Hoesten, niezen, zingen… niemand kent het gevaar van kleine druppels

Besmettingsgevaar Verspreidt het coronavirus zich in fijne spreek-, zing- en hoestdruppeltjes? Daarover woedt een hevige discussie. Hoe toon je aan dat een ziekte zich via aerosolen verspreidt?

Iedere maandagavond repeteerde het christelijk mannenkoor De Lofzang uit Heerde, al decennialang. Ook op maandag 9 maart zongen de tachtig koorleden nog luidkeels hun prachtige liederen. De donderdag daarop verbood het kabinet vanwege het coronavirus bijeenkomsten van meer dan honderd man, en blies het koor uit voorzorg hun repetities af. Maar het was al te laat. In de dagen die volgden werd het ene na het andere koorlid ziek. Bijna de helft kreeg het virus, zes mannen overleden.

In koren en kerken, op feesten, tijdens Zumbalessen, in een après-skibar of tijdens carnaval – het coronavirus verspreidt zich bij voorkeur op plekken waar grote groepen mensen samen praten, dansen of zingen, de zogeheten superspreading events. En die gebeurtenissen roepen vragen op over de manier waarop het coronavirus van de ene mens naar de andere overspringt. Gaat die overdracht via fijne, zwevende druppeltjes uit besmette kelen? En moeten we dan juist wel mondkapjes op of juist niet, is anderhalve meter afstand houden genoeg, moet de airco aan of juist niet? Kunnen we samen zingen, sporten, eten en drinken, vliegen, demonstreren?

De druppelwolk die ontstaat binnen een seconde na de nies van een mens (en profil) binnen 50 centimeter. Foto Lydia Bourouiba/JAMA/MIT

Een brandende kwestie is de vraag of het virus zich via de lucht verspreidt, in minutenlang zwevende zing-, hijg- en spreekdruppels: aerosolen. Op sociale media buitelen de meningen over elkaar heen. Ook virologen, natuurkundigen, microbiologen en epidemiologen zijn het er onderling niet over eens. Waarom is het zo lastig om aan te tonen of een ziekte zich via aerosolen verspreidt?

Druppels in mond of keel

De WHO – en het Europese CDC en het RIVM – gaan er tot nu toe van uit dat de overdracht van SARS-CoV-2, het virus dat Covid-19 veroorzaakt, hoofdzakelijk gebeurt via de grotere druppels die vrijkomen bij hoesten, niezen en praten. Die druppels vallen binnen anderhalve meter op de grond, of op oppervlakken. Een geïnfecteerde die met iemand anders praat, kan diegene besmetten doordat die druppels in zijn mond of keel belanden.

Daarnaast kunnen besmette druppels direct, of indirect via deurklinken, tafels en lichtknopjes, op de vingers van een ander terecht komen en diegene infecteren: contactbesmetting.

Een derde manier van overdracht is via kleine druppeltjes uit de luchtwegen, zogenoemde aerosolen. Die vallen niet naar de grond, maar kunnen uren door de lucht zweven. Airborne zijn ze dan.

Zulke besmettelijke aerosolen komen in het geval van SARS-CoV-2 vooral vrij bij medische handelingen met coronapatiënten, zoals het aanbrengen van een beademingsapparaat. Er is geen duidelijk bewijs dat dit coronavirus zich in die fijne druppeltjes over grotere afstand via de lucht kan verspreiden, stellen de gezondheidsorganisaties. In het dagelijks leven spelen aerosolen dus nauwelijks een rol bij de overdracht, is tot nu toe het uitgangspunt.

Als een paal boven water

Maar daarover woedt een flinke discussie. De Amerikaanse academie van wetenschappen ziet aanwijzingen dat aerosolverspreiding een bijdrage kan leveren. Ook de Duitse viroloog Christian Drosten schatte vorige maand in een podcast van de omroep NDR dat pakweg de helft van de overdracht via aerosols gaat, ongeveer de andere helft via grotere druppels, en een resterende 10 procent door contactbesmetting.

En voor de Italiaanse microbioloog Andrea Crisanti van de universiteit van Padua staat het ook als een paal boven water. „Dit is duidelijk een airborne ziekte”, zegt hij in een videogesprek. „Het verspreidt zich zeker via druppeltjes, zowel via grote als kleine druppels. Daar zijn veel experimentele bewijzen voor.”

De druppelwolk die ontstaat na de nies van een mens binnen 110 centimeter. Foto Lydia Bourouiba/JAMA/MIT

Daar openbaart zich al de eerste moeilijkheid: de definitie. Sommige wetenschappers scharen de overdracht via het inademen van alle mogelijke formaten druppels door de lucht onder de noemer airborne. Er is dus soms simpelweg spraakverwarring. Maar er is meer.

