Coronavirus : qui sont les super-propagateurs ?
« Ils n'éternuent pas. Ils ne toussent pas. Ils ne font que respirer et parler » résume Donald Milton, expert en transmission des aérosols.
Le 6 octobre, des agents de désinfection équipés de protections individuelles nettoient une rue de la vile de Séoul, en Corée du Sud, afin de limiter la propagation du coronavirus. Le nombre de nouveaux cas de COVID-19 en Corée du Sud est resté sous la barre des 100 pour la sixième journée consécutive, mais le pays se prépare à une possible recrudescence des nouvelles infections après que plusieurs foyers ont été signalés dans le sillage de la fête des récoltes, le Chuseok.
En 2003, alors que l'épidémie de SRAS infectait des milliers de personnes, en tuait plusieurs centaines et semait la panique à travers le monde, Lidia Morawska étudiait les effets de l'inhalation des particules de pollution. Physicienne au sein de l'université de technologie du Queensland, en Australie, l'Organisation mondiale de la santé lui a alors demandé de rejoindre une équipe de chercheurs à Hong Kong afin de travailler sur la propagation du coronavirus à l'origine du SRAS.
Pour cela, Morawska a décidé d'adopter une approche inhabituelle : au lieu de s'intéresser à la façon dont les individus inhalaient la matière contagieuse, elle a inversé le problème et s'est penchée sur l'exhalation.
« J'avais trouvé trois articles traitant de près ou de loin de l'exhalation de particules issues de l'activité respiratoire humaine. Autant dire rien du tout, » se souvient-elle. « Cela m'avait surprise, car c'est un domaine de première importance. »
Près de vingt ans plus tard, la rapide propagation du SARS-CoV-2 suscite un regain d'intérêt pour ce domaine qui étudie la façon dont nos poumons éjectent du matériel infectieux dans l'air, notamment au travers de gouttelettes respiratoires appelées aérosols. Il est désormais crucial de comprendre la formation des aérosols au sein de notre organisme afin d'expliquer la rapidité de propagation du virus ainsi que le phénomène de super-propagation, la contamination d'un grand nombre d'individus par une poignée de porteurs de la maladie. Ce type d'incidents est caractéristique de la pandémie de COVID-19.
Depuis le début des recherches de Morawska, les scientifiques ont beaucoup appris sur les fluides respiratoires aéroportés, notamment sur ce qui fait d'une personne un superinfecteur ou superpropagateur. Certains attributs semblent jouer un rôle majeur dans la propagation de la maladie, c'est le cas de la morphologie et de certains comportements comme le fait de parler fort ou de respirer vite.
« Ils n'éternuent pas. Ils ne toussent pas. Ils ne font que respirer et parler » résume Donald Milton, expert en transmission des aérosols à l'université du Maryland. « Ils peuvent aussi crier, ou chanter. De nombreux incidents de super-propagation ont eu lieu dans des bars karaoké. Nous en avons également identifié un dans un club de cycling indoor à Hamilton, en Ontario, où les participants ont tendance à respirer fort. »
Néanmoins, il s'est avéré difficile de déterminer quels individus étaient les plus grands producteurs de gouttelettes respiratoires, car il faut tenir compte de nombreux facteurs physiques et biologiques difficiles à distinguer et à mesurer.
AÉROSOLS EN TOUS GENRES
Pour les spécialistes comme Morawska davantage concernés par l'aspect physique du phénomène, un aérosol est une particule sèche ou humide capable de rester en suspension dans l'air pendant plusieurs minutes à quelques heures. En général, leur taille ne dépasse pas les 100 micromètres, soit le diamètre d'un cheveu humain. Les voies respiratoires humaines produisent différents types d'aérosols, de quelques micromètres à environ 100 micromètres, voire plus, dans le cas de certaines gouttelettes respiratoires visibles à l'œil nu.
