Ein Photokatalysator, der aus einer Kombination von Nanoclustern aus Titandioxid (TiO2) und Kupferoxid (CuxO) hergestellt wird, inaktiviert verschiedene Varianten des neuartigen Coronavirus SARS-CoV-2. In einem kürzlichen Durchbruch haben Wissenschaftler der Nara Medical University, des Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology und des Tokyo Institute of Technology diesen antiviralen Photokatalysator entwickelt, der sich sowohl bei Dunkelheit als auch bei Innenlicht als wirksam erwiesen hat.
Das neuartige Coronavirus (SARS-CoV-2), das für die anhaltende COVID-19-Pandemie verantwortlich ist, hat Millionen von Menschen weltweit betroffen. Der Hauptübertragungsweg des Virus verläuft über Tröpfchen, die von infizierten Personen in die Luft abgegeben werden. Darüber hinaus existieren diese Tröpfchen auch auf verschiedenen Oberflächen. Virusinfektionen treten hauptsächlich in Innenräumen auf, in denen sich viele Menschen versammeln. Antivirale Chemikalien wie Alkohol und Wasserstoffperoxid werden häufig verwendet, um regelmäßig berührte Oberflächen zu dekontaminieren. Diese Chemikalien machen das Virus im Wesentlichen inaktiv, indem sie seine Proteine abbauen. Diese Chemikalien sind jedoch von Natur aus flüchtig und verdunsten daher. Daher muss der Desinfektionsprozess regelmäßig durchgeführt werden.
Jetzt in einer Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte, ein Forschungsteam der Nara Medical University, des Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology und des Tokyo Institute of Technology, hat einen Festkörper-Photokatalysator als alternative Abwehr gegen das Virus entwickelt. Im Gegensatz zu chemischen Desinfektionsmitteln sind Festkörperbeschichtungen seit langem und seit dem Ausbruch des Virus Gegenstand intensiver Forschung auf der ganzen Welt. Antivirale Festkörperbeschichtungen haben den Vorteil, dass sie ungiftig, reichlich vorhanden sowie chemisch und thermisch stabil sind.
Viele dieser Festkörperbeschichtungen verwenden TiO2-Photokatalysatoren, die bei Einwirkung von ultraviolettem (UV) Licht eine Oxidationsreaktion auslösen, die organische Stoffe wie die Spike-Proteine auf den Oberflächen von Coronaviren zerstören kann. Diese Beschichtungen werden jedoch nur aktiviert, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden, das in typischen Innenumgebungen nicht vorhanden ist. In den meisten Innenräumen wird die Beleuchtung normalerweise nachts ausgeschaltet; daher ist ein antivirales Material erwünscht, das unter dunklen Bedingungen funktioniert.
Damit die Beschichtung sowohl bei sichtbarem Licht als auch bei Dunkelheit funktioniert, entwickelte das Team einen Verbundstoff aus TiO2- und CuxO-Nanoclustern. CuxO-Nanocluster bestehen aus einem Oxid mit gemischter Wertigkeit, in dem Cu(I)- und Cu(II)-Spezies vorhanden sind. Die Cu(II)-Spezies in CuxO tragen zur durch sichtbares Licht gesteuerten Photokatalysereaktion bei, während die Cu(I)-Spezies eine entscheidende Rolle bei der Denaturierung von Virusproteinen spielen, wodurch sie unter dunklen Bedingungen inaktiviert werden.
Indem das CuxO/TiO2-Pulver auf ein Glas aufgetragen wurde, zeigte das Team, dass es sogar die hochvirulente Delta-Variante von SARS-CoV-2 inaktivieren kann. Das Team hat zusätzlich zum Wildtyp-Stamm auch die Inaktivierung von Alpha-, Beta- und Gamma-Varianten durch CuxO/TiO2 bestätigt.
Das Team untersuchte sorgfältig den antiviralen Mechanismus unter Verwendung von Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE), ELISA-Assay und RT-qPCR-Analyse. Diese Analysen deuten stark darauf hin, dass die Cu(I)-Spezies in CuxO Spike-Proteine denaturiert und auch unter dunklen Bedingungen eine RNA-Fragmentierung von SARS-CoV-2 verursacht. Darüber hinaus bewirkt die Bestrahlung mit weißem Licht die photokatalytische Oxidation der organischen Moleküle von SARS-CoV-2. Basierend auf diesem antiviralen Mechanismus ist das vorliegende antivirale Material nicht auf eine spezifische Variante des Virus beschränkt und wird wirksam sein, um verschiedene Arten eines potentiellen Mutantenstamms zu inaktivieren.
Weißlichtbeleuchtung wird in der vorliegenden Studie üblicherweise als Innenbeleuchtungsvorrichtung verwendet. Dies kann den CuxO/TiO2-Photokatalysator sehr effektiv bei der Reduzierung des Risikos einer COVID-19-Infektion in Innenräumen machen, die normalerweise periodisch sowohl Licht als auch Dunkelheit ausgesetzt sind.
Inaktivierung verschiedener Varianten von SARS-CoV-2 durch lichtempfindliche TiO2-basierte Photokatalysatoren für den Innenbereich, Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-09402-7