العلماء يبحثون عن أفضل مصابيح الأشعة فوق البنفسجية للقضاء على فيروسات كورونا

يكشف التعاون البحثي بين المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) ووزارة الأمن الداخلي الأمريكية (DHS) عن أطوال الموجات فوق البنفسجية الأكثر فعالية في تعقيم فيروس كوفيد-19. لتعقيم سطح ما، يمكنك تعريضه للأشعة فوق البنفسجية (UV)، التي تتميز بطول موجي أقصر من الضوء الأزرق المرئي. ولكن لتعطيل فيروس سارس-كوف-2 (SARS-CoV-2) المسبب لكوفيد-19 بشكل خاص، أي طول موجي هو الأفضل؟ وما مقدار الإشعاع الكافي؟

للإجابة على هذه الأسئلة، يجب على العلماء التغلب على عقبتين رئيسيتين. أولاً، يحتاجون إلى فصل الفيروس تمامًا عن المواد غير ذات الصلة في البيئة. ثانيًا، يجب عليهم تعريض الفيروس للأشعة فوق البنفسجية ذات طول موجي واحد في كل مرة، مع تقليل التغييرات في الإعداد التجريبي بين الاختبارات إلى الحد الأدنى.

تغلبت دراسة حديثة على هذين العقبتين، وأكملت ما قد يكون الاختبار الأكثر شمولاً حتى الآن حول كيفية تأثير عدة أطوال موجية مختلفة من الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي على فيروس SARS-CoV-2. كانت هذه الدراسة تعاونًا بين المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ومركز التحليل الوطني للدفاع البيولوجي والتدابير المضادة (NBACC)، وهو مختبر تابع لمديرية العلوم والتكنولوجيا بوزارة الأمن الداخلي الأمريكية (DHS).

في ورقة جديدة نُشرت مؤخرًا في مجلة Applied Optics، يصف المتعاونون نظامًا مبتكرًا يسقط ضوءًا أحادي الطول الموجي على عينات من فيروس COVID-19 في مختبر آمن. يُصنف المختبر كمستوى أمان حيوي 3 (BSL-3) ومصمم لدراسة الكائنات الحية الدقيقة التي قد تكون قاتلة إذا تم استنشاقها. اختبرت تجاربهم أطوالًا موجية أكثر من الضوء فوق البنفسجي والمرئي مقارنة بأي دراسة أخرى حول الفيروس المسبب لـ COVID-19 حتى الآن.

صور الإعداد. اليسار: لقطة مقربة من داخل الصندوق الذي يحتوي على نظام اقتران الليزر بالألياف الضوئية. الوسط: نظام الليزر في الممر خارج باب مختبر السلامة الأحيائية من المستوى 3 (BSL-3). اليمين: لقطة مقربة للإعداد التجريبي داخل مختبر السلامة الأحيائية من المستوى 3 (BSL-3)، بما في ذلك الغرفة التي توضع فيها عينات فيروس SARS-CoV-2. المصدر: المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST)

إذن، هل لدى SARS-CoV-2 نقاط ضعف خاصة؟ اتضح أنه لا يوجد شيء مميز. فيروس SARS-CoV-2 حساس للأشعة فوق البنفسجية عند نفس الأطوال الموجية مثل الفيروسات الأخرى، مثل تلك التي تسبب الإنفلونزا. أكثر الأطوال الموجية فعالية هي في نطاق "UVC"، بين 222 و280 نانومتر (nm). ضوء UVC (النطاق الكامل من 200 إلى 280 نانومتر) له أطوال موجية أقصر من ضوء UVB (280 إلى 315 نانومتر)، الذي يسبب حروق الشمس.

أظهر العلماء أيضًا أن البيئة المحيطة يمكن أن تحمي الفيروسات. في التجارب، كانت جرعة الأشعة فوق البنفسجية المطلوبة عند وضع الفيروسات في ماء نقي أقل مما كانت عليه عند وضعها في لعاب محاكى، والذي يحتوي على أملاح وبروتينات ومواد أخرى موجودة في اللعاب البشري الحقيقي. إن تعليق الفيروسات في لعاب محاكى يخلق سيناريو مشابهًا للمواقف الواقعية التي تتضمن العطس والسعال . قد تجعل هذه التفاصيل النتائج أكثر إفادة مباشرة من الدراسات السابقة.

قال مايكل شويت من NBACC: "أعتقد أن إحدى المساهمات الرئيسية لهذه الدراسة هي أننا تمكنا من إظهار أن النتائج المثالية التي نراها في معظم الدراسات لا تتنبأ دائمًا بما يحدث في ظل ظروف أكثر واقعية. عندما تكون هناك مواد مثل اللعاب المحاكي حول الفيروسات، فقد يقلل ذلك من فعالية طرق التطهير بالأشعة فوق البنفسجية."

