Posibilitatea dezinfectării tractului respirator de SARS-CoV-2 (COVID-19) prin inhalare controlată cu vapori de etanol/alcool etilic

Acest articol este destinat exclusiv profesioniştilor din domeniul medical. Reprezintă părerea unui singur autor, iar pentru verificarea datelor acestui studiu sunt necesare şi alte cercetări. Nu încercaţi acasă niciuna dintre modalităţile descrise în acest articol.

Tsumoru Shintake – Profesor de Fizică la OIST Graduate University Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University 1919-1 Tancha, Onna-son, Kunigami-gun, Okinawa, Japan 904-0495

Virusurile precum SARS-CoV-2 și cel gripal sunt virusuri lipofilice, încapsulate (anvelopate) și relativ ușor de inactivat prin expunerea la alcool etilic. Capsula constă în principal din stratul lipidic, preluat din celulele gazdă în faza de formare a ciclului de viață viral. Prin urmare, alcătuirea stratului lipidic este comună virusurilor SARS, MERS și gripal, chiar și după mutații, iar astfel de virusuri pot fi eliminate prin expunerea la etanol/alcool etilic. Datele experimentale existente indică faptul că o concentrație de alcool etilic de 30~40 v/v% este suficientă pentru a inactiva virusurile gripei A în soluție [1,2,3].

Autorul sugerează că pot fi utilizate și băuturi alcoolice cu o concentrație de 16~20% v/v% pentru acest proces de dezinfectare, cum ar fi whisky (diluat în apă caldă 1:1) sau sake japonez, deoarece acestea sunt ușor accesibile și sigure (non-toxice). Prin inhalarea vaporilor de alcool la 50~60  ̊C (122~140  ̊F) timp de unul sau două minute, se va produce condens pe suprafețele din interiorul tractului respirator; în principal în cavitatea nazală. Concentrația de alcool va fi mai intensă cu până la ~36 v/v% prin acest proces, ceea ce este suficient pentru a dezinfecta membrana mucoasă de coronavirus. Această metodă ajută și la curățarea interiorului cavității nazale prin stimularea suflării nasului, astfel încât prin mecanismul de autocurățare a traheei să se elimine virusurile mai repede.

De asemenea, este discutată o metodă alternativă. Se poate folosi whisky sau alcool 40 v/v%, picurat pe un tifon, iar vaporii inhalați încet la temperatura camerei. Această metodă funcționează bine pentru partea din față a cavității nazale şi este potrivită în special pentru cadrele medicale din linia întâi deoarece este posibil să fie nevoite să folosească măsuri preventive rapide în orice moment.

Introducere

S-a stabilit că alcoolul poate fi folosit pentru sterilizare (împotriva bacteriilor) și dezinfectare (împotriva virusurilor). Alcoolul etilic vizează învelișul celulelor bacteriene, rezultând lizarea celulelor și eliberarea conținutului celular. De asemenea, se ştie că virusurile lipofilice, anvelopate, sunt mai ușor de dezactivat de către alcool decât cele care nu sunt anvelopate [1].

Nobuji Noda [2] a raportat că virusul gripa de tip A (URSS / 92/97) a fost îndepărtat printr-o expunere de 1 minut la etanol cu o concentrație de 30~40 v/v%.

Recent, Akemi Shinmyo [3] a raportat rezultate experimentale făcute pe cinci tulpini diferite de virus gripal A, şi toate virusurile au fost dezinfectate prin expunere timp de 1 minut la etanol la 27-36 v/v% (prin citirea rezultatului cu raportul de reducere 1/100). S-a efectuat rapid același test pe o tulpină comună de E.coli de laborator (DH5alpha) și s-a observat că bacteria devine non-viabilă la o concentrație de etanol de 30 v/v%. E.coli este o bacterie gram negativă, care are și un strat exterior lipidic și este astfel sensibilă la etanol.

Nu există încă un vaccin dezvoltat, iar recomandările standard pentru a preveni răspândirea infecției includ spălarea periodică a mâinilor și acoperirea gurii și nasului atunci când o persoană tuşește sau strănută. Una dintre probleme este că poate fi posibilă infectarea înainte ca oamenii să prezinte simptome. O altă problemă este timpul de incubație mai lung asociat cu acest virus. Este nevoie urgentă de o măsură preventivă suplimentară, care să poată opri sau cel puțin să încetinească răspândirea acestui nou coronavirus.

