Wissenschaftler suchen nach den besten UV-Lampen zur Eliminierung von Coronaviren

Die Forschungszusammenarbeit zwischen dem NIST und dem DHS hat ergeben, welche UV-Wellenlängen am effektivsten zur Desinfektion des COVID-19-Virus sind. Um eine Oberfläche zu desinfizieren, können Sie sie mit ultraviolettem (UV-)Licht bestrahlen, das eine kürzere Wellenlänge als sichtbares blaues Licht aufweist. Doch welche Wellenlänge ist am besten geeignet, um SARS-CoV-2 (das Virus, das COVID-19 verursacht) spezifisch zu inaktivieren? Und wie viel Strahlung ist ausreichend?

Um diese Fragen zu beantworten, müssen Wissenschaftler zwei große Hindernisse überwinden. Erstens müssen sie das Virus vollständig von irrelevanten Substanzen in der Umgebung trennen. Zweitens müssen sie das Virus jeweils mit ultraviolettem Licht einer einzigen Wellenlänge bestrahlen und dabei die Änderungen am experimentellen Aufbau zwischen den Tests minimieren.

Eine aktuelle Studie hat beide Hindernisse überwunden und das bislang gründlichste Testverfahren abgeschlossen, wie verschiedene Wellenlängen von ultraviolettem und sichtbarem Licht SARS-CoV-2 beeinflussen. Diese Studie war eine Zusammenarbeit zwischen dem Nationalen Institut für Standards und Technologie (NIST) und dem Nationalen Zentrum für Analyse und Gegenmaßnahmen im Bereich der biologischen Verteidigung (NBACC), einem Labor der Direktion für Wissenschaft und Technologie des US-Heimatschutzministeriums (DHS).

In einer neuen, kürzlich in der Zeitschrift Applied Optics veröffentlichten Arbeit beschreiben die Mitarbeiter ein neuartiges System, das Licht mit einer einzigen Wellenlänge auf Proben des COVID-19-Virus in einem sicheren Labor projiziert. Das Labor ist als Biosicherheitsstufe 3 (BSL-3) eingestuft und dient der Erforschung von Mikroorganismen, die beim Einatmen tödlich sein können. Ihre Experimente testeten mehr Wellenlängen von ultraviolettem und sichtbarem Licht als jede andere Studie über das Virus, das COVID-19 verursacht, bis heute.

Fotos des Aufbaus. Links: Nahaufnahme im Inneren der Box mit dem Laser-zu-Faser-Kopplungssystem. Mitte: Lasersystem im Flur außerhalb der BSL-3-Tür. Rechts: Nahaufnahme des experimentellen Aufbaus im Inneren von BSL-3, einschließlich des Raums, in dem die SARS-CoV-2-Proben platziert sind. Quelle: NIST

Hat SARS-CoV-2 also besondere Schwachstellen? Es stellt sich heraus, dass dies nicht der Fall ist. Das SARS-CoV-2-Virus ist anfällig für UV-Licht bei den gleichen Wellenlängen wie andere Viren, etwa solche, die Influenza verursachen. Die effektivsten Wellenlängen liegen im „UVC“-Bereich zwischen 222 und 280 Nanometern (nm). UVC-Licht (gesamter Bereich von 200 bis 280 nm) hat kürzere Wellenlängen als UVB-Licht (280 bis 315 nm), das Sonnenbrand verursacht.

Wissenschaftler haben auch gezeigt, dass die Umgebung Viren schützen kann. In Experimenten war die erforderliche UV-Dosis, wenn Viren in reinem Wasser platziert wurden, geringer als wenn sie in simuliertem Speichel platziert wurden, der Salze, Proteine und andere Substanzen enthält, die im echten menschlichen Speichel vorkommen. Das Suspensieren von Viren in simuliertem Speichel schafft ein Szenario, das realen Situationen mit Niesen und Husten ähnelt . Dieses Detail könnte die Ergebnisse direkter aussagekräftiger machen als frühere Studien.

