O efeito dos filtros de ar ambiente no controle de infecções em creches

1.1 . Mudança de paradigma de gotículas para aerossol

O atual paradigma de higiene tem-se concentrado na prevenção da propagação por gotículas e contacto direto. A COVID-19 iniciou uma mudança de paradigma e recentemente foram realizados muitos estudos sobre o aumento da ventilação e limpeza do ar. Pesquisas anteriores mostraram que os filtros de ar podem ser eficazes na redução da concentração de partículas transportadas pelo ar e bioaerossol em vários ambientes, incluindo hospitais, escolas e creches [5] , [6] , [7] , [8] , [9] , [10] , [11] , [12] . Isto também tem sido utilizado como prova da sua capacidade de reduzir a propagação de infecções respiratórias, embora a relação entre o bioaerossol e o risco de transmissão de infecções ainda não seja clara [10] .

1.2 . Recomendações para ventilação

Se for necessária uma redução significativa de partículas virais no ambiente interno com filtros de ar ambiente, a taxa de fluxo de ar não infeccioso dos filtros de ar deve ser suficientemente alta em comparação com a ventilação existente no ambiente. A taxa de fluxo de ar não infeccioso do filtro de ar é obtida medindo o valor CADR (Taxa de fornecimento de ar limpo). O CADR é determinado examinando a redução na concentração do poluente alvo na câmara de teste causada pelo filtro de ar [13] . Existem pelo menos quatro recomendações para dimensionar o filtro de ar ambiente para ambientes específicos. 1) A Associação de Fabricantes de Eletrodomésticos (AHAM) recomenda a regra 2/3 [14] , ou seja. o CADR do filtro de ar em pés cúbicos por minuto deve ser igual a pelo menos dois terços da área da sala em pés quadrados, correspondendo a uma taxa de renovação de ar (ACH) de 5 h ⁻¹ em uma sala de altura normal. 2) Os Centros de Controle e Prevenção de Doenças dos EUA recomendam também atingir uma taxa de troca de ar equivalente (ACHe) de 5 h ⁻¹ . Isto pode ser conseguido através de qualquer combinação de sistema de ventilação central, ventilação natural ou dispositivos adicionais [15] . 3) De acordo com o REHVA, a taxa de entrega de ar limpo (CADR) de um filtro de ar ambiente deve ser 2 vezes maior que o fluxo de ar externo pelo sistema de ventilação em ambientes com taxa de ventilação superior a 1 h ⁻¹ . Isto proporciona a redução teórica da concentração de um poluente em 70% [16] . Em salas com taxa de ventilação inferior a 1 h ⁻¹ o CADR deve ser de pelo menos 2 h ⁻¹ . 4) Para uso residencial, a Associação Sueca de Asma e Alergia recomenda uma CADR de quatro vezes a taxa de ventilação [17] . 5) O decreto finlandês para edifícios não residenciais exige um fornecimento de ar limpo de 6 dm ³ s ⁻¹ por pessoa ou 3 dm ³ s ⁻¹ por m ² .

1.3 . Recomendações para controle de infecções transmitidas pelo ar

Existem também diversas recomendações de ventilação para controlar infecções transmitidas pelo ar de acordo com o número de pessoas que ocupam o espaço. 1) A REHVA recomenda uma variedade de taxas de fluxo de ar dependendo do tipo de espaço, mas estabelece um mínimo de 4 dm ³ /s por pessoa [18] . 2) A Força-Tarefa da Comissão Lancet COVID-19 sobre Escola Segura, Trabalho Seguro e Viagem Segura propõe uma taxa de fluxo por pessoa a partir de 10 dm ³ /s/pessoa para ser referida como boa ventilação, enquanto a melhor ventilação precisa de mais de 14 dm ³ /s/pessoa taxa de fluxo de ar não infeccioso [19] . A força-tarefa também fornece recomendações baseadas na taxa de fluxo volumétrico por volume (taxa de troca de ar, ACHe) variando de 4 ACHe a mais de 6 ACHe. 3) O padrão ASHRAE relativo ao controle de aerossóis infecciosos em edifícios define um modo de gerenciamento de risco de infecção (IRMM) [20] . As taxas de fluxo de ar equivalentes necessárias dependem do ambiente interno e variam entre 10 e 45 dm ³ /s por pessoa. Não há requisitos para creches, mas os valores mais próximos são aqueles para salas de aula (20 dm ³ /s/pessoa) e auditórios (25 dm ³ /s/pessoa).