Zichtbare aerosolen

De druppelwolk die vrijkomt bij hoesten en niezen bestaat uit druppels in allerlei formaten, variërend van 0,1 micrometer doorsnede (een tienduizendste millimeter) tot 1.000 micrometer (een millimeter), laat natuurkundig onderzoek zien. „De Amerikaanse ingenieur William Wells maakte in de jaren 30 een tweedeling: druppels kleiner dan 5 micrometer doorsnede, en grotere druppels”, zegt Detlef Lohse, hoogleraar vloeistoffysica aan de Universiteit Twente. „De kleine druppels verdampen lang voordat ze iemand hebben kunnen bereiken, was zijn argument. De grote druppels vallen door de zwaartekracht binnen 1,5 meter op de grond. Maar in feite is het niet zwart-wit, het is een continuüm.”

In een slecht geventileerde kamer blijven druppels langer aanwezig

Detlef Lohse hoogleraar vloeistoffysica

In een opstelling met een hogesnelheidscamera, een grote-afstandsmicroscoop en belichting met laserlicht kunnen natuurkundigen alle druppels groter dan 1 micrometer zien. Zo kunnen ze in beeld brengen hoeveel druppels er langsvliegen tijdens het praten, lachen, of hoesten, en hoe groot die zijn. „Dat is in principe niet moeilijk”, zegt Lohse. „Maar het is niet statisch. De verdeling van die druppels, hun dichtheid en hun grootte, verandert in de loop van de tijd en hangt af van de omstandigheden, zoals de relatieve vochtigheid. De grotere druppels kunnen deels verdampen, de kleinere kunnen botsen met elkaar. Die dynamica in beeld te krijgen is wel ingewikkeld.”

De Amerikaanse vloeistoffysica Lydia Bourouiba van het Massachusetts Institute of Technology is dat gelukt. Haar experimenten aan de druppelwolk als geheel laten duidelijk zien dat die druppels, ook de kleine, veel verder kwamen en veel langer intact blijven dan Wells aannam. Ze komen tot 8 meter en blijven minutenlang hangen in plaats van minder dan een seconde. „Dat komt doordat die druppeltjes in warme, vochtige lucht worden uitgeademd, in een beschermende wolk van andere druppels. Daardoor gaat de verdamping langzamer dan gedacht”, zegt Lohse. „In een kamer waar geen luchtuitwisseling is blijven die druppels lang aanwezig. Als daar het virus in zit en je ademt die in, heb je een probleem.”

De Amsterdamse fysicus Daniel Bonn liet onlangs de verdeling van de druppels in de wolk zien. Wanneer een proefpersoon kuchte kwamen zowel grote druppels vrij (100 tot 1000 micrometer) als grote aantallen kleine (1 tot 10 micrometer). Als iemand sprak, zag Bonn vooral de fijne druppeltjes.

Nabootsen met een spray

Die fijne druppels kunnen in de lucht blijven hangen, zag ook Bonn. Hij bootste met een spray de druppelwolk van een hoest na. In een ruimte waarin een raam en een deur tegen elkaar waren opengezet, was het aantal fijne druppeltjes na dertig seconden gehalveerd, maar zonder ventilatie duurde dat vijf minuten.

„Het zijn miljoenen fijne druppeltjes, terwijl er ongeveer duizend grote druppels zijn na één hoest”, zegt Bonn.

Het aantal kleine druppeltjes is dus veel groter. Maar de totale hoeveelheid vloeistof waaruit ze bestaan, is veel kleiner. Een druppel met een honderd keer kleinere doorsnede bevat 1.000.000 keer minder vloeistof.

„Meer dan 95 procent van de vloeistof zit in de grote druppels”, beaamt Bonn. „Het meeste virus zou inderdaad in de grote druppels kunnen zitten.”

Besmettelijk virus

De fysica-experimenten laten zien dat er druppeltjes vrijkomen als iemand praat, schreeuwt, zingt of niest. Maar ze vertellen niet of er coronavirus in die fijne druppeltjes kan zitten, of dat nog leeft, en of dat voldoende is om iemand te besmetten, zegt viroloog Ron Fouchier van het Erasmus MC in Rotterdam. Hij onderzoekt al meer dan tien jaar de transmissieroutes van luchtwegvirussen zoals griep, maar ook sars en mers. „Bij sommige virusinfecties komt er nauwelijks virus terecht in die allerkleinste aerosolen.”

Dat aantonen is lastig. „Deeltjes van 0,1 tot 5 micrometer kun je bijna niet opvangen, en de meeste methoden die dat wel doen inactiveren het virus.” Fouchiers team gebruikt voor dit werk zogeheten impingers en impactors. „Die zuigen lucht aan, bijvoorbeeld naast een ziekenhuisbed, en de druppeltjes daarin worden opgevangen in een kweekmedium waarin het virus stabiel blijft. Dan kunnen we de hoeveelheid virus meten. Druppeltjes opvangen en kijken of er erfelijk materiaal aanwezig is lukt nog wel, maar bepalen of het infectieus is, is lastig. We zijn er al tien jaar mee bezig voor griep.”

