Bestimmung, welche Wellenlängen von UV-Licht für die COVID-19-Virusdesinfektion am besten geeignet sind

Um eine Oberfläche zu desinfizieren, können Sie sie mit einem Strahl ultravioletten (UV) Lichts beleuchten, das blauer ist, als das menschliche Auge sehen kann. Aber welche Wellenlängen sind am besten geeignet, um SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, gezielt zu inaktivieren? Und wie viel Strahlung ist genug?

Um diese Fragen zu beantworten, müssen Wissenschaftler zwei Haupthindernisse überwinden. Zunächst müssen sie das Virus vollständig von Fremdstoffen in der Umwelt trennen. Zweitens müssen sie das Virus jeweils mit einer einzigen UV-Wellenlänge beleuchten, wobei zwischen den Tests nur minimale Änderungen am Versuchsaufbau vorgenommen werden müssen.

Eine kürzlich durchgeführte Zusammenarbeit zwischen dem National Institute of Standards and Technology (NIST) und dem National Biodefense Analysis and Countermeasures Center (NBACC), einem Labor der Direktion für Wissenschaft und Technologie des US-Heimatschutzministeriums, überwand diese beiden Hindernisse und vollendete das, was möglicherweise am gründlichsten ist Test, der je durchgeführt wurde, wie sich verschiedene UV- und sichtbare Wellenlängen auf SARS-CoV-2 auswirken.

In einem neuen Papier, das diese Woche in veröffentlicht wurde Angewandte Optikbeschreiben die Mitarbeiter ihr neuartiges System zum Projizieren jeweils einer einzigen Lichtwellenlänge auf eine Probe des COVID-19-Virus in einem sicheren Labor. Das als Biosicherheitsstufe 3 (BSL-3) eingestufte Labor ist für die Untersuchung von Mikroben konzipiert, die beim Einatmen potenziell tödlich sind. Ihr Experiment testete mehr Wellenlängen von UV- und sichtbarem Licht als jede andere Studie mit dem Virus, das bisher COVID-19 verursacht.

Also, was ist das Kryptonit von SARS-CoV-2? Wie sich herausstellt, nichts Besonderes: Das Virus ist für die gleichen Wellenlängen von UV-Licht anfällig wie andere Viren, beispielsweise solche, die die Grippe verursachen. Die effektivsten Wellenlängen waren diejenigen im „UVC“-Bereich zwischen 222 und 280 Nanometer (nm). UVC-Licht (voller Bereich von 200 bis 280 nm) ist kürzer als die UVB-Wellenlängen (280 bis 315 nm), die Sonnenbrand verursachen.

Die Forscher zeigten auch, dass die Umgebung des Virus eine schützende Wirkung auf das Virus haben kann. In der Studie war eine geringere UV-Dosis erforderlich, um Viren zu inaktivieren, wenn sie in reines Wasser gegeben wurden, als wenn sie in simulierten Speichel gegeben wurden, der Salze, Proteine ​​und andere Substanzen enthält, die in echtem menschlichen Speichel vorkommen. Das Suspendieren des Virus in simuliertem Speichel schafft eine Situation, die realen Szenarien mit Niesen und Husten ähnelt. Dies kann die Ergebnisse direkter aussagekräftiger machen als die früherer Studien.

„Ich denke, einer der großen Beiträge dieser Studie ist, dass wir zeigen konnten, dass die Art von idealisierten Ergebnissen, die wir in den meisten Studien sehen, nicht immer vorhersagen, was passiert, wenn ein realistischeres Szenario im Spiel ist“, sagte Michael Schuit von NBACC. „Wenn Sie Material wie den simulierten Speichel um das Virus herum haben, kann dies die Wirksamkeit von UV-Dekontaminationsansätzen verringern.“

Hersteller von UV-Desinfektionsgeräten und Regulierungsbehörden können diese Ergebnisse nutzen, um Informationen darüber zu erhalten, wie lange Oberflächen in medizinischen Einrichtungen, Flugzeugen oder sogar Flüssigkeiten bestrahlt werden sollten, um eine Inaktivierung des SARS-CoV-2-Virus zu erreichen.