În această lucrare, autorul discută despre posibilitatea dezinfectării tractul respirator de SARS-CoV-2 prin inhalare de vapori de etanol.

Fizica fenomenelor de difuzie

Pentru a utiliza soluția de etanol pentru dezinfectare, trebuie să se înțeleagă fizica difuziei și evaporării. Când se pulverizează soluția de etanol pe o suprafață pentru dezinfectare, de exemplu, mânerul ușii, trebuie să fim atenți la evaporarea dependentă de timp a concentrației de etanol din apă. După cum s-a văzut în secțiunea anterioară, presiunea vaporilor de etanol este mult mai mare decât cea a apei, astfel alcoolul etilic se evaporă mai repede, iar soluția rămasă devine rapid apă simplă. Calea medie a moleculelor în soluție este de aproximativ 0,1 nm la temperatura camerei și de 10⁴ mai mult timp pentru ca o moleculă să călătorească câțiva micro-metri pana să ajungă la suprafață, chiar și în linie dreapta, astfel domină fenomenele de difuzie. Viteza de evaporare a etanolului poate fi estimată prin viteza de difuzie a moleculelor de etanol dintr-o picătură.

Soluția simplă 1D din legea difuziei Fick [5] este

unde D este constanta de difuzie, care urmează relația Einstein Smoluchowski (teoria cinetică)

unde μ este mobilitatea ^kB este constanta lui Boltzmann, T este temperatura absolută.

Pentru mai multe detalii, trebuie să discutăm despre viteza de evaporare, care este egală cu probabilitatea unei molecule să ajungă de la suprafață prin schimbarea de entalpie în distribuția Maxwell-Boltzmann. Acest lucru este în afara scopului acestei lucrări – presupunem pur și simplu că domină difuzarea. Constantele de difuzie ale etanolului sunt enumerate în tabelul 1, iar parametrii de difuzie tipici sunt enumerați în tabelul 2.

Ideea de a folosi etanol-apă pulverizată cu dimensiunea a 10μm picături, în scop de inhalare, nu funcționează. Motivul este că, așa cum se vede si în Tabelul 2, pentru a parcurge 6μm, durează doar 0,01 sec și presupunând o viteză de pulverizare de 3 m/sec, picătura după ce zboară cu 30 mm în aer, tot etanolul se va difuza. Picăturile devin apă, conținând doar etanol de densitate mică și, astfel, nu vor fi eficiente pentru dezinfectare.

Astfel, dacă folosim spray-ul pentru experimente de dezinfectare cu etanol, rezultatele vor fluctua foarte mult și vor fi necesare concentraţii tot mai mari.

De asemenea, în practică, spray-ul cu etanol trebuie evitat, din cauza unui posibil pericol de incendiu. Prin urmare, autorul propune inhalarea vaporilor de etanol prin nas, care apoi se condensează în interiorul tractului nostru respirator și, astfel, dezinfectează coronavirusul.

Cum se sterilizează tractul respirator

Așa cum se arată în Fig. 1, se inspiră vaporii de etanol din soluția de alcool la 50~60 °C prin nări, folosind o cană mai înaltă (din polistiren termoizolant sau un pahar de vin). Se pun ~30 ml whisky diluat cu 30 ml apă caldă (90 °C). Concentrația de etanol devine ~20%, iar temperatura este de 50~60 °C. Cana trebuie adusă cât mai aproape/lipită de nas iar vaporii de etanol inhalați. Modificarea temperaturii aerului și alcoolului nu afectează concentrația de etanol după condensarea în interiorul cavității nazale, dar este mai bine să nu pătrundă aer în cană pentru a minimiza condensul de vapori din cană.

Fig. 1. Inhalarea vaporilor de alcool prin nări pentru dezinfectarea virusurilor din interiorul cavității nazale. Tractul respirator ca aparat de distilare cu alcool. Această ilustrare este reprodusă dupa imaginea originală găsită pe Wikipedia: https: // ro.wikipedia.org/wiki/Trachea

Ar fi mai bine ca respirațiile să fie mai puțin adânci, pentru a reduce condensul cu alcool în trahee, unde celulele ciliale importante acoperă suprafața și lucrează ca o scară rulantă pentru mucus ca mecanism de autocurățare a căilor respiratorii. Grosimea mucoasei din trahee este de doar 10 μm [6] și este nevoie de doar 0,01 sec pentru ca etanolul să ajungă la stratul de epiteliu, așa cum se arată în tabelul 2. Pentru a minimiza riscul de inflamație ca urmare a vaporilor de etanol (concentrația de etanol scade după călătoria de la cavitatea nazală la trahee), trebuie să se limiteze profunzimea respirației.