Acht meter kan een wolk niesdruppels afleggen. Foto Lydia Bourouiba/JAMA/MIT

En dan is er nog de vraag hoeveel virus je moet binnenkrijgen om besmet te raken, de infectieuze dosis. Dat is niet bekend voor dit coronavirus.

Een belangrijke aanwijzing voor de overdracht komt van de al bekende coronavirussen. Fouchier: „Van griepvirussen weten we dat ze bijna allemaal airborne zijn bij mensen. Van alle andere coronavirussen, ook de onschuldige winterversies en sars en mers, weten we dat ze juist hoofdzakelijk via direct en indirect contact worden overgedragen, en dat ze vrijwel niet door de lucht gaan onder normale omstandigheden – behalve bij medische handelingen met coronapatiënten.”

Net als bij sars en mers wordt ook SARS-CoV-2 in studies een enkele keer teruggevonden in luchtmonsters in ziekenhuizen. „Maar nog niemand heeft laten zien dat het dan infectieus is”, zegt Fouchier.

Cruiseschip in quarantaine

Veruit de meeste virologische kennis, zegt hij, komt van klassieke epidemiologische studies, zoals op de Diamond Princess. Dat cruiseschip lag twee weken in quarantaine voor de Japanse kust nadat een besmetting was geconstateerd, en meer dan 600 van de 3.700 opvarenden raakten besmet. „Van dergelijke studies hebben we ook geleerd dat griep echt airborne is. Met SARS-CoV-2 hebben we juist op cruiseschepen en in andere studies gezien dat er geen of nauwelijks transmissie via aerosolen is, maar dat het hoofdzakelijk via direct contact en via hoesten of niezen gaat. Er is bij mijn weten nog geen overtuigend bewijs dat het via die allerkleinste aerosolen verloopt.”

Dat beaamt epidemioloog Hans Heesterbeek van de Universiteit Utrecht, die gespecialiseerd is in de dynamiek van infectieziekten.

„Bepalen wat de relatieve bijdrage is van de drie manieren van besmetting, is ook erg lastig”, zegt hij. „Epidemiologisch kan dat alleen indirect, aan de hand van een gebeurtenis waar duidelijk een groep mensen is besmet. Die moet je dan heel nauwkeurig in kaart brengen: wie hadden op welke manieren contact met elkaar, hoe waren de omstandigheden? Om aerosolbesmetting te kunnen aantonen moet je andere infectieroutes kunnen uitsluiten: dat restaurantbezoekers niet ook allemaal van hetzelfde toilet gebruik hebben gemaakt, of allemaal uit hetzelfde bakje nootjes hebben gegeten. Of dat er een ober was die iedereen besmet heeft. Vaak is daar niet voldoende over bekend.”

Mazelen en waterpokken

Heesterbeek verwacht dat airborne transmissie bij dit nieuwe coronavirus wel kan voorkomen, maar dat het niet vaak gebeurt. Ziektes die zich airborne verspreiden hebben meestal een hoge R0, het getal dat het aantal mensen weergeeft dat een geïnfecteerde besmet als er geen beperkende maatregelen zijn. „Bij airborne ziektes zoals mazelen, kinkhoest en waterpokken, waar de kleinste druppeltjes een grote rol spelen, ligt die R0 tussen 10 en 20, voor het nieuwe coronavirus is het 2 of 3. Als airborne transmissie een heel belangrijke rol zou spelen dan zou die R0 veel hoger zijn.”

Maar dit getal gaat voorbij aan een opvallende eigenschap van het virus. In de praktijk infecteert een klein aantal mensen veel anderen, bijvoorbeeld bij koorrepetities, begrafenissen en bruiloften, en een veel groter aantal geïnfecteerden geeft het helemaal niet door. Dat is een bekend verschijnsel bij veel epidemieën, ook bijvoorbeeld bij sars. Om die scheve verdeling uit te drukken gebruiken wetenschappers het getal k. Hoe kleiner de waarde van k is, hoe kleiner de groep mensen die een groot aantal anderen besmetten. De Amerikaanse epidemioloog Jamie Lloyd-Smith becijferde dat voor sars die k uitkwam op 0,16, voor mers ongeveer 0,25. „Voor SARS-CoV-2 wordt die nu op 0,1 of 0,2 geschat”, zegt Heesterbeek. „Dat betekent dat 10 of 20 procent van de besmette mensen verantwoordelijk is voor 80 procent van de nieuwe besmettingen. Het laat zien dat superverspreiding een belangrijke rol speelt.”

