeep op je handen uiteenspat als je ze snel uit elkaar trekt.

Dit proces speelt zich zeer snel af, zo’n honderdmaal per seconde, waarna de druppeltjes in de uitgeademde lucht worden meegevoerd en in de mondholte terechtkomen. De grootste druppeltjes uit de luchtwegen (en bekend uit het dagelijks leven) ontstaan in de mondholte, met zijn zwabberende lippen en met speeksel doordrenkte spraak.

“Vooral tijdens het praten voel je soms dat dit soort druppeltjes uit je mond vliegen,” zegt Ristenpart. “Vandaar de uitdrukking: niet sproeien maar spreken.”

Hoewel aerosolen ook vanuit de neus worden uitgestoten, is de voornaamste bron van deze druppeltjes toch de mond. Alle aerosolen en druppels die worden uitgestoten, zitten gevangen in een gaswolkje, dat bepaalt hoe de deeltjes zich in de eerste paar seconden na het uitstoten verplaatsen en verspreiden.

“De gaswolk houdt de uitgestoten druppeltjes bijeen en verplaatst zich voorwaarts door de kamer en voert de druppeltjes mee,” zegt Lydia Bourouiba, expert in vloeistofdynamica aan het MIT.

Nog meer druppeltjes!

Hoewel het algemene mechanisme waarbij aerosolen ontstaan bij alle mensen gelijk is, bestaat er van persoon tot persoon een grote variatie in de hoeveelheid druppeltjes die wordt uitgestoten. Wie op een koude dag bij een bushalte de wolkjes bestudeert die door de mensen worden uitgeademd, zal ontdekken dat ze duidelijk verschillen in grootte.

Dat is niet verrassend, want de luchtwegen vormen een complex stelsel. Morawska gebruikt graag de analogie van de spray die uit een flesje parfum komt: “In tegenstelling tot het parfumflesje, waarin slechts één buisje steekt, zijn er in de luchtwegen talloze buisjes en buizen in verschillende lengten en diameters.”

Om deze complexiteit zelfs bij één enkel persoon in cijfers uit te drukken, zou een immense taak zijn, maar wetenschappers weten toch wie het beste is in het uitstoten van aerosolen. In een onderzoek uit 2019 wisten Ristenpart en zijn collega’s aan te tonen dat mensen meer aerosolen uitstoten naarmate ze luider praten. Maar ze ontdekten ook dat sommige proefpersonen bij het praten op dezelfde geluidssterkte tientallen malen méér aerosolen produceerden dan anderen. Deze mensen werden aangeduid als ‘super-emitters’ oftewel ‘super-uitstoters’.

“Het is duidelijk dat er een of andere onderliggende fysiologische reden moet zijn waarom deze mensen bij het praten op dezelfde geluidssterkte en hoogte toch zoveel meer deeltjes uitstoten,” zegt Ristenpart. Een van de mogelijkheden is volgens hem dat de dikte van de vloeistoflaagjes en de manier waarop deze uiteenspatten van persoon tot persoon verschilt. Uit eerder onderzoek is gebleken dat mensen die een nevel van zout water inademden (dat minder viskeus is dan de met slijm vermengde vloeistof uit de luchtwegen), daarna in het algemeen minder aerosolen uitstootten. Het betekent omgekeerd natuurlijk ook dat mensen die dikkere vloeistof produceren, juist méér aerosolen zullen uitstoten.

Om de zaken nog ingewikkelder te maken kan een luchtweginfectie de eigenschappen van de vloeistoffen in de luchtwegen beïnvloeden. Zo neemt de viscositeit van vloeistoffen op de binnenzijde van de luchtwegen toe tijdens bronchiale infecties als bacteriële longontsteking en zware griep– het gevolg van het verlies aan water en de versterkte aanmaak van cellulaire eiwitten. Ook bij chronische aandoeningen als astma en taaislijmziekte kunnen vloeistoffen dikker worden.

Individuele tests

Gezien de aard van de aerosolen zelf zal het beantwoorden van de vele vragen die nog openstaan een uitdaging zijn. Zo zijn deze deeltjes zeer gevoelig voor omgevingsomstandigheden en kunnen de grotere druppeltjes snel hun volume aan vocht verliezen, waardoor er veel kleinere en geconcentreerder deeltjes achterblijven die niet in de metingen opduiken. En tijdens het meten van de aerosolen kunnen de deeltjes veranderen door de temperatuur, luchtvochtigheid en luchtstroming binnenin de gebruikte wetenschappelijke instrumenten.

Deze nuances doen een beetje denken aan de vreemde wereld van de kwantummechanica, waarin het uitvoeren van een experiment met elementaire deeltjes het resultaat kan beïnvloeden. Hoewel aerosolen veel groter zijn, is het vastleggen van hun voorbijgaande aard eveneens erg lastig.

Morawska erkent deze uitdaging met gegrinnik. “Het opmeten en beantwoorden aan wat er in feite gebeurt, is extreem moeilijk,” zegt zij.

Het zijn deels dit soort problemen geweest die het onderzoek naar de overdracht van ziekten door aerosolen tientallen jaren lang heeft bemoeilijkt. “Zelfs nu, in 2020, is nog niet onomstreden vastgesteld hoe het griepvirus zich verspreidt,” zegt Ristenpart, die onlangs een studie heeft gepubliceerd waarin werd aangetoond dat griepvirussen meeliften op stofdeeltjes.

Maar dit onderzoeksgebied staat momenteel dankzij de uitbraak van COVID-19 in de schijnwerpers. Aerosolen zijn een van de redenen dat het coronavirus SARS-CoV-2 zich beter via de lucht verspreidt dan het oorspronkelijke SARS-virus uit 2003. Veel experts zijn het er inmiddels over eens dat betere ventilatie binnenshuis en het dragen van mondkapjes kan helpen bij het indammen van deze door aerosolen overgedragen infectie. Daarom riepen Morawska, Milton en veel van hun collega-experts op het gebied van aerosolen in juli op tot meer aandacht voor de overdraagbaarheid via aerosolen in de lucht van SARS-CoV-2, wat nu ook door de Amerikaanse CDC en de WHO steeds meer wordt benadrukt.

De vraag is nog hoelang dit onderzoek in het centrum van de belangstelling blijft, ook al hebben voorvallen waarbij grote aantallen mensen door slechts één of enkele personen worden aangestoken al sinds de tijd van ‘Typhoid Mary’, bijna een eeuw geleden, tot de verbeelding van wetenschappers en het grote publiek gesproken. Net als Morawska liet ook Bourouiba na de SARS-epidemie van 2003 haar oorspronkelijke vakgebied (de vloeistofdynamica) achter zich om zich op de epidemiologie te richten. Ze heeft de aandacht voor het onderzoek naar aerosolen sterk zien toenemen tijdens uitbraken van luchtweginfecties als SARS, MERS en de Mexicaanse griep (H1N1), maar daarna weer zien wegebben. Volgens haar mag dat niet opnieuw gebeuren.

“Als dat patroon bij besluitvormers en geldschieters zo kortzichtig blijft, zullen we in dit soort situaties telkens weer met niet meer dan een snelle pleister op de wonde komen aanzetten,” zegt Bourouiba.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com