 

Figura 2 prezintă un exemplu de ciclu de inhalare controlat. Acest lucru este determinat de următorii factori.

(1) În mod normal, volumul de respirație al unui adult este de 500 ml/respirație × 12 respirații /min [7].

(2) Așa-numitul „spațiu mort”, volumul de aer care nu ia parte la schimbul de gaze, este de obicei de 150 ml. Dacă respirația este mai mică decât spațiul mort, etanolul nu intră în plămân și nu este transferat în sânge.

(3) Volumul cavității nazale a unui adult este de obicei 30~37 ml [8]. Volumul respirației trebuie să fie mai mare decât această valoare. Presupunem 100 ml volum pe fiecare ciclu.

(4) Suprafața cavității nazale este de aproximativ 100 cm² [9], ținând cont de volumul cavității nazale, decalajul mediu trebuie să fie de 6~8 mm. Timpul de difuzie al unei molecule de etanol pentru jumătate din acest gol este aproximativ 0,3 sec în aer estimat de la Eq. (1). Durata ciclului de inhalare trebuie să fie mai lungă de 0,3 secunde, pentru ca moleculele de etanol să poată ajunge pe suprafețele nazale. După această perioadă, trebuie să reîmprospătăm vaporii de etanol, deoarece majoritatea moleculelor de etanol trebuie adsorbite în mucoasă. Fluxul de aer din interiorul cavității nazale este turbulent, din cauza căii înguste și complicate, care accelerează, de asemenea, viteza de adsorbție a moleculei. Pentru mai multe detalii, trebuie să facem simulări numerice privind fluxul de aer (dinamica fluidelor) și condensare (termodinamică).

Fig. 2. Exemplu de ciclu de inhalare controlat

Axa verticală este schimbarea de volum a plămânului față de volumul mediu la respirația relaxată. În timpul inhalării, fiecare respirație trebuie să fie în jur de 100 ml și trebuie efectuate opt repetări de inhalare/exhalație superficială prin nas, urmate de câteva secunde de respirație relaxată în afara cupei (pentru oxigenare). Puteți bea o cantitate mică de alcool pentru curățarea faringelui, dacă este permis, în funcție de vârsta și legile locale. Repetăm acest proces de câteva ori, aproximativ una sau două minute în total. Dacă apare amțeala, trebuie controlată respirația

Distilare cu etanol folosind tractul respirator uman   

În această secțiune, presiunile sunt scrise în unitatea  (atmosfera standard). Alcoolul se evaporă mai repede decât apa. În termeni fizici, acest lucru este exprimat în termeni de presiune a vaporilor. Presiunea vaporilor de etanol este mai mare decât cea a apei, de aceea funcționează procesul de distilare a alcoolului. Utilizăm acest principiu pentru a aduce etanolul în tractul nostru respirator la o concentrație mai mare, eficient și sigur.

Înainte de a trece la discuțiile detaliate, trebuie menționat că principala componentă a gazului din inhalarea vaporilor de alcool este încă aerul normal (azot și oxigen). Aceste specii există și sub formă lichidă, dar temperatura lor de fierbere este foarte scăzută () și astfel nu vor condensa în interiorul corpului. Prin urmare, putem neglija contribuția aerului în discuțiile următoare. Prezența aerului face ca viteza de transfer a masei să fie mai lentă, dar concentrația de etanol din alcoolul condensat rămâne neschimbată. De asemenea, neglijăm CO₂ în gazul expirat, deoarece este într-o proporție destul de mică. Analizăm doar două componente: etanolul și apa.

