Forskare utvecklade modell för att undersöka luftburen spridning av virus inomhus

Nya forskningsrön visar hur ett ofarligt modellvirus sprider sig via luften inne i ett rum. I ett större rum tog det 15 minuter för viruset att sprida sig från rummets ena ända till den andra. Viruskoncentrationen går att sänka med god lufthygien, dvs. effektiv ventilation, luftrening och blandning av luften.

En tvärvetenskaplig forskargrupp har undersökt hur coronaviruset och modellviruset Phi6 sprider sig i luften, samt med vilka eventuella metoder spridningen skulle kunna gå att kontrollera.

Undersökningen gjordes inom ramarna för det förberedande projektet TUPA (turvaratkaisuja pandemian varalle, säkerhetslösningar för pandemier) med finansiering från Business Finland. De första preliminära publiceras nu. Projektets pilotstudier utfördes i sjukhus- och restaurangmiljö.

God lufthygien inomhus stöder andra skyddsmetoder

Pilotstudien i restaurangen visade att Phi6, som simulerade coronaviruset, går att observera i alla hörn i ett större rum efter 15 minuters spridning, och även mycket fortare om luftströmmarna är gynnsamma för spridningen.

Det är virusets koncentration i luften som är avgörande för hur lätt det smittar, inte dess spridning.

– Viruskoncentrationen måste vara tillräckligt hög för att man ska bli sjuk. Viruskoncentrationen i ett rum går att minska avsevärt genom effektiv ventilation, luftrening och blandning av luften. Således borde man fästa mer uppmärksamhet vid ventilationen, utöver god handhygien, säger Enni Sanmark, läkare vid HUS.

Allt fler undersökningar visar att coronaviruset kan sprida sig inomhus via luften vid sidan om droppspridning och spridning via ytor, och forskningen kring fenomenet är intensiv. Därmed borde man sörja för god lufthygien inomhus. Coronavirusets reproduktionstal är ändå klart lägre än hos de traditionella luftburna virusen, såsom mässlings- och vattkoppsvirusen.

Simuleringen i pilotstudien i restaurangen utfördes med hög koncentration av det ofarliga modellviruset Phi6. En superdator användes till spridningens modellering.

– Phi6 är ett ofarligt virus som tagits från en bakterie i en baljväxt. Det motsvarar coronaviruset till sin storlek och struktur och lämpar sig därför för att modellera hur viruset sprids via luften och hur det bevarar sin infektionsförmåga. Restaurangstudiens resultat visar att viruskoncentrationen sjunker avsevärt redan inom några minuter efter att smittkällan lämnat rummet. Det visar hur viktigt det är att ha kontroll över kundantalet och kundomsättningen, konstaterar Nina Atanasova, virolog vid Helsingfors universitet och Meteorologiska institutet.

Smittspridaren i restaurangen var en apparat som sprider viruset på samma sätt som en människa som andas och talar. Viruskoncentrationen i luften och på ytorna mättes med aktiva luftsamlare och med passiva petriskålar, som utöver att de mätte spridningen gjorde det möjligt att förstå hur lätt viruset smittar. Lokalen renades med UV-strålning efter simuleringen.

Säkerhetsavstånd, handtvätt, rengöring av ytor och användning av munskydd skyddar

Även det nya coronavirusets (SARS-CoV-2) spridning i patientrum undersöktes med hjälp av patient-och miljöprover. Viruset påträffades på ytor kring patienterna och även i form av nedfall på ytorna. Det påträffades inte i de egentliga proverna som togs från luften.

– Pilotstudien i sjukhuset visade hur svårt det är att undersöka hur smittsamt viruset är i en viss miljö. Metoderna har utvecklats betydligt, men det återstår fortfarande mycket arbete innan vi kan fastställa sambandet mellan olika smittvägar. Studien ger också ny information om undersökningen av den omgivande luften runt patienterna, konstaterar Tarja Sironen, biträdande professor i hotande infektionssjukdomar vid Helsingfors universitet.