« Les plus petits aérosols sont générés dans la partie la plus profonde du système respiratoire, » indique Morawska. Ils jouent un rôle majeur dans la transmission des maladies, car ils peuvent rester en suspension plus longtemps et parcourir une plus grande distance que les gouttes plus grosses qui tombent rapidement.
Ces petits aérosols sont créés dans les bronchioles, les ramifications des voies respiratoires en contact avec nos poumons. En mesurant soigneusement les aérosols produits par des individus lorsqu'ils respirent de différentes façons, Morawska et son collègue, Graham Richard Johnson, ont proposé dans un article fondateur paru en 2009 que le fluide respiratoire recouvrant ces ramifications créait un film se comportant comme des bulles de savon lorsque les bronchioles se contractent et s'étirent. Leur proposition est aujourd'hui considérée comme le principal mécanisme de formation des aérosols au plus profond de nos poumons.
Un phénomène similaire se produit plus haut dans nos voies respiratoires, au niveau du larynx où est produit le son de notre voix.
« Les cordes s'ouvrent et se ferment bien trop vite pour les voir à l'œil nu, » indique William Ristenpart, ingénieur chimiste au sein de l'université de Californie à Davis qui étudie la transmission de maladie. À l'instar des bronchioles, ces cordes étirent les fluides respiratoires lorsqu'elles s'entrechoquent pendant que la personne parle ou chante, ce qui produit des gouttelettes, comme lorsque vous vous lavez vigoureusement les mains et rompez le film de savon en les écartant.
Ce processus se produit très rapidement, une centaine de fois par seconde, et les gouttelettes sont alors emportées par l'air expiré, ce qui nous amène à la cavité buccale. Les plus grandes gouttelettes du système respiratoire voient le jour dans la bouche, avec les contorsions de ses lèvres arrosées de salive lors d'une conversation, et ce sont ces gouttelettes que vous connaissez probablement le mieux.
« En parlant, il vous arrive de sentir de petites gouttes s'envoler, » indique Ristenpart. Oui, ce sont les fameux « postillons ».
Même si le nez est également une porte de sortie pour les aérosols, ils ont plutôt tendance à passer par la bouche. Les aérosols et les gouttelettes sont piégés dans une bouffée d'air explosive qui gouverne leur mouvement et leur propagation pendant les premières secondes.
« Le nuage gazeux maintient les gouttelettes en paquet lors de leur déplacement dans une pièce, en les emportant avec lui, » explique Lydia Bourouiba, spécialiste de la dynamique des fluides au Massachusetts Institute of Technology (MIT).
SUPER-PRODUCTEURS
Bien que la mécanique générale à l'origine des aérosols respiratoires soit la même pour tout le monde, il existe de multiples variations quant au volume pouvant être produit par chaque individu. Il suffit de se poster à un arrêt de bus en hiver pour constater la différence de taille entre les nuages de vapeur produits par la respiration de chaque usager.
Cela ne devrait pas nous surprendre compte tenu de la complexité du système respiratoire. Morawska compare la situation à la brume uniforme émise par un flacon de parfum : « Contrairement au parfum, où il n'y a qu'un seul tube, le système respiratoire se compose de plusieurs voies aériennes avec des tailles et des longueurs différentes. »
Quantifier cette complexité, ne serait-ce que pour une seule personne, serait un travail fastidieux, mais les scientifiques peuvent tout de même identifier ceux qui excellent dans la production des aérosols. Dans une étude parue en 2019, Ristenpart et ses collègues ont montré que plus une personne parlait fort, plus elle émettait d'aérosols. Cela dit, les scientifiques ont également constaté que la production d'aérosols de certains participants à l'étude relevait de l'ordre de grandeur supérieur, et ce, même en parlant à volume égal. Ce sont ces individus que l'on qualifie aujourd'hui de super-propagateurs.