1.4 . Modelos de risco de infecção

No rescaldo da actual pandemia, a modelização da probabilidade de transmissão de infecções transmitidas pelo ar recebeu maior atenção e vários modelos foram apresentados. A forma usual de modelar é primeiro estimar a taxa de emissão de patógenos e depois calcular a concentração de aerossóis infecciosos no ar interno, levando em consideração a diluição devido à ventilação e limpeza do ar, a remoção por deposição e a inativação por tempo. Assim, a dose de exposição obtida através da respiração pode ser calculada e a probabilidade de transmissão da infecção pode ser estimada. Muitas dessas estimativas usam uma abordagem semelhante à de Nicas et al [21] . onde a emissão humana de patógenos transportados pelo ar é baseada no tamanho e no número de distribuições de gotículas expiradas e na concentração de vírus nos fluidos respiratórios. Uma versão simplificada da emissão é baseada em quanta infecciosos, onde um quanta é definido como uma dose que causa infecção em 1-e ⁻¹ ≈ 63% da população exposta. Para o SARS-CoV-2, as taxas de emissão quanta foram calculadas a partir de eventos de superpropagação conhecidos. No contexto quanta, os patógenos são agrupados em partículas com tamanho <5 micrômetros. Aganovic et al. apresentou um multiplicador quântico de variante do vírus pelo qual as taxas de emissão são multiplicadas para levar em consideração diferentes variantes. [22]

Apesar da extensa atividade no campo da modelagem da transmissão de infecções, existem poucos estudos que realizaram intervenções de limpeza do ar e compararam cálculos teóricos com resultados clínicos. Banholzer et al. estudaram o efeito das intervenções do filtro de ar HEPA nas infecções [23] . Embora as concentrações do número de aerossóis tenham sido, em média, 53% mais baixas com filtros de ar em comparação com nenhuma intervenção, não foi encontrada qualquer diferença na probabilidade de infecção por SARS-CoV-2. Isto pode ser parcialmente atribuído ao período de intervenção relativamente curto de duas semanas, durante o qual ocorreram apenas algumas infecções por COVID-19. No entanto, há ambiguidade nos resultados sobre se os filtros de ar podem prevenir eficazmente a transmissão de infecções transmitidas pelo ar. Alguns estudos sugerem um impacto positivo, enquanto outros não [23] , [24] , [25] .

O objetivo deste estudo foi avaliar a eficácia do aumento das taxas de fluxo de ar não infeccioso obtidas com dispositivos portáteis de purificação de ar na redução do risco de infecção respiratória em duas creches usando um modelo de cálculo simples e robusto para estimar o risco de transmissão aérea. de doenças infecciosas, incluindo a COVID-19. Ele estima as taxas de disseminação viral usando, em princípio, parâmetros básicos diretamente mensuráveis, como a carga viral dos fluidos respiratórios e as taxas de emissão de aerossóis no ar, com base na atividade. A prevalência da doença também é utilizada para calcular o número provável de pessoas infecciosas na sala, dando uma estimativa realista do número de excretores de patógenos num determinado espaço. Uma vantagem importante do modelo é que é universal no sentido de que é aplicável a doenças infecciosas transmitidas pelo ar em geral, embora todos os parâmetros-chave como cargas virais nos fluidos respiratórios e doses infecciosas não sejam conhecidos para todas as doenças.