„Im Moment gibt es einen großen Schub, UVC-Desinfektion in die kommerzielle Atmosphäre zu bringen“, sagte NIST-Forscher Cameron Miller. „Langfristig wird diese Studie hoffentlich zu Standards und anderen Methoden zur Messung der UV-Dosis führen, die zur Inaktivierung von SARS-CoV-2 und anderen schädlichen Viren erforderlich ist.“

Dieses Projekt baute auf früheren Arbeiten auf, die das NIST-Team mit einem anderen Mitarbeiter zur Inaktivierung von Mikroorganismen in Wasser durchgeführt hatte.

Bring ein wenig Licht ins Dunkel

Je nach Wellenlänge schädigt UV-Licht Krankheitserreger auf unterschiedliche Weise. Einige Wellenlängen können die RNA oder DNA von Mikroben schädigen, wodurch sie die Fähigkeit zur Replikation verlieren. Andere Wellenlängen können Proteine ​​abbauen und das Virus selbst zerstören.

Obwohl die Desinfektionsfähigkeit von UV-Licht seit mehr als hundert Jahren bekannt ist, hat die UV-Desinfektionsforschung in den letzten zehn Jahren explodiert. Ein Grund dafür ist, dass traditionelle UV-Lichtquellen manchmal giftige Materialien wie Quecksilber enthalten. In letzter Zeit hat die Verwendung ungiftiger LED-Lampen als UV-Lichtquelle einige dieser Bedenken entkräftet.

Für diese Studie arbeiteten die NIST-Mitarbeiter mit Biologen von NBACC zusammen, deren Forschung die Bioverteidigungsplanung zu biologischen Bedrohungen wie Milzbrand und Ebola-Virus beeinflusst.

„Was NBACC tun konnte, war, das Virus zu züchten, es zu konzentrieren und alles andere zu entfernen“, sagte Miller. „Wir haben versucht, eine klare Botschaft darüber zu bekommen, wie viel Licht wir brauchen, um nur das SARS-CoV-2-Virus zu inaktivieren.“

In der Studie testete das Team das Virus in verschiedenen Suspensionen. Zusätzlich zur Verwendung des Speichelimitats legten die Wissenschaftler das Virus auch in Wasser, um zu sehen, was in einer „reinen“ Umgebung ohne Komponenten passiert, die es abschirmen könnten. Sie testeten ihre Virussuspensionen sowohl als Flüssigkeiten als auch als getrocknete Tröpfchen auf Stahloberflächen, die etwas darstellten, das eine infizierte Person niesen oder aushusten könnte.

Die Aufgabe von NIST bestand darin, das UV-Licht eines Lasers auf die Proben zu richten. Sie suchten nach der Dosis, die erforderlich ist, um 90 % des Virus abzutöten.

Mit diesem Aufbau war die Zusammenarbeit in der Lage zu messen, wie das Virus auf 16 verschiedene Wellenlängen reagiert, die vom sehr niedrigen Ende des UVC, 222 nm, bis hinauf in den mittleren Teil des sichtbaren Wellenlängenbereichs, bei 488 nm, reichen. Die Forscher schlossen die längeren Wellenlängen ein, da gezeigt wurde, dass einiges blaues Licht desinfizierende Eigenschaften hat.

Kein Stück Kuchen

Es war nicht trivial, das Laserlicht in einem sicheren Labor auf die Proben zu bringen. Forscher in einem BSL-3-Labor tragen Kittel und Hauben mit Atemschutzmasken. Beim Verlassen des Labors muss ausgiebig geduscht werden, bevor wieder Zivilkleidung angezogen wird.

Geräte wie der teure Laser des Teams hätten einer wesentlich strengeren Sterilisation unterzogen werden müssen.

