At bestemme, hvilke bølgelængder af UV-lys der fungerer bedst til COVID-19-virusdesinfektion

For at desinficere en overflade kan du oplyse den med et blæst af ultraviolet (UV) lys, som er mere blåt, end det menneskelige øje kan se. Men for specifikt at inaktivere SARS-CoV-2, den virus, der forårsager COVID-19, hvilke bølgelængder er bedst? Og hvor meget stråling er nok?

At besvare disse spørgsmål kræver, at videnskabsmænd overvinder to hovedforhindringer. Først skal de adskille virussen fuldstændigt fra fremmede stoffer i miljøet. For det andet skal de belyse virussen med en enkelt bølgelængde af UV-lys ad gangen, med minimale ændringer i den eksperimentelle opsætning mellem testene.

Et nyligt samarbejde mellem National Institute of Standards and Technology (NIST) og National Biodefense Analysis and Countermeasures Center (NBACC), et laboratorium fra det amerikanske Department of Homeland Security Science and Technology Directorate, overvandt begge disse forhindringer og fuldførte, hvad der måske er den mest grundige test nogensinde udført af, hvordan flere forskellige UV og synlige bølgelængder påvirker SARS-CoV-2.

I et nyt papir offentliggjort i denne uge i Applied Optics , beskriver samarbejdspartnerne deres nye system til at projicere en enkelt bølgelængde af lys ad gangen på en prøve af COVID-19-virus i et sikkert laboratorium. Klassificeret som Biosikkerhedsniveau 3 (BSL-3), er laboratoriet designet til at studere mikrober, der er potentielt dødelige ved indånding. Deres eksperiment testede flere bølgelængder af UV og synligt lys end nogen anden undersøgelse med den virus, der til dato forårsager COVID-19.

Så hvad er SARS-CoV-2's kryptonit? Som det viser sig, er der ikke noget særligt:​​Virussen er modtagelig for de samme bølgelængder af UV-lys som andre vira, såsom dem, der forårsager influenza. De mest effektive bølgelængder var dem i "UVC"-området mellem 222 og 280 nanometer (nm). UVC-lys (fuldt område fra 200 til 280 nm) er kortere end de UVB-bølgelængder (280 til 315 nm), der forårsager solskoldning.

Forskere viste også, at virussens omgivelser kan have en beskyttende effekt på virussen. I undersøgelsen krævede det en mindre UV-dosis at inaktivere vira, når de blev anbragt i rent vand, end når de blev anbragt i simuleret spyt, som indeholder salte, proteiner og andre stoffer, der findes i faktisk menneskespyt. Suspendering af virussen i simuleret spyt skaber en situation, der ligner den virkelige verden, der involverer nys og hoste. Dette kan gøre resultaterne mere direkte informative end resultaterne fra tidligere undersøgelser.

"Jeg tror, ​​at et af de store bidrag fra denne undersøgelse er, at vi var i stand til at vise, at den slags idealiserede resultater, vi ser i de fleste undersøgelser, ikke altid forudsiger, hvad der sker, når der er et mere realistisk scenarie på spil," sagde Michael Schuit fra NBACC. "Når du har materiale som det simulerede spyt omkring virussen, kan det reducere effektiviteten af ​​UV-dekontamineringsmetoder."

Producenter af UV-desinfektionsanordninger og regulatorer kan bruge disse resultater til at hjælpe med at informere, hvor længe overflader i medicinske omgivelser, flyvemaskiner eller endda væsker skal bestråles for at opnå inaktivering af SARS-CoV-2-virussen.

"Lige nu er der et stort skub for at få UVC-desinfektion ind i den kommercielle atmosfære," sagde NIST-forsker Cameron Miller. "Langsigtet vil denne undersøgelse forhåbentlig føre til standarder og andre metoder til måling af UV-dosis, der kræves for at inaktivere SARS-CoV-2 og andre skadelige vira."

Dette projekt byggede på tidligere arbejde, som NIST-teamet udførte sammen med en anden samarbejdspartner om inaktivering af mikroorganismer i vand.

Smid lidt lys

Afhængigt af bølgelængden beskadiger UV-lys patogener på forskellige måder. Nogle bølgelængder kan beskadige mikrobernes RNA eller DNA, hvilket får dem til at miste evnen til at replikere. Andre bølgelængder kan nedbryde proteiner og ødelægge selve virussen.

Selvom folk har kendt til UV-lysets desinfektionsevne i mere end hundrede år, har der været en eksplosion i UV-desinfektionsforskningen i det sidste årti. En grund er, at traditionelle kilder til UV-lys nogle gange indeholder giftige materialer såsom kviksølv. For nylig har brugen af ​​ugiftige LED-lamper som UV-lyskilde afbødet nogle af disse bekymringer.

Til denne undersøgelse arbejdede NIST-samarbejdspartnerne med biologer ved NBACC, hvis forskning informerer bioforsvarsplanlægning om biologiske trusler såsom miltbrand og ebolavirus.

