Atemtröpfchen

Ein Atemtröpfchen ist ein kleines, beim Ausatmen entstehendes Wassertröpfchen, das aus Speichel oder Schleim und anderen Substanzen von den Oberflächen der Atemwege besteht . Atemtröpfchen entstehen auf natürliche Weise beim Atmen, Sprechen ( Sprechtröpfchen ), Niesen, Husten oder Erbrechen und sind daher immer in unserer Atemluft vorhanden. Sprechen und Husten erhöhen ihre Anzahl. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Die Tröpfchengröße variiert von < 1 μm bis 1000 μm ^{[ 1 ] [ 2 ]} . In einem typischen Atemzug befinden sich etwa 100 Tröpfchen pro Liter Atemluft. Bei einer Atemfrequenz von 10 Litern pro Minute entspricht dies etwa 1000 Tröpfchen pro Minute, von denen die überwiegende Mehrheit nur wenige Mikrometer groß oder kleiner ist ^{[ 1 ] [ 2 ]} . Da diese Tröpfchen in der Luft schweben, handelt es sich definitionsgemäß um Aerosole . Große Tröpfchen (größer als etwa 100 μm, abhängig von den Bedingungen) fallen jedoch schnell zu Boden oder auf eine andere Oberfläche und schweben daher nur kurz. Tröpfchen, die deutlich kleiner als 100 μm sind (und das sind die meisten), fallen hingegen nur langsam und bilden so Aerosole mit einer Lebensdauer von Minuten oder mehr. Tröpfchen mittlerer Größe können sich zunächst wie Aerosole ausbreiten, fallen aber nach einer gewissen Entfernung wie Tröpfchen zu Boden („Jet Riders“) ^{[ 4 ] .}

Diese Tröpfchen können infektiöse Bakterienzellen oder Viruspartikel enthalten und spielen eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Atemwegserkrankungen . In der Forschung zur Krankheitsübertragung wird mitunter zwischen sogenannten „Atemtröpfchen“ und „Aerosolen“ unterschieden, wobei nur größere Tröpfchen als „Atemtröpfchen“ und kleinere als „Aerosole“ bezeichnet werden. Diese willkürliche Unterscheidung wurde jedoch weder experimentell noch theoretisch belegt ^{[5, 3 ] und steht nicht im} Einklang mit der Standarddefinition eines Aerosols .

Die Atemtröpfchen des Menschen enthalten verschiedene Zelltypen (z. B. Epithelzellen und Zellen des Immunsystems), physiologische Elektrolyte aus Schleim und Speichel (z. B. Na ⁺ , K ⁺ , Cl ⁻ ) und möglicherweise verschiedene Krankheitserreger . ^{[ 6 ]}

An der Luft trocknende Tröpfchen bilden Tröpfchenkerne , die als Aerosole in der Luft schweben und über längere Zeiträume in der Luft verbleiben können. ^{[ 6 ]}

Die traditionelle, starre Größenbegrenzung von 5 μm zwischen luftgetragenen und respiratorischen Tröpfchen wurde als falsche, wissenschaftlich nicht begründete Dichotomie kritisiert , da ausgeatmete Partikel ein Größenkontinuum bilden, dessen Verhalten neben der anfänglichen Größe auch von den Umgebungsbedingungen abhängt. Dennoch diente sie jahrzehntelang als Grundlage für die im Krankenhaus angewandten Übertragungspräventionsmaßnahmen. ^{[ 7 ]}

Atemtröpfchen können auf vielfältige Weise entstehen. Sie entstehen natürlich beim Atmen , Sprechen , Niesen , Husten oder Singen. Auch im Gesundheitswesen können sie künstlich erzeugt werden, beispielsweise durch aerosolgenerierende Verfahren wie Intubation , Herz-Lungen-Wiederbelebung (HLW), Bronchoskopie , Operationen und Autopsien . ^{[ 6 ]} Ähnliche Tröpfchen können beim Erbrechen, Spülen von Toiletten , Nassreinigen von Oberflächen, Duschen oder der Verwendung von Leitungswasser sowie beim Versprühen von Grauwasser in der Landwirtschaft entstehen . ^{[ 8 ]}