Under pilotstudien påträffades odlingsdugligt och därmed smittande SARS-CoV-2-virus i patienternas saliv i början av sjukdomsförloppet, ända fram till den elfte sjukdomsdagen. Virusproverna från ytorna nära patienterna var positiva enbart bland dem som varit sjuka en kortare tid. Smittrisken är således klart störst i början av sjukdomen.

Därför är rekommendationerna om säkerhetsavstånd, handtvätt, rengöring av ytor och användning av munskydd fortfarande effektiva förebyggande åtgärder. Dessutom skyddar de också mot till exempel noro- och influensavirus.

Modelleringen till hjälp vid utvärderingen av säkerhetsåtgärdernas effekter inomhus

Man har också tagit fram en detaljerad superdatormodell av pilotstudien i restaurangen, som gör det möjligt att studera virusspridning under förändrade förhållanden. Modellen kan användas till att utvärdera effekterna av olika säkerhetsåtgärder, såsom luftrenare, rumsdelare eller effektivare ventilation. Arbetet med att utveckla modellen fortsätter. Det här är samtidigt ett viktigt delmål i projektet, eftersom man i fortsättningen kan använda modellen till att undersöka risken för luftburen spridning samt olika scenarier även i andra lokaler.

Modellerna visar preliminärt att korrekt dimensionerade luftrenare, som också blandar inomhusluften, bidrar till att minska viruskoncentrationen i rummet. Enbart rumsdelare fungerar å andra sidan inte som en säkerhetsåtgärd mot luftburen smittspridning.

– Modelleringen har redan lärt oss att det kan uppstå lokala "anhopningar" med hög viruskoncentration inomhus till följd av luften inte blandas tillräckligt. Med rätt dimensionerade luftrenare kan man förhindra att det uppstår anhopningar och samtidigt minska virusnivåerna i rummet, konstaterar Mikko Auvinen, flödesfysiker vid Meteorologiska institutet.

Pilotstudien i restaurangen utfördes i Henri Aléns restaurang Ultima i Helsingfors. En ansökan om att TUPA-projektet kan fortsätta som ett bredare E3-projekt med fokus på säkerhet inomhus (Excellence in pandemic response and enterprise solutions) kommer att lämnas in under våren 2021.

Mer forskning behövs

Forskare från Meteorologiska institutet, HUS, Helsingfors universitet och Arbetshälsoinstitutet deltog i undersökningen. Forskningsresultaten är preliminära. Ett vetenskapligt manuskript om undersökningen utarbetas för närvarande och har ännu inte referentgranskats.

Resultaten från den här undersökningen med modellviruset Phi6 kan inte direkt likställas med coronaviruset, utan ger en bedömning av en situation som på grund av forskningstekniska och etiska skäl inte går att bedöma med hjälp av coronaviruset. Projektet har heller inte undersökt hur mycket virus det behövs för att det ska ske en smitta. Coronavirusets luftburna spridning och reproduktion kräver ytterligare forskning.

Forskningen i coronavirusets luftburna spridning fortsätter vid laboratoriet BSL3vid Helsingfors universitet och i sjukhusförhållanden. De nya virusvarianterna verkar vara mer smittsamma, varmed det är viktigt att undersöka även deras spridning.

Nya forskningsrön visar hur ett ofarligt modellvirus sprider sig via luften inne i ett rum. I ett större rum tog det 15 minuter för viruset att sprida sig från rummets ena ända till den andra. Viruskoncentrationen går att sänka med god lufthygien, dvs. effektiv ventilation, samt luftrening och luftväxling.

En tvärvetenskaplig forskargrupp har undersökt hur coronaviruset och simuleringsviruset Phi6 sprider sig, samt med vilka eventuella metoder spridningen kunde går att kontrollera.

Undersökningen gjordes inom ramarna för det förberedande projektet TUPA (turvaratkaisuja pandemian varalle, dvs. säkerhetslösningar för pandemier) med finansiering från Business Finland och kan nu gå ut med de första preliminära resultaten. Projektets pilotstudier utfördes i sjukhus- och restaurangmiljö.