Michael Schuit vom NBACC sagte: „Ich denke, ein wichtiger Beitrag dieser Studie ist, dass wir zeigen konnten, dass die idealisierten Ergebnisse, die wir in den meisten Studien sehen, nicht immer vorhersagen, was unter realistischeren Bedingungen geschieht. Wenn Substanzen wie simulierte Speichel um Viren herum vorhanden sind, kann dies die Wirksamkeit von UV-Reinigungsmethoden verringern.“

Hersteller und Aufsichtsbehörden von UV-Desinfektionsgeräten können diese Ergebnisse nutzen, um zu bestimmen, wie lange Oberflächen in Gesundheitseinrichtungen, Transportfahrzeugen und sogar Flüssigkeiten bestrahlt werden sollten, um die Inaktivierung des SARS-CoV-2-Virus zu erreichen.

"Derzeit gibt es einen starken Schub, die UV-Desinfektion in kommerzielle Umgebungen einzuführen", sagt NIST-Forscher Cameron Miller. „Langfristig wird erwartet, dass diese Forschung zu Normen und anderen Methoden zur Messung der UV-Dosis führt, die zur Inaktivierung von SARS-CoV-2 und anderen schädlichen Viren erforderlich ist.“

Dieses Projekt baut auf früheren Arbeiten des NIST-Teams und eines weiteren Partners zur Inaktivierung von Mikroorganismen im Wasser auf.

Je nach Wellenlänge schädigt UV-Licht Krankheitserreger auf unterschiedliche Weise. Einige Wellenlängen können die RNA oder DNA von Mikroorganismen zerstören und sie so unfähig zur Replikation machen. Andere Wellenlängen können Proteine abbauen und das Virus selbst zerstören.

Obwohl die Desinfektionskraft von ultraviolettem Licht seit über einem Jahrhundert bekannt ist, hat die Forschung zur UV-Desinfektion im letzten Jahrzehnt ein explosives Wachstum erlebt. Ein Grund dafür ist, dass herkömmliche UV-Lichtquellen manchmal giftige Substanzen wie Quecksilber enthalten. In jüngster Zeit hat der Einsatz ungiftiger LED-Lampen als UV-Lichtquellen einige dieser Bedenken verringert.

In dieser Studie arbeiteten Mitarbeiter des NIST mit Biologen des NBACC zusammen, deren Forschung als Referenz für Programme zur biologischen Verteidigung gegen biologische Bedrohungen wie Anthrax und das Ebola-Virus dient.

"Was das NBACC tun kann, ist, das Virus zu kultivieren, es zu konzentrieren und alles andere zu entfernen", sagte Miller. „Wir versuchen, eine klare Aussage darüber zu erhalten, wie viel Licht wir benötigen, um das SARS-CoV-2-Virus zu inaktivieren.“

In dieser Studie testete das Team das Virus in verschiedenen Suspensionen. Zusätzlich zur Verwendung eines Speichelsimulants platzierten die Wissenschaftler das Virus auch in Wasser, um zu sehen, was in einer „reinen“ Umgebung passieren würde. Sie testeten die Virussuspensionen als Flüssigkeiten und als getrocknete Tröpfchen auf Stahloberflächen, was andere Substanzen darstellt, die eine infizierte Person beim Niesen oder Husten produzieren könnte.

Die Arbeit des NIST besteht darin, Proben mit ultraviolettem Licht von Lasern zu bestrahlen. Sie suchen nach der Dosis, die erforderlich ist, um 90 % der Viren abzutöten.

Mit diesem Gerät kann das Kooperationsprojekt die Reaktionen von Viren auf 16 verschiedene Wellenlängen messen, vom unteren Extrembereich des ultravioletten Lichts bei 222 nm bis zur Mitte des sichtbaren Spektrums bei 488 nm. Die Forscher haben längere Wellenlängen einbezogen, da nachgewiesen wurde, dass bestimmtes blaues Licht desinfizierende Eigenschaften hat.

Das Bestrahlen einer Probe mit einem Laser in einem sicheren Labor ist keine einfache Aufgabe. Forscher in Laboren der Biosicherheitsstufe 3 (BSL-3) tragen spezielle Anzüge und Hauben mit Atemschutzgeräten. Das Verlassen des Labors erfordert eine lange Dusche, bevor man in Alltagskleidung wechselt.

Teure Geräte wie Laser müssen ebenfalls einem ziemlich strengen Desinfektionsverfahren unterzogen werden.