Je nach Entstehungsmechanismus können Atemtröpfchen auch Salze , Zellen und Viruspartikel enthalten. ^{[ 6 ]} Natürlich entstehende Tröpfchen können aus verschiedenen Bereichen der Atemwege stammen, was ihren Inhalt beeinflussen kann. ^{[ 8 ]} Auch zwischen gesunden und kranken Personen können Unterschiede hinsichtlich Schleimgehalt, -menge und -viskosität bestehen , die die Tröpfchenbildung beeinflussen. ^{[ 9 ]}

Speicheltröpfchen oder Speichelspray sind Speichelpartikel, die beim Sprechen unwillkürlich aus dem Mund ausgestoßen werden, insbesondere bei kräftiger Artikulation oder der Aussprache von explosiven Konsonanten (wie /p/, /b/, /t/). Diese Tröpfchen entstehen durch die Strömungsdynamik in der Mundhöhle und nicht durch die Ausatmung. ^{[ 10 ]} Sie bilden sich, wenn Zungenbewegungen, Lippenrisse oder Luftströmungsturbulenzen den dünnen Speichelfilm im Mundraum aufreißen und Tröpfchen in die Luft schleudern. ^{[ 11 ]}

Speichelsekrete sind typischerweise: ^{[ 12 ]}

• Größer (100 μm bis wenige mm Durchmesser) als respiratorische Aerosole (< 5 μm), sind sie auf dem Gesicht des Zuhörers deutlich sichtbar und erkennbar und bleiben sogar nach dem Freisprechen als sichtbare Spuren auf dem Handybildschirm zurück.
• Aufgrund ihrer Masse können sie nur über kurze Distanzen (in der Regel <1 Meter) stoßen, allerdings kann durch lautes Sprechen ihre Reichweite vergrößert werden.
• Besteht aus Speichel, Mundschleim und potenzieller oraler Mikroflora (z. B. Streptokokken ).

Unterschiedliche Entstehungsmechanismen erzeugen Tröpfchen unterschiedlicher Größe und Anfangsgeschwindigkeit, was ihren Transport und ihr Verhalten in der Luft beeinflusst. Gemäß der Wells-Kurve fallen die größten Tröpfchen so schnell, dass sie sich meist auf dem Boden oder einer anderen Oberfläche absetzen, bevor sie austrocknen. Tröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm trocknen ebenfalls schnell aus, bevor sie sich auf einer Oberfläche absetzen. ^{[ 6 ] [ 8 ]} Nach dem Trocknen bilden sie feste Tröpfchenkerne, die aus den ursprünglich im Tröpfchen enthaltenen nichtflüchtigen Bestandteilen bestehen. Atemtröpfchen können auch mit anderen, nicht-biologischen Partikeln in der Luft interagieren, die zahlreicher sind. ^{[ 8 ]} Bei engem Kontakt zwischen Menschen können von einer Person erzeugte Flüssigkeitströpfchen von einer anderen eingeatmet werden. Tröpfchen mit einem Durchmesser von mehr als 10 μm bleiben tendenziell in Nase und Rachen hängen, während kleinere Tröpfchen in die unteren Atemwege eindringen . ^{[ 9 ]}

Fortgeschrittene numerische Strömungsmechanik-Simulationen (CFD) zeigten, dass Atemtröpfchen bei Windgeschwindigkeiten von 4 bis 15 km/h bis zu 6 Meter weit fliegen können. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Eine häufige Form der Krankheitsübertragung ist die Übertragung durch Tröpfchen, die beim Husten , Niesen oder Sprechen entstehen. Die Tröpfcheninfektion ist der übliche Übertragungsweg für Atemwegsinfektionen. Die Übertragung kann erfolgen, wenn die Tröpfchen auf empfindliche Schleimhäute wie Augen, Nase oder Mund gelangen. Auch indirekt kann eine Übertragung durch Kontakt mit kontaminierten Oberflächen stattfinden , wenn man sich anschließend ins Gesicht fasst. Tröpfchen sind groß und können nicht lange in der Luft schweben; sie werden üblicherweise über kurze Distanzen verbreitet. ^{[ 15 ]}