Também utilizamos o modelo para calcular o número de pessoas em risco de transmissão do vírus em cada quarto. Com esta informação detalhada poderíamos otimizar a localização dos filtros de ar para reduzir o número de pessoas em risco de transmissão em todo o edifício. Além disso, pretendemos identificar potenciais focos de infecções em ambientes internos para implementar contramedidas de forma eficiente. Os resultados iniciais de um estudo clínico intervencionista são fornecidos como prova de conceito para validar o modelo.

2.1 . Creches

As duas creches estudadas onde foi realizada a intervenção de limpeza do ar (A e B) estão na mesma área na cidade de Helsínquia. Na creche A há 110 crianças (de 1 a 6 anos) divididas em 6 turmas e 19 funcionários. A creche B está ocupada com 123 crianças distribuídas em 6 turmas e 21 funcionários. A área útil da creche A é de cerca de 1.000 m2 e a vazão da ventilação mecânica foi de 2,4 m ³ /s nas áreas ocupadas por crianças e funcionários. As áreas das salas variaram entre 14,4 m ² e 68,0 m ² com uma média de 30,3 m ² e as taxas de renovação de ar variaram entre 2,7 1/h e 10,7 1/h sendo em média 4,2 1/h. Da mesma forma, a área útil da creche B a é de cerca de 900 metros quadrados (áreas dos quartos 11–68 m ² , média de 30,7 m ² ) e a taxa de fluxo de ar era de 2,9 m ³ /s, produzindo taxas de troca de ar ambiente entre 2,0 1/h e 7,2 1/h com média de 3,8 1/h. Ambos os edifícios estão equipados com ventilação mecânica com fluxo de ar de volume constante para insuflação e exaustão de ar e foram dimensionados de acordo com a legislação finlandesa. Em ambas as creches a distribuição do ar foi do tipo ventilação mista. O grupo de referência foi recrutado em todas as outras creches administradas pela cidade de Helsinque.

2.2 . Purificadores de ar ambiente

Os filtros de ar utilizados no estudo eram de vários modelos e tamanhos, com taxas de entrega de ar limpo para partículas variando de 240 a 2.700 m ³ /h. Contudo, devido ao aumento do nível de ruído, os filtros de ar não funcionaram na velocidade máxima do ventilador em alguns locais e o CADR utilizado variou entre 240 – 1500 m ³ /h. A maioria dos filtros de ar foi testada anteriormente em laboratório aplicando o padrão de teste ANSI/AHAM AC-1–2020 para determinar suas taxas de fornecimento de ar limpo antes da instalação [26] . Seus CADRs no local durante o estudo são mostrados na Tabela 1 . As plantas baixas das creches e a localização dos filtros de ar são mostradas na Fig .

Tabela 1 . Características e localização dos purificadores de ar nas duas creches.

Modelo	CADR com configuração de velocidade do ventilador usada neste estudo m3/h	ID e localização do filtro de ar
Air0 SmAIRt1200	1260	A5
Air0 SmAIRt1200	1010	A2, A15
Air0 SmAIRt600	570	B3, B9
Air0 SmAIRt600	434	A3, A8, A14, A18, B7, B12, B17
Alme Pure	372	A6
Videocassete Halton MobileAirCleaner	1500*)	A16, B5, B6
IQAir CleanZone SLS	650	A7
IQAir Icleen Saúde Premium	240	A4, A9, A19, A20
ISEC Kuulas	125	A21, B8
ISEC Vinha	453	B20
ISEC Vinha	302	B15, B23
Lifa Air LA502C	285	A11, A12, A13, B2, B4, B10, B11, B19, B22
ISEC Tipo 1	195	B1, B13, B14, B16, B18, B21
ISEC Tipo 2	433	A1, A10, A17, A22

*) Relatado pelo fabricante

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Figura 1 . Plantas baixas e localizações dos filtros de ar nas creches A (esquerda) e B (direita) durante o estudo de intervenção.