God lufthygien inomhus stöder andra skyddsmetoder

Pilotstudien i restaurangen visade att Phi6, som mekaniskt simulerade coronaviruset, går att observera i alla hörn i ett större rum efter 15 minuters spridning, och även mycket fortare än så om luftströmmarna gynnar spridningen.

Det är virusets koncentration i luften som är avgörande för hur lätt det smittar, inte dess spridning.

– Viruskoncentrationen måste vara tillräckligt hög för att man ska insjukna. Koncentrationen i ett rum går att minska avsevärt genom luftrening, eller effektiv luftcirkulation och luftväxling. Således borde man fästa mer uppmärksamhet än tidigare vid ventilationen, utöver god handhygien, säger Enni Sanmark, läkare vid HUS.

Enligt en växande mängd undersökningar kan coronaviruset sprida sig inomhus via luften, vid sidan om droppspridning och spridning via ytor, och fenomenet undersöks flitigt. Därmed borde man sörja för god lufthygien inomhus. Coronavirusets reproduktionstal är ändå klart lägre än hos de traditionella luftburna virusen, såsom mässlings- och vattkoppsvirusen.

Simuleringen i restaurangens pilotstudie utfördes med hög koncentration av det ofarliga modellviruset Phi6. En superdator användes till spridningens modellering.

– Phi6 är ett ofarligt virus som tagits från en bakterier i en baljväxt. Det motsvarar coronaviruset till sin storlek och struktur och lämpar sig därför för att modellera virusets luftburna spridning och hur det bevarar sin infektionsförmåga. Restaurangstudiens resultat visar att viruskoncentrationen sjunker avsevärt redan inom några minuter efter att smittkällan lämnat rummet. Det stöder vikten av att ha kontroll över kundantalet och kundomsättningen, konstaterar Nina Atanasova, virolog vid Helsingfors universitet och Meteorologiska institutet.

Smittspridaren i restaurangen var en apparat som sprider viruset på samma sätt som en människa som andas och talar. Viruskoncentrationen i luften och på ytorna mättes med aktiva luftsamlare och med passiva petriskålar, som utöver spridningen gjorde det möjligt att  uppskatta hur lätt viruset smittar. Lokalen renades med UV-strålning efter simuleringen.

Säkerhetsavstånd, handtvätt, rengöring av ytor och användning av munskydd skyddar

Även det nya coronavirusets (SARS-CoV-2) spridning i patientrum undersöktes med hjälp av patient-och miljöprover. Viruset påträffades på ytor kring patienterna och även i form av nedfall på ytorna. Det påträffades inte i de egentliga proverna som tagits från luften.

– Pilotstudien i sjukhuset visade hur svårt det är att undersöka den smittande förekomsten av ett virus i en miljö. Metoderna har utvecklats betydligt, men det återstår fortfarande mycket arbete innan vi kan fastställa sambandet mellan olika smittvägar. Undersökningen ger också ny information om undersökningen av luften runt patienterna, konstaterar Tarja Sironen, biträdande professor i hotande infektionssjukdomar, vid Helsingfors universitet.

Under pilotstudien observerades odlingsdugligt och därmed smittande SARS-CoV-2-virus i patienternas saliv i början av sjukdomen, som längst fram till den elfte sjukdomsdagen. De positiva virusproverna på ytorna runt patienterna observerades emellertid enbart bland dem som varit sjuka en kortare tid. Smittrisken är således klart störst i början av sjukdomen.

Därför är rekommendationerna om säkerhetsavstånd, handtvätt, rengöring av ytor och användning av munskydd fortfarande effektiva förebyggande åtgärder. Dessutom skyddar de också mot till exempel noro- eller influensavirus.

Modelleringen till hjälp vid utvärderingen av säkerhetsåtgärdernas effekter inomhus

Man har också tagit fram en detaljerad superdatormodell av restaurangens pilotstudie, som gör det möjligt att studera virusspridning under förändrade förhållanden. Modellen kan användas till utvärdera effekterna av olika säkerhetsåtgärder, såsom luftrenare, rumsdelare eller effektivare ventilation. Utvecklingen av modellen fortsätter, vilket är ett viktigt delmål i projektet, eftersom man i fortsättningen kan använda den till att undersöka luftburen spridningsrisk och olika scenarier även i andra lokaler.

