A tuberculose (TB) é uma das principais causas de morte por doenças infecciosas, vitimando mais de 1 milhão de pessoas por ano. Ela se espalha pelo ar quando uma pessoa infectada tosse, espirra ou exala, e as cepas resistentes a medicamentos e a transmissão assintomática são preocupações crescentes. Controlar a transmissão da TB é um desafio urgente de saúde pública, mas os cientistas ainda não compreendem completamente como o fluxo de ar e outros fatores ambientais influenciam essa disseminação.

Um dos problemas é que os estudos sobre a transmissão de doenças infecciosas têm se concentrado principalmente em avaliações em nível populacional ou em respostas imunológicas individuais. Mas entender como o fluxo de ar e a mistura influenciam a transmissão em ambientes internos exige conhecimento especializado em física de fluidos e modelagem computacional.

Uma equipe interdisciplinar, incluindo pesquisadores do MIT e do Centro Médico da Universidade do Texas Southwestern, combinou experimentos de transmissão em animais com rastreamento quantitativo de partículas e modelagem de fluxo para entender como alguns ambientes de laboratório podem promover a disseminação de doenças infecciosas respiratórias, como a tuberculose, enquanto outros mitigam essa disseminação.

Um fator crucial na previsão da transmissão de infecções não foi apenas a taxa total de ventilação, mas, mais importante ainda, o padrão local de fluxo de ar determinado pelo projeto — como vazamentos de ar, locais de entrada e saída e forças criadas por um indivíduo infectado.

“Os padrões de fluxo de ar locais revelam-se cruciais”, afirma Lydia Bourouiba, professora titular da Cátedra da Indústria Siderúrgica Japonesa no MIT e líder do corpo docente do Laboratório de Dinâmica de Fluidos da Transmissão de Doenças, parte da Rede de Fluidos e Saúde do Instituto de Engenharia Médica e Ciência (IMES). “As descobertas da nossa equipe fornecem algumas das evidências mais claras que conheço sobre a importância de se levar em conta a heterogeneidade [do fluxo de ar] e seus efeitos ao projetar padrões detalhados de fluxo de ar. Essa percepção é fundamental ao construir ou adaptar um espaço interno para mitigar a transmissão aérea, ou ao projetar um estudo sobre transmissão aérea.”

A pesquisa representa um passo importante para conectar estudos de doenças infecciosas em laboratório com a forma como as pessoas transmitem essas doenças no mundo real. A equipe espera que suas descobertas possam ir além do sistema modelo desenvolvido e demonstrar a importância da física dos fluxos no projeto de edifícios para prevenir a disseminação de doenças transmitidas pelo ar em ambientes internos.

“Apesar das recentes pandemias e epidemias, ainda existe resistência à incorporação do fluxo de ar em ferramentas rotineiras de prevenção de doenças infecciosas”, afirma Bourouiba. “A infraestrutura poderia ser adaptada a um custo relativamente baixo, mas a escassez e a dificuldade em obter evidências diretas impedem uma adoção mais ampla da física do fluxo como ferramenta para a saúde em ambientes internos. Este estudo contribui para fornecer tais evidências.”

Além de Bourouiba, contribuíram para o artigo sobre o trabalho Yash Kulkarni, pós-doutorando no IMES, que liderou os componentes de física de fluidos e aerossóis; Kubra Naqvi, autora principal e pós-doutoranda na UT Southwestern; Michael Shiloh, professor na UT Southwestern, que liderou o esforço plurianual para restabelecer um modelo clássico de transmissão da tuberculose; Hui Ouyang, professora assistente de engenharia de aerossóis na UT Dallas; Yuhui Guo, Deepak Sapkota e Arabella Martin, todos estudantes de doutorado da UT Southwestern; Pei Lu e Victoria Ektnitphong, pesquisadoras associadas na UT Southwestern; Shibo Wang, pesquisador da Universidade de Minnesota; Beatriz Dias, instrutora da UT Southwestern; Bret Evers, professor associado na UT Southwestern; e Lenette Lu, professora assistente na UT Southwestern.