يمكن لمصنعي ومنظمي أجهزة التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية استخدام هذه النتائج للمساعدة في تحديد المدة التي يجب فيها تعريض الأسطح في المرافق الصحية ومركبات النقل وحتى السوائل للإشعاع لتحقيق تعطيل فيروس SARS-CoV-2.

"هناك الآن زخم كبير لإدخال التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية إلى البيئات التجارية"، يقول الباحث في المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) كاميرون ميلر. "على المدى الطويل، يُؤمل أن تؤدي هذه الأبحاث إلى وضع معايير وطرق أخرى لقياس جرعة الأشعة فوق البنفسجية اللازمة لتعطيل فيروس SARS-CoV-2 والفيروسات الضارة الأخرى."

يستند هذا المشروع إلى العمل السابق الذي قام به فريق المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) ومتعاون آخر بشأن تعطيل الكائنات الحية الدقيقة في المياه.

اعتمادًا على الطول الموجي، يتسبب الضوء فوق البنفسجي في إتلاف مسببات الأمراض بطرق مختلفة. يمكن لبعض الأطوال الموجية تدمير الحمض النووي الريبي (RNA) أو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) للكائنات الدقيقة، مما يجعلها غير قادرة على التكاثر. ويمكن لأطوال موجية أخرى تحطيم البروتينات، مما يؤدي إلى تدمير الفيروس نفسه.

على الرغم من أن القدرة التعقيمية للأشعة فوق البنفسجية معروفة منذ أكثر من قرن، إلا أن أبحاث التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية شهدت نمواً هائلاً في العقد الماضي. أحد الأسباب هو أن مصادر الضوء التقليدية للأشعة فوق البنفسجية تحتوي أحياناً على مواد سامة مثل الزئبق. مؤخراً، ساهم استخدام مصابيح LED غير السامة كمصادر للضوء فوق البنفسجي في التخفيف من بعض هذه المخاوف.

في هذه الدراسة، عمل متعاونو المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) مع علماء الأحياء في المركز الوطني لتقييم ومواجهة التهديدات البيولوجية (NBACC)، حيث توفر أبحاثهم مرجعًا لبرامج الدفاع البيولوجي ضد التهديدات البيولوجية مثل الجمرة الخبيثة وفيروس إيبولا.

"ما يمكن أن يفعله NBACC هو زراعة الفيروس، وتركيزه، وإزالة كل شيء آخر"، قال ميلر. "نحن نحاول الحصول على رسالة واضحة حول مقدار الضوء الذي نحتاجه لتعطيل فيروس SARS-CoV-2."

في هذه الدراسة، اختبر الفريق الفيروس في معلقات مختلفة. بالإضافة إلى استخدام محاكي اللعاب، وضع العلماء الفيروس أيضًا في الماء لمعرفة ما سيحدث في بيئة "نقية". اختبروا المعلقات الفيروسية كسوائل وكقطرات مجففة على أسطح فولاذية، مما يمثل مواد أخرى قد ينتجها الشخص المصاب عند العطس أو السعال.

يعمل المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) على تعريض العينات للأشعة فوق البنفسجية من الليزر. إنهم يبحثون عن الجرعة اللازمة للقضاء على 90% من الفيروسات.

باستخدام هذا الجهاز، يمكن للمشروع التعاوني قياس استجابات الفيروسات لـ 16 طولًا موجيًا مختلفًا، بدءًا من الطرف الأدنى للأشعة فوق البنفسجية، أي 222 نانومتر، وحتى الجزء الأوسط من الطيف المرئي، أي 488 نانومتر. أدرج الباحثون أطوالًا موجية أطول لأن بعض الضوء الأزرق ثبت أن له خصائص مطهرة.

تسليط الليزر على عينة في مختبر آمن ليس بالأمر السهل. يرتدي الباحثون في مختبرات مستوى السلامة البيولوجية 3 (BSL-3) بدلات خاصة وأغطية رأس مزودة بأجهزة تنفس. يتطلب مغادرة المختبر أخذ حمام طويل قبل تغيير الملابس إلى ملابس يومية.

ستخضع المعدات باهظة الثمن مثل أجهزة الليزر أيضًا لإجراء تعقيم صارم إلى حد ما.