"Es ist ein bisschen wie eine Einwegtür", sagte Miller. "Alles, was aus dem Labor kommt, muss verbrannt, autoklaviert [Hitzesterilisation] oder chemisch mit Wasserstoffperoxiddampf desinfiziert werden. Daher war es keine Option, die wir nutzen wollten, unseren 120.000-Dollar-Laser hineinzubringen."

Im Gegensatz dazu haben Forscher des NIST ein System entwickelt, bei dem der Laser und einige optische Komponenten im Flur außerhalb des Labors platziert werden. Sie leiten das Licht durch ein 4 Meter langes Glasfaserkabel zu einer abgedichteten Stelle unter der Labortür. Der Unterdruck sorgt dafür, dass Luft vom Flur in das Labor strömt und verhindert, dass Materialien zurück ins Labor gelangen.

Übersicht über den Aufbau der Forscher. Der Laser wird in einem Flur außerhalb des Labors platziert. Ein Glasfaserkabel leitet den Laser durch eine Öffnung unter der Tür in den Raum, in dem sich die SARS-CoV-2-Proben befinden.

Dieser Laser erzeugt jeweils nur eine Wellenlänge und ist vollständig abstimmbar, sodass Forscher jede gewünschte Wellenlänge erzeugen können. Da der Beugungswinkel des Lichts jedoch von seiner Wellenlänge abhängt, müssen sie ein Prismensystem erstellen, um den Winkel anzupassen, unter dem das Licht in die Glasfaser eintritt, um eine korrekte Ausrichtung zu gewährleisten. Das Ändern des Exportwinkels erfordert das manuelle Drehen eines von ihnen erstellten Knopfes, um die Position des Prismas anzupassen. Sie bemühten sich, diesen Prozess so einfach wie möglich zu gestalten, mit minimalen beweglichen Teilen.

Schuit sagte: „Das vom NIST-Team entwickelte Gerät ermöglicht es uns, einen sehr breiten Bereich unterschiedlicher Wellenlängen schnell zu testen, alles in hochkontrollierten und präzisen Bändern. Wenn wir versuchten, die gleiche Anzahl von Wellenlängen ohne dieses System zu testen, müssten wir eine Vielzahl verschiedener Gerätetypen debuggen, wobei jedes Bänder unterschiedlicher Breite erzeugt. Sie würden unterschiedliche Konfigurationen erfordern und viele zusätzliche Variablen einführen.“

Die Manipulation von Licht erfordert Spiegel und Linsen, aber Forscher setzen sie im Design so sparsam wie möglich ein, da jede einzelne zu einem Verlust der UV-Intensität führt.

Für Materialien, die erfordern, dass Licht aus Glasfasern im Labor auf Virusproben gelenkt wird, versuchte das Team, kostengünstige Komponenten zu verwenden. „Wir haben viele Dinge im 3D-Druck hergestellt“, sagte Steve Grantham, Physiker am NIST, der zusammen mit Thomas Larason vom NIST ein Schlüsselmitglied des Teams war. „Also ist nichts wirklich teuer, und wenn wir es nicht mehr verwenden, ist das kein großes Problem.“

Selbst die Kommunikation zwischen dem Laserbereich und dem Inneren des Labors war schwierig, da Personen nicht nach Belieben ein- und ausgehen konnten, daher wurde ein kabelgebundenes Gegensprechanlagensystem eingesetzt.

Miller sagte, dass das System trotz dieser Herausforderungen überraschend gut funktionierte, insbesondere angesichts der Tatsache, dass sie nur wenige Monate Zeit hatten, es zusammenzubauen. „Es gibt einige Bereiche, die wir potenziell verbessern könnten“, sagte Miller, „aber ich denke, unsere Gewinne wären minimal.“

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

Miller sagte: „Wenn das nächste Virus oder ein anderer für sie interessanter Erreger auftritt, müssen wir nur das Lasersystem dorthin bringen, ein Glasfaserkabel verlegen und sie werden es an ihr Projektionssystem anschließen. Wir sind also jetzt für das nächste Mal bereit.“

Diese Arbeit wurde teilweise vom Direktorat für Wissenschaft und Technologie des Ministeriums für Innere Sicherheit finanziert.

Quelle: cnBeta