Quando as pessoas expiram, falam, tossem ou espirram, minúsculas microgotículas e bioaerossóis são expelidos pela boca e transportados por uma nuvem de ar. Se infectadas por uma doença respiratória, essas partículas podem conter patógenos capazes de infectar outras pessoas. A transmissão da doença depende da sobrevivência do patógeno no ar, que é influenciada pela temperatura, umidade e ventilação.

Em 1882, o médico e microbiologista alemão Robert Koch estabeleceu o primeiro modelo animal para o estudo da patogênese da tuberculose. Décadas depois, pesquisadores demonstraram a transmissão da tuberculose pelo ar entre pessoas e animais.

Esses experimentos iniciais provaram ser difíceis de replicar nas modernas instalações de biossegurança atuais. Este novo estudo revela que a dificuldade reside nos rigorosos requisitos de contenção e ventilação, que podem influenciar drasticamente o fluxo de ar nos experimentos.

“A transmissão de hospedeiro para hospedeiro é uma fase evolutiva obrigatória dos patógenos respiratórios, mas tem sido considerada muito complexa ou difícil de investigar sistematicamente, sendo geralmente relegada a um mistério. Nosso trabalho abre esse mistério”, afirma Bourouiba, professor dos departamentos de Engenharia Mecânica e Civil e Ambiental do MIT, e membro do corpo docente principal do IMES.

Para quantificar como os padrões de fluxo de ar local impactam a transmissão de doenças infecciosas, os pesquisadores redesenharam e modelaram os estudos iniciais para instalações laboratoriais modernas de alta contenção — incluindo suas vias de vedação, entrada, saída e exaustão — e quantificaram a liberação e dispersão de partículas e partículas carregadas de bactérias. Eles liberaram partículas traçadoras e bactérias em um compartimento e modelaram a recuperação a partir do ar coletado do outro lado sob diferentes taxas de fluxo de ar, projetos e configurações de vazamento.

A equipe do MIT realizou cálculos, comparando-os com experimentos de liberação de partículas. Os resultados revelaram a importância de detalhes aparentemente pequenos, como os caminhos de vazamento.

Até o momento, os padrões irregulares de fluxo de ar em ambientes internos não foram totalmente aproveitados como parte de uma estratégia de mitigação de riscos. 

“Ao definir sistematicamente como o fluxo de ar e o design influenciam a exposição biológica, conseguimos, em última análise, restaurar a transmissão e criar um sistema que agora pode ser usado para fazer perguntas fundamentais sobre os fatores bacterianos, do hospedeiro e ambientais que determinam a disseminação da tuberculose”, afirma Naqvi.

“Comecei a trabalhar para restabelecer este modelo fundamental de transmissão da tuberculose em animais há quase 10 anos, e provou ser muito mais desafiador do que eu previa”, diz Shiloh. “Espero que este trabalho sirva como um lembrete de que avanços científicos significativos muitas vezes exigem paciência e perseverança.”

“Este trabalho ilustra a importância crucial de apoiar colaborações sinérgicas que integrem disciplinas complementares para superar os gargalos da pesquisa — e de padronizar as normas de relato entre os laboratórios”, afirma Bourouiba. “Se diferentes laboratórios apresentarem padrões de fluxo de ar variáveis devido a vazamentos não controlados ou problemas de vedação, essa variabilidade física pode mascarar os sinais biológicos que os pesquisadores buscam. Além do seu impacto fundamental para os estudos de transmissão da tuberculose, nosso trabalho demonstra que desvendar os mecanismos da transmissão proporciona insights valiosos: o controle detalhado do padrão de fluxo de ar pode aumentar ou diminuir a transmissão aérea — tornando-o viável como medida de prevenção em locais com grande aglomeração.”

Este trabalho foi financiado, em parte, pelos Institutos Nacionais de Saúde, pela Fundação Nacional de Ciência, pelo Fundo Burroughs Wellcome, pela MathWorks e pelo Instituto de Pesquisa Translacional em Saúde Espacial.