Zu den Viren, die durch Tröpfcheninfektion übertragen werden, gehören Influenzaviren , Rhinoviren , das Respiratorische Synzytialvirus (RSV) , Enteroviren und Noroviren ; ^{[ 16 ]} Masernvirus ; ^{[ 17 ]} sowie Coronaviren wie das SARS-Coronavirus (SARS-CoV-1) ^{[ 16 ]} , MERS-CoV ^{[ 17 ]} und SARS-CoV-2, das COVID-19 verursacht . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Auch bakterielle und fungale Erreger können durch Tröpfcheninfektion übertragen werden. ^{[ 6 ]} Im Gegensatz dazu können einige wenige Krankheiten nach dem Austrocknen der Tröpfchen auch über die Luft übertragen werden. ^{[ 17 ]} Wir alle atmen diese Tröpfchen ständig aus. Auch einige medizinische Verfahren, sogenannte aerosolgenerierende Verfahren, erzeugen Tröpfchen. ^{[ 6 ]}

Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflussen die Überlebensfähigkeit von Bioaerosolen , da die Tröpfchen mit zunehmender Verdunstung und Verkleinerung weniger Schutz für die darin enthaltenen Infektionserreger bieten. Viren mit einer Lipidhülle sind im Allgemeinen in trockener Luft stabiler, während Viren ohne Hülle in feuchter Luft stabiler sind. Viren sind zudem im Allgemeinen bei niedrigen Lufttemperaturen stabiler. ^{[ 8 ]}

Im Gesundheitswesen umfassen Vorsichtsmaßnahmen die Unterbringung von Patienten in Einzelzimmern, die Einschränkung des Transports außerhalb des Zimmers und die Verwendung geeigneter persönlicher Schutzausrüstung . ^{[ 20 ] [ 21 ]} Es wurde festgestellt, dass während des SARS-Ausbruchs 2002–2004 die Verwendung von OP-Masken und FFP2-Masken die Infektionsrate bei medizinischem Personal tendenziell senkte. ^{[ 22 ]} OP-Masken filtern jedoch kleine Tröpfchen und Partikel deutlich weniger effektiv als FFP2-Masken und ähnliche Atemschutzmasken , weshalb FFP2-Masken einen besseren Schutz bieten. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Moderne Studien haben ihre Rolle bei der Krankheitsverbreitung quantifiziert, insbesondere während der COVID-19-Pandemie, wo Masken ihre Verbreitung um 99 % reduzierten. ^{[ 25 ]}

Höhere Lüftungsraten können auch zur Gefahrenabwehr eingesetzt werden , um Atemwegspartikel zu verdünnen und zu entfernen. Wird jedoch ungefilterte oder unzureichend gefilterte Luft an einen anderen Ort abgeleitet, kann dies zur Ausbreitung einer Infektion führen. ^{[ 8 ]}

1. Kommunikationshygiene:
   • Beim Sprechen entstehen Tröpfchen, die zum sogenannten „Sprühen beim Sprechen“ beitragen – ein bekanntes Problem bei öffentlichen Reden, Schauspielerei und Gesprächen im privaten Rahmen. ^{[ 26 ]}
   • Studien legen nahe, dass Masken die Verbreitung des Virus deutlich reduzieren. ^{[ 26 ]}
2. Krankheitsübertragung:
   • Obwohl sie weniger ansteckend sind als respiratorische Aerosole, können durch Sprechen freigesetzte Tröpfchen orale Krankheitserreger (z. B. Epstein-Barr-Virus, Erkältung) übertragen werden. ^{[ 27 ]}
   • Bei sogenannten Superspreader-Ereignissen (z. B. Chöre, überfüllte Debatten) kann es zur Freisetzung von Tröpfchen beim Sprechen kommen. ^{[ 27 ]}
3. Minderung: ^{[ 28 ]}
   • Lippenbalsam oder Feuchtigkeitscreme verringert die Tröpfchenbildung, indem sie den Speichel verdünnen.
   • Physische Barrieren (z. B. Plexiglas) blockieren zwar Sprechtröpfchen, aber nicht Aerosole.
   • Theater: Schauspieler nutzen Sprechtechniken, um sie zu minimieren.