2.3 . Selecionando e localizando os filtros de ar ambiente

A ocupação, a atividade e o tempo de permanência nos diferentes espaços da creche variaram durante o dia. Isto influenciará o risco de transmissão de doenças dentro do edifício. Em vez de critérios de design convencionais, como área útil, volume do espaço e taxa de renovação de ar, introduzimos uma abordagem mais sofisticada baseada no risco de infecção transmitida pelo ar para otimizar a colocação de filtros de ar ambiente em diferentes espaços.

Na prática, havia um número limitado de filtros de ar disponíveis para as creches. Isso se deveu ao custo dos filtros de ar, bem como ao espaço limitado para filtros de ar nas creches. Em geral, havia lugar para apenas um filtro de ar em uma sala. A questão é como utilizar este número limitado de filtros de ar de forma mais eficiente para reduzir o risco de transmissão de vírus em todo o edifício.

Um dos objetivos desta abordagem baseada no risco é estimar com maior precisão a presença de potenciais fontes de patógenos (pessoas infecciosas). A probabilidade de emissão de patógenos aumenta à medida que o número de ocupantes no espaço interno e sua atividade aumentam. Para a exposição a patógenos, o tempo gasto na sala também é importante. A nossa abordagem baseada no risco permite conceber valores CADR ideais comparando a redução calculada no número de pessoas em risco obtida ao posicionar cada filtro de ar de divisão virtualmente em divisões diferentes. A posição dos filtros de ar foi então escolhida de modo a obter o número mínimo de pessoas em risco ao nível do edifício.

Esta nova abordagem requer informações mais específicas sobre o perfil de utilização dos espaços, incluindo o número de ocupantes em diferentes horários do dia em cada quarto. As informações sobre as atividades normais de hora em hora foram coletadas do pessoal por meio de um questionário. Utilizamos os perfis de ocupação e atividade para colocar os filtros de ar com CADR ideal em espaços onde o aumento das taxas de fluxo de ar limpo resultou na redução mais significativa no número de indivíduos em risco de transmissão de patógenos.

Na prática, ao posicionar filtros de ar, é essencial considerar a manutenção do padrão de fluxo da sala e evitar interrupções no fluxo de ar por curto-circuito. O posicionamento adequado garante ótima circulação de ar e filtragem eficaz. Naturalmente tivemos que fazer alguns compromissos devido ao espaço disponível limitado ao colocar os filtros de ar nos quartos de acordo com o plano.

2.4 . Estimativa da probabilidade de transmissão de infecção

Para avaliar o efeito potencial dos sistemas de ventilação e dos sistemas intervencionistas de purificação do ar, foi construído um modelo matemático relativamente simples. O modelo calcula as taxas de emissão de patógenos como um produto da concentração viral nos fluidos respiratórios e a taxa de emissão em massa de gotículas que secarão quase instantaneamente sob condições normais de ar ambiente e se tornarão aerossóis transportados pelo ar com tamanho <5 micrômetros [27] . A taxa de emissão de massa de gotículas é baseada na atividade dos indivíduos e é estimada a partir da literatura [28] , [29] . Ao calcular a exposição interior, uma suposição típica é que o ar ambiente está bem misturado para que a concentração seja uniforme dentro do espaço a ser considerado. Isto é justificado nos casos em que o tamanho das salas não é muito grande e quando as taxas de renovação de ar são suficientemente grandes [30] . Praticamente este requisito é cumprido em salas ventiladas mecanicamente com ventilação mista.