Superverspreiding kan gebeuren door supershedders: mensen die buitengewoon veel virus uitstoten. Maar het kan ook komen door iemand met meer riskante contacten, of met een slecht afweersysteem, waardoor hij lang virus blijft uitscheiden.

De opvallende superverspreiding, zoals die in koren en bars, wordt vaak aangevoerd als bewijs dat het virus airborne overspringt. Maar superverspreiding gaat zeker niet alleen via aerosolen.

„Tijdens de sars-uitbraak had je ook dit soort gebeurtenissen”, weet Fouchier. „Daar bleek een dokter in het Metropolitan hotel in Hongkong een supershedder. Hij had aan de lichtknopjes en deurklinken gezeten, die daarna weer door anderen werden aangeraakt. Zo kun je een heleboel mensen besmetten, zonder dat het via de lucht gaat.”

Mensen zijn niet zo hygiënisch als ze denken

Ron Fouchier viroloog

Zoiets kan ook in kerken gebeuren. „Als daar de supershedder de priester is geweest die de hostiebak vasthield, dan heeft de verspreiding niets met zingen te maken”, zegt Fouchier. Hij heeft nog geen enkel rapport gezien waarin dat kan worden uitgesloten. „Mensen zijn niet zo hygiënisch als ze denken. Ze zitten heel vaak aan hun gezicht, ze pakken toch een klink of een kraan vast.”

In sommige situaties lijkt aerosoloverdracht wel voor de hand te liggen. Er is bijvoorbeeld een studie van een uitbraak in een restaurant in Guangzhou in China waar een besmette gast tijdens een lunch in een slecht geventileerd deel van het restaurant negen mensen aan zijn eigen tafel en aan twee naburige tafels heeft geïnfecteerd. „Daar speelt transmissie door de lucht een rol”, zegt Heesterbeek. „Dan nog is het de vraag wat het aandeel is van de kleine druppeltjes.”

In het geval van het restaurant hebben de onderzoekers videobeelden bekeken van de avond. Ze concluderen dat de overdracht via de lucht moet zijn gegaan. Maar het valt niet uit te sluiten dat op die avond sommige gezinsleden vlak bij de zieke zaten, en dat zij later hun andere gezinsleden hebben besmet.

Besmette koffiedrinkers

Ook de uitbraken bij koren vertellen nog niet of die via aerosolen gaan. „De theorie van het mannenkoor in Heerde was dat ze tijdens het zingen besmet waren geraakt”, zegt Heesterbeek. „Maar het bleek dat er in de pauze koffiedrinkers en bierdrinkers waren, de ene groep in een smalle gang, de andere in een grote hal. Bij de koffiedrinkers waren veel besmettingen. Voor we koren gaan verbieden moeten we goed kijken naar wat er is gebeurd. Dat kan het beeld helemaal veranderen. Misschien waren mensen al eerder besmet, door iemand anders.”

Het is goed om uit te zoeken welk aandeel de drie vormen van overdracht hebben bij de verspreiding van Covid-19, vindt Heesterbeek. „Maar praktisch gezien is het duidelijk: we moeten rekening houden met die superverspreidende gebeurtenissen. Plaatsen waar veel mensen binnen druk met elkaar praten en waar het slecht geventileerd is, dat is vragen om problemen, of het nu grote druppels zijn of middelgrote of kleine.”

Waarom zoveel discussie?

Al met al ontkent niemand dat de overdracht van het coronavirus via druppels door de lucht gaat. De kans op infectie door de fijnste aerosoldruppels lijkt alleen nogal klein. Waarom is er dan toch zoveel discussie tussen virologen onderling en met andere wetenschappers? „Omdat het zo lastig te meten is”, denkt Fouchier. „Veel mensen gaan uit van aannames. Als er 200 mensen zingen in een kerk en er zijn daarna 50 besmettingen dan zeggen ze: dat komt door het zingen. Maar er heeft niemand onderzoek gedaan naar bijvoorbeeld de hostiebak.”

Daarnaast is er die spraakverwarring. Fouchiers team deed een studie met fretten waaruit bleek dat het virus via de lucht overgaat. „Sommige mensen lezen dat alsof we laten zien dat het een via aerosolen overdraagbaar virus is. Maar we schrijven er expliciet bij dat die fretten 10 centimeter bij elkaar vandaan zitten, dus die kunnen elkaar zo aanniezen. Dat wil dus zeggen dat het wel via de lucht gaat, maar niet via aerosols.”

In Rotterdam staan nu kooien met fretten boven elkaar, verbonden door een buis van een meter lang. De onderste fret is besmet met SARS-CoV-2, de bovenste niet. „Bij griep zie je dat dan de bovenste fret ook besmet raakt: dat is airborne transmissie”, zegt Fouchier. „Mijn aanname is dat dat met SARS-CoV-2 niet zo zal zijn. Maar omdat er nu zo veel discussie is, doen we die proef toch.”