Der deutsche Bakteriologe Carl Flügge wies 1899 als Erster nach, dass Mikroorganismen in Tröpfchen, die aus den Atemwegen ausgestoßen werden, ein Übertragungsweg für Krankheiten sind. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde der Begriff „Flügge-Tröpfchen“ mitunter für Partikel verwendet, die groß genug sind, um nicht vollständig auszutrocknen, etwa solche mit einem Durchmesser von mehr als 100 μm. ^{[ 29 ]}

Flügges Konzept, dass Tröpfchen die primäre Quelle und der Vektor für die Übertragung von Atemwegserkrankungen sind, blieb bis in die 1930er Jahre vorherrschend, bis William F. Wells zwischen großen und kleinen Tröpfchen unterschied. ^{[ 14 ] [ 30 ]} Er entwickelte die Wells-Kurve , die beschreibt, wie die Größe von Atemwegströpfchen deren Verhalten und damit ihre Fähigkeit zur Krankheitsübertragung beeinflusst. ^{[ 31 ]}

• Antikes Rom: Rhetoriker wie Quintilian (1. Jahrhundert n. Chr.) rieten Rednern, während ihrer Reden „übermäßigen Auswurf“ zu vermeiden , was auf ein frühes Bewusstsein für den Speichelfluss hindeutet. ^{[ 32 ]}
• 18.–19. Jahrhundert: Französische Ärzte prägten den Begriff Postillons (von poster , „spucken“), um die beim Sprechen sichtbaren Speicheltröpfchen zu beschreiben, und brachten sie mit der Ausbreitung von Tuberkulose in engen Räumen in Verbindung. ^{[ 33 ]}

• 1930er–1940er Jahre: Studien zur Phonetik (z. B. von Peter Ladefoged) stellten fest, dass Plosivlaute (/p/, /t/, /k/) aufgrund des abrupten Luftstroms mehr Tröpfchen erzeugen. ^{[ 34 ]}
• 1970er Jahre: Hochgeschwindigkeitsfotografie bestätigte Speichelausstoßmuster während des Sprechens (Lighthill, 1975). ^{[ 35 ]}

• 2019–2022: Die COVID-19-Pandemie hat die Forschung zu durch Sprache erzeugten Tröpfchen angeregt:
  • Eine Studie der NIH (2020) zeigte, dass lautes Sprechen etwa 1.000 Tröpfchen pro Minute freisetzt, wobei Masken die Anzahl um 99 % reduzieren (Anfinrud et al.).
  • MIT (2021): Zeigte, dass stimmhafte Laute (z. B. /a/, /i/) stärker in die Luft gelangen als Flüstern (Bourouiba Lab).
• Kulturelle Veränderungen: Der vermehrte Einsatz von Plexiglasbarrieren im öffentlichen Raum verdeutlichte die Unterschiede zwischen großen Sprechtröpfchen (die abgefangen werden) und Aerosolen (die nicht abgefangen werden). ^{[ 28 ]}

• Vor COVID: Ausdrücke wie „Sprühen“ oder „Spucken“ waren umgangssprachlich.
• Nach COVID: Der Begriff „Sprechtröpfchen“ hielt Einzug in den Fachdiskurs, um sie von respiratorischen Aerosolen zu unterscheiden (z. B. in Berichten der WHO).

• Basisreproduktionszahl
• Infektionsprävention und -kontrolle
• Bekämpfung der Infektionsquelle (Atemwegserkrankungen)

• Carbone, Francesca; Bouchet, Gilles; Ghio, Alain; Legou, Thierry; André, Carine; Lalain, Muriel; Petrone, Caterina; Giovanni, Antoine (03.12.2024). „Untersuchung der Tröpfchenemission während der Sprachinteraktion“ . Sprachressourcen und Bewertung . doi : 10.1007/s10579-024-09789-x . ISSN  1574-020X .