A concentração em estado estacionário C SS (cópias de RNA viral/m 3 ) depende então da taxa de emissão G (cópias/s de RNA viral) e dos termos de remoção, incluindo ventilação, inativação no ar e deposição.
(1)
onde λ é a taxa de troca de ar de ventilação (1/h), λ IA é a taxa de inativação de patógenos no ar (1/h), λ D é a taxa de deposição (1/h), V é o volume da sala (m 3 ) e qE é o produto da vazão de ar do filtro de ar e sua eficiência (m 3 /h), que é praticamente igual ao CADR. Supõe-se que o número provável de infectados N I seja proporcional à prevalência da doença na comunidade p e ao número de pessoas em uma sala N :
(2)

Por sua vez, a taxa de emissão do patógeno G (cópias/s de RNA viral) depende da atividade e da carga viral do fluido respiratório c V (cópias de RNA viral/g) como segue:
(3)
onde q m é a taxa de emissão em massa de gotículas respiratórias (g/s) com diâmetro inferior a 15 µm. Tais gotículas secam quase instantaneamente em condições normais de ar interior, deixando resíduos que têm cerca de um terço do seu diâmetro original. Os aerossóis secos têm, portanto, um tamanho <5 micrómetros, que podem permanecer no ar durante longos períodos e podem ser inalados por pessoas susceptíveis. Tanto as taxas de emissão respiratória quanto as cargas virais dos fluidos respiratórios variam amplamente entre os indivíduos, impossibilitando previsões precisas [28] , [31] . Contudo, assumindo certos valores razoáveis ​​para os parâmetros, as alterações relativas nas concentrações podem ser feitas razoavelmente bem.

A dose D de partículas carregadas de patógenos inaladas e depositadas nos pulmões (cópias de RNA viral) pode ser estimada a partir da concentração média C (cópias de RNA viral/m 3 ), taxa de respiração B (m 3 /h) e tempo de exposição t (h ):
(4)
onde f é o fator de deposição alveolar dos aerossóis inalados no sistema respiratório. Para simplificar, usamos um valor único de 0,3 para partículas inaladas <5 µm [21] . O risco de contrair infecção P INF é então calculado usando a equação de Wells-Riley:
(5)
onde D 50 é a dose (cópias de RNA viral) que causa infecção em média para metade da população. O número esperado de pessoas em risco E é então
(6)

Este valor foi calculado para cada sala das creches onde foram instalados purificadores de ar.

2.5 . Questionário de ausência ao trabalho

Para a parte clínica do estudo, convidamos a participar famílias de todas as crianças que recebem educação infantil em creches administradas pela cidade de Helsinque. Como parte do estudo, realizamos intervenções de limpeza do ar em duas creches localizadas em Helsinque para estudar o efeito da remoção de partículas em doenças infecciosas. Os resultados apresentados aqui são os resultados iniciais do primeiro ano de um ensaio cruzado de dois anos em quatro creches (NCT05569330). O processo de recrutamento dos participantes é mostrado na Figura 2 . Como parte do estudo, os participantes relataram infecções incidentes e os pais faltaram ao trabalho semanalmente em um diário de sintomas. As questões analisadas no diário foram “Seu filho esteve doente na semana anterior? (sim/não)” e “A doença da criança causou afastamento dos adultos? (sim não)”. Um total de 426 crianças, das quais 38 estavam em creches com sistemas de purificação de ar, foram incluídas no estudo. A taxa de resposta foi de 60-68% durante o período de estudo de 11 de novembro de 2022 até o final de abril de 2023. O teste não paramétrico Mann-Whitney U foi usado para comparar os dias de ausência dos pais devido à doença da criança (“sim” para ambas as perguntas do questionário ) entre os centros de referência e de intervenção. O modelo de regressão de Poisson foi construído separadamente para controlar os efeitos dos fatores socioeconômicos. A idade da criança e a escolaridade dos pais foram adicionadas como variáveis ​​categóricas. Neste trabalho apresentamos o efeito inicial nas faltas dos pais ao trabalho e analisamos os seus efeitos na sociedade. O estudo foi aprovado pelo comitê de ética de Helsinque e Uusimaa (HUS/14231/2022) e foi conduzido de acordo com a Declaração de Helsinque.

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Figura 2 . Recrutamento de participantes do estudo de crianças que recebem creches na cidade de Helsinque.