"إنها تشبه إلى حد ما بابًا باتجاه واحد"، قال ميلر. "أي شيء يخرج من المختبر يجب حرقه، أو تعقيمه بالبخار المضغوط [التعقيم الحراري]، أو تطهيره كيميائيًا ببخار بيروكسيد الهيدروجين. لذلك، لم يكن إدخال ليزرنا الذي تبلغ قيمته 120,000 دولار خيارًا نريد استخدامه."

على العكس من ذلك، صمم باحثو المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) نظامًا يضع الليزر وبعض المكونات البصرية في الممر خارج المختبر. ينقلون الضوء عبر كابل ألياف بصرية بطول 4 أمتار إلى نقطة محكمة الإغلاق تحت باب المختبر. يتسبب الضغط السلبي في تدفق الهواء من الممر إلى المختبر، مما يمنع أي مواد من التسرب مرة أخرى إلى المختبر.

نظرة عامة على إعداد الباحثين. يتم وضع الليزر في ممر خارج المختبر. يقوم كابل الألياف الضوئية بتوجيه الليزر عبر فتحة تحت الباب إلى الغرفة حيث توجد عينات SARS-CoV-2.

يولد هذا الليزر طولًا موجيًا واحدًا فقط في كل مرة وهو قابل للضبط بالكامل، مما يسمح للباحثين بإنتاج أي طول موجي يرغبون فيه. ومع ذلك، نظرًا لأن زاوية انحناء الضوء تعتمد على طوله الموجي، يجب عليهم إنشاء نظام منشوري لضبط الزاوية التي يدخل بها الضوء إلى الألياف البصرية لتحقيق المحاذاة الصحيحة. يتطلب تغيير زاوية التصدير تدوير مقبض يدوي قاموا بإنشائه لضبط موضع المنشور. لقد سعوا لجعل هذه العملية بسيطة قدر الإمكان، مع الحد الأدنى من الأجزاء المتحركة.

قال شويت: "إن الجهاز الذي ابتكره فريق المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) يمكّننا من اختبار نطاق واسع جداً من الأطوال الموجية المختلفة بسرعة، وكل ذلك ضمن نطاقات مضبوطة ودقيقة للغاية. لو حاولنا اختبار نفس العدد من الأطوال الموجية دون ذلك النظام، لاضطررنا إلى استكشاف أخطاء مجموعة كبيرة من أنواع المعدات المختلفة، حيث ينتج كل منها نطاقات بعروض متفاوتة. كانت ستتطلب تكوينات مختلفة، مما كان سيقدم العديد من المتغيرات الإضافية."

تتطلب معالجة الضوء مرايا وعدسات، لكن الباحثين يستخدمونها بأقل قدر ممكن في التصميم، لأن كل منها يتسبب في فقدان شدة الأشعة فوق البنفسجية.

بالنسبة للمواد التي تتطلب توجيه الضوء من الألياف البصرية إلى عينات الفيروس في المختبر، حاول الفريق استخدام مكونات رخيصة. قال ستيف غرانثام، الفيزيائي في المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST)، والذي كان مع توماس لاراسون من المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) عضوًا رئيسيًا في الفريق: "لقد قمنا بالطباعة ثلاثية الأبعاد للكثير من الأشياء. لذا، لا يوجد شيء باهظ الثمن حقًا، وإذا لم نعد نستخدمه، فليست مشكلة كبيرة."

حتى التواصل بين منطقة الليزر وداخل المختبر كان صعبًا، حيث لا يمكن للأشخاص الدخول أو الخروج بحرية، لذلك اعتمدوا نظام اتصال داخلي سلكي.

قال ميلر إنه على الرغم من هذه التحديات، عمل النظام بشكل جيد بشكل مفاجئ، خاصة بالنظر إلى أنهم لم يكن لديهم سوى بضعة أشهر لتجميعه. قال ميلر: "هناك بعض المجالات التي يمكننا تحسينها، لكنني أعتقد أن مكاسبنا ستكون ضئيلة."

تخطط فريق المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) لاستخدام هذا النظام في الدراسات المستقبلية للفيروسات والكائنات الدقيقة الأخرى التي قد يرغب علماء الأحياء في المختبرات عالية الأمان في دراستها.

قال ميلر: "عندما يظهر الفيروس التالي، أو أي ممرض يهمهم، كل ما نحتاج إلى فعله هو نقل نظام الليزر إلى هناك، ومد كابل الألياف الضوئية، وسيقومون بتوصيله بنظام العرض الخاص بهم. لذا نحن الآن مستعدون للمرة القادمة."

تم تمويل هذا العمل جزئيًا من قبل مديرية العلوم والتكنولوجيا التابعة لوزارة الأمن الداخلي.

المصدر: cnBeta