Modellerna visar preliminärt att korrekt dimensionerade luftrenare, som också blandar inomhusluften, bidrar till att minska viruskoncentrationen i rummet. Enbart rumsdelare fungerar å andra sidan inte som en säkerhetsåtgärd mot luftburen smittspridning.

– Modelleringen har redan lärt oss att lokala "anhopningar" med höga virusnivåer kan uppstå inomhus till följd av luften inte blandas tillräckligt. Med rätt dimensionerade luftrenare kan man förhindra att sådana anhopningar uppstår och samtidigt minska virusnivåerna inomhus, konstaterar Mikko Auvinen, flödesfysiker vid Meteorologiska institutet.

Pilotstudien i restaurangen utfördes i Henri Aléns restaurang Ultima i Helsingfors. En ansökan om att TUPA-projektet fortsätter som ett bredare E3-projekt med fokus på säkerhet inomhus (Excellence in pandemic response and enterprise solutions) lämnas in under våren 2021.

Mer forskning behövs

Forskare från Meteorologiska institutet, HUS, Helsingfors universitet och Arbetshälsoinstitutet deltog i undersökningen. Resultaten är preliminära. Ett vetenskapligt manuskript om undersökningen utarbetas för närvarande, och har ännu inte referentgranskats.

Resultaten från den här undersökningen med modellviruset Phi6 kan inte direkt likställas med coronaviruset, utan ger en bedömning av en situation, som på grund av forskningstekniska och etiska skäl inte går att bedöma med coronaviruset. Projektet har heller inte undersökt hur mycket virus det behövs för att det ska ske en smitta. Coronavirusets luftburna spridning och reproduktion kräver ytterligare forskning.

Forskningen i coronavirusets luftburna spridning fortsätter vid laboratoriet BSL3vid Helsingfors universitet och i sjukhusförhållanden. De nya varianterna verkar mer smittsamma och det är viktigt att undersöka även deras spridning.

Esimerkki ravintola Ultiman 3D-mallista, jossa on mallinnettu ilmanpuhdistimien vaikutusta virusten leviämiseen tilanjakajien kanssa.

Exempel på en 3D-modell av restaurang Ultima, där man modellerar vilken inverkan luftrenare och rumsdelare tillsammans har på virusspridningen. Den fiktiva sjuka personen (aerosolkälla) är röd, luftrenaren turkos och rumsdelaren grön. Det ljusa, böjda elementet över personerna är en takdekoration i restaurangen. Restaurangens väggar är genomskinliga. Bilden föreställer konstellationen, men inte viruskoncentrationen eller virusrörelserna i rummet.

Mer information: 
Nina Atanasova, docent i mikrobiologi, Helsingfors universitet, Meteorologiska institutet, nina.atanasova@helsinki.fi, 050 373 4855 (pilotstudien i restaurangen, modellviruset Phi6, virologi)

Enni Sanmark, medicine doktor, HUS, enni.sanmark@hus.fi, 040 844 6040 (pilotstudien i sjukhuset, lufthygien, medicin)

Antti-Pekka Hyvärinen, gruppledare, docent i aerosolfysik, Meteorologiska institutet, antti-pekka.hyvarinen@fmi.fi, 040 515 2004 (projektet Tupa, aerosolpartiklar)

Antti Hellsten, specialforskare, docent i flödesfysik, Meteorologiska institutet, antti.hellsten@fmi.fi, 050 409 0477 (spridningsmodellering)

Tarja Sironen, biträdande professor i hotande infektionssjukdomar, Helsingfors universitet, tarja.sironen@helsinki.fi, 050 447 1588 (pilotstudien i sjukhuset, virologi)

Lotta Oksanen, medicine licentiat, HUS, lotta.oksanen@hus.fi, 050 355 3450 (lufthygien, medicin