"Hvad NBACC var i stand til var at dyrke virussen, koncentrere den og fjerne alt andet," sagde Miller. "Vi forsøgte at få en klar besked om, hvor meget lys vi skal bruge for at inaktivere netop SARS-CoV-2-virussen."

I undersøgelsen testede holdet virussen i forskellige suspensioner. Ud over at bruge spytmimikeren satte forskerne også virussen i vand for at se, hvad der skete i et "rent" miljø uden komponenter, der kunne beskytte det. De testede deres virussuspensioner både som væsker og som tørrede dråber på ståloverflader, som repræsenterede noget, som en inficeret person kunne nyse eller hoste ud.

NISTs opgave var at rette UV-lyset fra en laser ind på prøverne. De ledte efter den nødvendige dosis for at dræbe 90 % af virussen.

Med dette setup var samarbejdet i stand til at måle, hvordan virussen reagerede på 16 forskellige bølgelængder, der spænder fra den meget lave ende af UVC, 222 nm, helt op i den midterste del af det synlige bølgelængdeområde, ved 488 nm. Forskere inkluderede de længere bølgelængder, fordi noget blåt lys har vist sig at have desinficerende egenskaber.

Ingen stykke kage

At få laserlyset på prøverne i et sikkert laboratorium var ikke trivielt. Forskere i et BSL-3-laboratorium bærer scrubs og hætter med åndedrætsværn. At forlade laboratoriet kræver et langt brusebad, før man skifter tilbage til civilt tøj.

Udstyr såsom holdets dyre laser ville have skullet gennemgå en betydeligt mere alvorlig steriliseringsprocedure.

"Det er en slags envejsdør," sagde Miller. "Alt, der kommer ud af laboratoriet, skal enten forbrændes, autoklaveres [varmesteriliseret] eller kemisk desinficeres med hydrogenperoxiddamp. Så at tage vores laser på 120.000 $ var ikke den mulighed, vi ønskede at bruge."

I stedet designede NIST-forskerne et system, hvor laseren og noget af optikken stod i en gang uden for laboratoriet. De ledte lyset gennem et 4 meter langt fiberoptisk kabel, der gik gennem en tætning under en laboratoriedør. Negativt tryk holdt luften strømme fra gangen ind i laboratoriet og forhindrede noget i at lække ud igen.

Laseren producerede en enkelt bølgelængde ad gangen og var fuldt indstillelig, så forskerne kunne producere enhver bølgelængde, de kunne lide. Men fordi lys bøjes i forskellige vinkler afhængigt af dets bølgelængde, var de nødt til at skabe et prismesystem, der ændrede den vinkel, hvormed lyset trængte ind i fiberen, så det rettede sig rigtigt op. Ændring af udgangsvinklen involverede manuelt at dreje en knap, de skabte for at justere positionen af ​​et prisme. De forsøgte at gøre det hele så enkelt som muligt med et minimalt antal bevægelige dele.

"Den enhed, som NIST-teamet kom med, gjorde det muligt for os hurtigt at teste en meget bred vifte af forskellige bølgelængder, alt sammen med meget kontrollerede og præcise bølgebånd," sagde Schuit. "Hvis vi prøvede at lave det samme antal bølgelængder uden det system, ville vi have været nødt til at jonglere med en masse forskellige typer enheder, som hver især ville have produceret bølgebånd af forskellig bredde. De ville have krævet forskellige konfigurationer, og der ville have været en masse yderligere variabler i blandingen."

At manipulere lyset krævede spejle og linser, men forskerne designede det til at bruge så få som muligt, fordi hver enkelt fører til et tab i intensitet for UV-lys.

For de materialer, der skulle ind i laboratoriet for at projicere lyset fra fiberen på prøverne af COVID-virus, forsøgte holdet at bruge billige dele. "Vi 3D-printede en masse ting," sagde NIST-fysiker Steve Grantham, et nøglemedlem af teamet sammen med NISTs Thomas Larason. "Så intet var virkelig dyrt, og hvis vi aldrig bruger det igen, er det ikke en big deal."

Selv at kommunikere mellem laserområdet og indersiden af ​​laboratoriet var vanskelig, fordi folk ikke kunne gå ind og ud, som de ville, så de brugte et kablet samtaleanlæg.

På trods af udfordringerne fungerede systemet overraskende godt, sagde Miller, især i betragtning af at de kun havde måneder til at sætte det sammen. "Der er et par områder, vi sandsynligvis kunne forbedre os på, men jeg tror, ​​at vores gevinster ville være minimale," sagde Miller.

NIST-teamet planlægger at bruge dette system til fremtidige undersøgelser af andre vira og mikroorganismer, som biologer på højsikkerhedslaboratorier måske ønsker at udføre.

"Når den næste virus kommer, eller hvilket patogen de er interesseret i, er alt, hvad vi skal gøre, at rulle lasersystemet derop, skubbe en fiber derned, og de vil forbinde det til deres projektorsystem," sagde Miller . "Så nu er vi klar til næste gang." + Udforsk yderligere

Ny undersøgelse beviser korrekt dosering til ultraviolet desinfektion mod COVID