Tabelul 3 rezumă proprietățile fizice majore ale etanolului și apei. Presiunea vaporilor materialului pur este dată de ecuația Antoine, care este o corelație semiempirică și descrie relația dintre presiunea vaporilor și temperatura pentru substanțele pure [5].

unde p* este presiunea vaporilor, T este temperatura în °C, iar A, B și C sunt constante specifice componentelor. Acești parametri sunt rezumați în tabelul 4, iar curbele de presiune a vaporilor pentru Etanolul pur și apa sunt prezentate în Fig. 3. La 78,4 °C, presiunea vaporilor de etanol atinge presiunea atmosferică (1 atm) și astfel fierbe.

unde ^Pi este presiunea parțială a componentei i din amestecul gazos, care se bazează pe legea ideală a gazului;

        piV = niRT          (5)

unde V și T sunt volumul și temperatura absolută în Kelvin (°K), R este constanta ideală a gazului. ni este cantitatea de substanță. În discuțiile actuale, schimbarea temperaturii este de aproximativ 20 °K, care este mult mai mică decât temperatura camerei (300 °K), deci putem presupune că temperatura este constanta. Deoarece toate componentele gazului au același volum, putem normaliza eq. (5) ca, V = RT în final avem

Presiunea parțială este egală cu cantitatea normală de substanță. Presiunea vaporilor din amestecul de lichide este dată de legea lui Raoult. Potrivit căreia presiunea parțială a fiecărei componente dintr-un amestec ideal de lichide este egală cu presiunea de vapori a componentei pure multiplicată cu fracția sa molara în amestec [5].

unde ^Pi este presiunea parțială a componentei i din amestecul gazos (deasupra soluției),  este presiunea vaporilor de echilibru a componentei pure dată de eq. (3),  este fracția molară a componentei i din amestec (în soluție). Amestecul de etanol și apă nu este o soluție ideală, astfel presiunea efectivă a vaporilor prezintă o abatere negativă sau pozitivă ca urmare a forței care acționează între molecule. Cu toate acestea, după cum vom vedea mai târziu, fracția molară în alcoolul nostru este de doar 0,07, astfel încât abaterea ar trebui să fie mică, și putem considera alcoolul nostru o soluție ideală.

Fig. 3. Curba presiunii vaporilor de etanol pur și apă.

În mod normal, concentrația de alcool este exprimată folosind VA (ABV): volum alcool, cum ar fi, 40 v/v%. Legea lui Raoult spune că presiunea parțială este proporțională cu fracția molară. Trebuie să transformăm VA în facție molară, după cum urmează.

unde n1, n2 sunt cantitatea de etanol și apă din volumul unității. Folosind densitățile ρ1 = 0,768 și ρ2 = 0,989, avem

Folosind definiția comuna VA: volum alcool (v/v%),

În cele din urmă, fracția molară de etanol este dată de

Folosim alcool 20 v/v% (Whisky in diluție de apă 1: 1), care este egală cu fracția molară . Fracția molară a apei este , ceea ce înseamnă că majoritatea moleculelor din soluție sunt de app. Din legea lui Raoult, găsim presiunile parțiale după cum urmează. Cantitatea molilor este definită în Fig. 4.

Soluția condensată devine soluție de etanol cu concentrație de 36 v/v%. Această valoare este un caz ideal, i.e. starea inițială a suprafeței din interiorul cutiei este inițial uscată (caseta din stânga din Fig. 4). Există apă la suprafață, i.e. membrana mucoasă este 95 v/v% de apă. Concentrația reală de etanol va avea o distribuție Gaussiană dependentă de timp in profunzimea sa. Pentru mai multe detalii, trebuie să realizate simulări numerice.

Fig. 4. Transfer de masă în procesul de condensare.

Metoda rapidă

Se folosește whisky sau alcool similar 40 v/v%, se picură pe o bucată de tifon, se inspiră încet vaporii la temperatura camerei.

(1) Se picură 1~2 ml (1~2 g greutate) alcool 40 v/v%, de ex. whisky, pe un tifon.

(2) Se acoperă nările cu tifonul (zona pe care s-a turnat alcoolul).

(3) Se inhalează uşor vaporii. Dacă una dintre nări se înfundă, cealaltă se acoperă.

(4) După câteva zeci de secunde, mirosul de etanol va dispărea.

Această metodă funcționează bine pentru dezinfectarea părţii din față a cavității nazale. Este potrivită pentru clinicieni, deoarece mediul de lucru al acestora presupune măsuri preventive rapide. Rețineți că există riscul de inflamație/iritație din cauza concentrației mari de alcool, dar beneficiile trebuie comparate cu riscurile. Această metodă este recomandată numai profesioniștilor din domeniul medical și nu este considerată adecvată pentru utilizare de către publicul larg. În timpul inhalării, temperatura alcoolului scade la ~20 °C din cauza căldurii și a vaporizării. Prin urmare, presiunea vaporilor devine mult mai mică decât metoda de încălzire, iar cantitatea de transfer de masă (etanol de la tifon in cavitatea nazală) devine de aproximativ de cinci ori mai mică. Concentrația de etanol va fi determinată de echilibrul de masă dintre adsorbție și difuzie la suprafața membranei mucoase. Conform estimării brute, aceasta este în jur de 30~40 v/v%. Sunt necesare studii detaliate.