„Es ist eine Art Einbahnstraße“, sagte Miller. „Alles, was aus diesem Labor kommt, muss entweder verbrannt oder autoklaviert werden [heat-sterilized], oder chemisch mit Wasserstoffperoxiddampf desinfiziert. Daher war die Übernahme unseres 120.000-Dollar-Lasers nicht die Option, die wir nutzen wollten.“

Stattdessen entwarfen die NIST-Forscher ein System, bei dem der Laser und einige der Optiken in einem Flur außerhalb des Labors standen. Sie leiteten das Licht durch ein 4 Meter langes Glasfaserkabel, das durch eine Dichtung unter einer Labortür führte. Unterdruck sorgte dafür, dass die Luft vom Flur ins Labor strömte und verhinderte, dass etwas wieder herausleckte.

Der Laser erzeugte jeweils nur eine Wellenlänge und war vollständig abstimmbar, sodass die Forscher jede gewünschte Wellenlänge erzeugen konnten. Da sich Licht jedoch je nach Wellenlänge in unterschiedlichen Winkeln beugt, mussten sie ein Prismensystem entwickeln, das den Winkel ändert, in dem das Licht in die Faser eindringt, damit es richtig ausgerichtet ist. Das Ändern des Austrittswinkels erforderte das manuelle Drehen eines von ihnen erstellten Knopfes, um die Position eines Prismas einzustellen. Sie haben versucht, alles so einfach wie möglich zu machen, mit einer minimalen Anzahl beweglicher Teile.

„Das Gerät, das das NIST-Team entwickelt hat, ermöglichte es uns, schnell einen sehr breiten Bereich unterschiedlicher Wellenlängen zu testen, alle in sehr kontrollierten und präzisen Wellenbändern“, sagte Schuit. „Wenn wir versucht hätten, die gleiche Anzahl von Wellenlängen ohne dieses System zu erreichen, hätten wir mit einer Reihe verschiedener Gerätetypen jonglieren müssen, von denen jedes Wellenbänder unterschiedlicher Breite erzeugt hätte. Sie hätten unterschiedliche Konfigurationen erfordert, und so weiter wären viele zusätzliche Variablen in der Mischung gewesen.“

Um das Licht zu manipulieren, waren Spiegel und Linsen erforderlich, aber die Forscher haben so wenig wie möglich verwendet, da jede einzelne zu einem Intensitätsverlust des UV-Lichts führt.

Für die Materialien, die das Labor betreten mussten, um das Licht von der Faser auf die Proben des COVID-Virus zu projizieren, versuchte das Team, kostengünstige Teile zu verwenden. „Wir haben viele Dinge in 3D gedruckt“, sagte NIST-Physiker Steve Grantham, ein wichtiges Mitglied des Teams zusammen mit Thomas Larason von NIST. „Also nichts war wirklich teuer und wenn wir es nie wieder benutzen, ist es keine große Sache.“

Sogar die Kommunikation zwischen dem Laserbereich und dem Inneren des Labors war schwierig, weil die Leute nicht nach Belieben ein- und ausgehen konnten, also verwendeten sie ein kabelgebundenes Intercom-System.

Trotz der Herausforderungen funktionierte das System überraschend gut, sagte Miller, insbesondere angesichts der Tatsache, dass sie nur Monate Zeit hatten, um es zusammenzustellen. „Es gibt ein paar Bereiche, in denen wir uns wahrscheinlich verbessern könnten, aber ich denke, unsere Gewinne wären minimal“, sagte Miller.

Das NIST-Team plant, dieses System für zukünftige Studien anderer Viren und Mikroorganismen zu verwenden, die Biologen in Hochsicherheitslabors möglicherweise durchführen möchten.

„Wenn das nächste Virus auftaucht oder an welchem ​​Krankheitserreger sie interessiert sind, müssen wir nur das Lasersystem dort oben rollen, eine Faser dort hineinschieben und sie verbinden es mit ihrem Projektorsystem“, sagte Miller . „So, jetzt sind wir bereit für das nächste Mal.“