« Clairement, il doit y avoir une cause physiologique sous-jacente qui pousse certaines personnes à émettre un nombre nettement plus important de particules à vitesse et hauteur de discours égales, » indique Ristenpart. Selon lui, cela pourrait s'expliquer par l'épaisseur du fluide et la façon dont il réagit à la déformation, autant de facteurs variables d'une personne à l'autre. De précédentes études ont montré que le fait d'inhaler une brume d'eau salée moins visqueuse que les fluides respiratoires chargés en mucus permettait globalement de réduire la production de particules d'aérosols. D'un autre côté, les individus dont le fluide est naturellement plus visqueux sont amenés à produire plus d'aérosols.
Pour ne rien arranger, une infection respiratoire peut également modifier la consistance des fluides respiratoires. Par exemple, la viscosité des parois du système respiratoire augmente lors d'une infection des bronches comme une pneumonie bactérienne ou une forme sévère de la grippe suite à la perte d'eau et la production accrue de protéines cellulaires. Des maladies chroniques comme l'asthme et la mucoviscidose peuvent également conduire à un épaississement des fluides respiratoires.
UNE ÉTUDE COMPLEXE
Il est difficile de répondre aux nombreuses questions restées en suspens compte tenu de la nature même des aérosols. Ce sont des particules sensibles aux conditions environnementales et les plus grandes, celles qui contiennent plus de liquide peuvent sécher rapidement en laissant derrière elle de petites particules concentrées qui faussent les relevés. La température, l'humidité et le flux d'air à l'intérieur des instruments scientifiques peuvent également modifier les aérosols pendant la prise de mesure.
Ces difficultés ne sont pas sans rappeler celles de la mécanique quantique où le simple fait de mesurer une particule subatomique influence le résultat. Même si les aérosols dont il est question ici relèvent d'une autre échelle, la mesure de leur nature éphémère n'en est pas moins délicate.
C'est avec un sourire que Morawska admet l'existence de cette problématique. « Il est extrêmement difficile de mesurer et de donner une réponse qui représente ce qu'il se passe réellement, » concède-t-elle.
Si l'étude de la transmission des maladies par aérosols a si peu progressé en plusieurs décennies, c'est en partie à cause de ces difficultés. « Encore aujourd'hui, en 2020, les mécanismes de propagation de la grippe font l'objet de controverses, » témoigne Ristenpart, qui a récemment publié une étude dans laquelle il suggère que les virus de la grippe chevaucheraient des particules de poussière.
À l'heure actuelle, cette discipline connaît son heure de gloire en raison du contexte de pandémie. L'étude des aérosols a permis de révéler pourquoi le SARS-CoV-2 était plus transmissible par l'air que son modèle original, le SARS-CoV de 2003. De nombreux experts s'accordent aujourd'hui à dire qu'une meilleure ventilation des milieux clos et le port du masque peuvent aider à freiner cette maladie transmise par gouttelettes respiratoires. C'est pourquoi Morawska, Milton et bon nombre de leurs collègues spécialistes des aérosols ont appelé en juillet à accorder une plus grande attention à la transmission aéroportée du SARS-CoV-2 via les aérosols, un appel aujourd'hui repris par les CDC des États-Unis et l'Organisation mondiale de la santé.
Encore faudra-t-il réussir à maintenir l'intérêt porté à cette discipline, même si le phénomène de super-propagation est connu de la science et du grand public depuis l'époque de Mary Typhoïde, il y a près d'un siècle. Tout comme Morawska, Bourouiba a également donné un tournant épidémiologique à ses recherches en dynamique des fluides après l'épidémie de SRAS en 2003. Elle a constaté un regain d'intérêt pour l'étude des aérosols avec chaque épidémie de maladie respiratoire, le SRAS, le MERS et la grippe A (H1N1), mais il s'est toujours essoufflé. Il faut impérativement que cela change, déclare-t-elle.
« Si les décideurs et les investisseurs continuent de se satisfaire de leur vision à court terme, conclut Bourouiba, nous devrons toujours nous contenter de solutions de fortune pour affronter ces problèmes. »
Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.