Discuții

Propunerea discutată în acest articol este încă la nivel conceptual. Este nevoie de studii suplimentare asupra următoarelor probleme.

(1) La acest moment, martie 2020, autorul nu are date fiabile despre concentrația de etanol necesară pentru dezinfectarea SARS-CoV-2. Autorul doreşte să solicite colaboratorilor să efectueze experimente cu acest virus cât mai curând posibil în orice laborator capabil să manipuleze virusul în siguranță.

(2) După cum s-a discutat în secțiunea. 2, etanolul se dizolva foarte repede în apă sau iese din soluție și se evaporă rapid. Există, de asemenea, schimb de căldură din cauza evaporării. Prin urmare, trebuie acordată mare atenție la modul de evaluare a concentrației efective de etanol în experimente.

(3) În general, grăsimea se lichefiază și se activează atunci când este încălzită. Prin urmare, experimentele menționate mai sus trebuie efectuate la temperatura corpului de 36,5 °C, nu la temperatura camerei de 20 °C.

(4) Efectele secundare din cauza inhalării vaporilor de etanol nu sunt încă evaluate, în special în trahee și plămâni. Vor fi necesare studii clinice sub atenta supraveghere a medicului.

(5) Inhalarea alcoolului este echivalentă cu „fumatul cu vapori de etanol”. Va trebui să se discute despre modul de control al aplicării pentru persoanele sub vârsta legală a consumului de alcool, precum și pentru persoanele în vârstă.

(6) Metanolul (CH3OH) sau soluţia care conține metanol este interzisă pentru inhalare, din cauza toxicității metanolului.

(7) O dată pe zi va fi suficient. Cel mai bine ar fi să se aplicea această metodă seara și să nu se conducă mașina după aceea.

Concluzii

Autorul a discutat despre posibilitatea dezinfectării tractului respirator uman de SARS-CoV-2 prin inhalare de vapori de etanol. Distilarea alcoolului ajută la creșterea concentrației de etanol pe mucoasa din interiorul tractului respirator, unde se presupune că virusurile rămân și incubează. Din cauza invelişului de natură lipidică (este lipofilă), putem dezinfecta coronavirusul prin inhalare de vapori de alcool. Autorul solicita cercetătorilor din acest domeniu să facă mai multe lucrări pe această metodă.

Referinţe:

[1] Seymour S. Block, “Disinfection, Sterilization and Preservation”, Fifth Edition, Lippincott Williams & Wilkins, 2001, ISBN o-683-30740-1, p239.

[2] Nobuji NODA et. al., „Virucidal Activity of Alcohols, Virucidal Efficiency of Alcohols Against Viruses in Liquid Phase”, The Journal of the Japanese Association for Infection Diseases, Vol. 55, No.5, 1980.

[3] Akemi Shinmyo, “Effect of Density for Sterilization of Bacterias and Disinfection on Viruses” doctoral thesis (in Japanese), Tokyo Health Care University, 2019.

[4] WHO, Novel Coronavirus (2019-nCoV). Situation Report 50, WHO (2020).

[5] A to Z of Thermodynamics by Pierre Perrot. ISBN 0-19-856556-9.

[6] Rama Bansil and Brandley S. Turner, “The biology of mucus: Composition, synthesis and organization”, Advanced Drug Delivery Reviews 124 (2018) 3-15.

[7] Ganong’s Review of Medical Physiology (24 ed.). ISBN 0071780033.

[8] Zheng J, Wang YP, Dong Z, Yang ZQ, Sun W., “Nasal cavity volume and nasopharyngeal cavity volume in adults measured by acoustic rhinometry”, US National Library of Medicine National Institutes of Health, 2000 No; 14 (11): 494-5.

[9] Achim G. Beule, “Physiology and pathophysiology of respiratory mucosa of the nose and the paranasal sinuses”, GMS Curr Top Otorhinolaryngol Head Neck Surg. 2010; 9: Doc 07. http://www.thcu.ac.jp/uploads/imgs/20190605090207.pdf

Sursă articol: https://arxiv.org/abs/2003.12444