Ученые ищут лучшие УФ-лампы для уничтожения коронавирусов

Исследовательское сотрудничество между NIST и DHS выявило, какие длины волн ультрафиолетового излучения наиболее эффективны для дезинфекции вируса COVID-19. Для дезинфекции поверхности можно подвергнуть её воздействию ультрафиолетового (УФ) света, длина волны которого короче, чем у видимого синего света. Но какая длина волны лучше всего подходит для инактивации именно SARS-CoV-2 (вируса, вызывающего COVID-19)? И какое количество излучения является достаточным?

Чтобы ответить на эти вопросы, ученым необходимо преодолеть два основных препятствия. Во-первых, им нужно полностью отделить вирус от посторонних веществ в окружающей среде. Во-вторых, они должны облучать вирус ультрафиолетовым светом с одной длиной волны за раз, сводя к минимуму изменения в экспериментальной установке между тестами.

Недавнее исследование преодолело оба препятствия, завершив, возможно, самое тщательное на сегодняшний день тестирование того, как различные длины волн ультрафиолетового и видимого света влияют на SARS-CoV-2. Это исследование было результатом сотрудничества между Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Национальным центром анализа биозащиты и контрмер (NBACC), лабораторией Директората по науке и технологиям Министерства внутренней безопасности США (DHS).

В новой статье, недавно опубликованной в журнале Applied Optics, соавторы описывают новую систему, которая проецирует свет с одной длиной волны на образцы вируса COVID-19 в защищенной лаборатории. Лаборатория классифицируется как уровень биобезопасности 3 (BSL-3) и предназначена для изучения микроорганизмов, которые могут быть смертельными при вдыхании. Их эксперименты протестировали больше длин волн ультрафиолетового и видимого света, чем любое другое исследование вируса, вызывающего COVID-19, на сегодняшний день.

Фотографии установки. Слева: Крупный план внутренней части коробки с системой сопряжения лазера и оптического волокна. В центре: Лазерная система в коридоре за дверью лаборатории BSL-3. Справа: Крупный план экспериментальной установки внутри лаборатории BSL-3, включая помещение, где размещаются образцы SARS-CoV-2. Источник: NIST

Итак, есть ли у SARS-CoV-2 какие-либо особые слабые места? Оказывается, нет. Вирус SARS-CoV-2 подвержен воздействию УФ-излучения на тех же длинах волн, что и другие вирусы, например, вызывающие грипп. Наиболее эффективные длины волн находятся в диапазоне «UVC» — от 222 до 280 нанометров (nm). Свет UVC (полный диапазон от 200 до 280 nm) имеет более короткие длины волн, чем свет UVB (280–315 nm), который вызывает солнечные ожоги.

Ученые также показали, что окружающая среда может защищать вирусы. В экспериментах доза УФ-излучения, необходимая при помещении вирусов в чистую воду, была ниже, чем при помещении их в имитированную слюну, которая содержит соли, белки и другие вещества, присутствующие в реальной человеческой слюне. Суспендирование вирусов в имитированной слюне создает сценарий, аналогичный реальным ситуациям, связанным с чиханием и кашлем . Эта деталь может сделать результаты более непосредственно информативными по сравнению с предыдущими исследованиями.

Майкл Шуйт из NBACC сказал: «Я думаю, что важным вкладом этого исследования является то, что мы смогли показать: идеализированные результаты, которые мы видим в большинстве исследований, не всегда предсказывают, что происходит в более реалистичных условиях. Когда вокруг вирусов присутствуют такие вещества, как имитированная слюна, это может снизить эффективность методов УФ-очистки.»

Производители и регулирующие органы оборудования для УФ-дезинфекции могут использовать эти результаты, чтобы определить, как долго следует облучать поверхности в медицинских учреждениях, транспортных средствах и даже жидкости для достижения инактивации вируса SARS-CoV-2.

"Сейчас наблюдается значительный импульс к внедрению УФ-дезинфекции в коммерческую среду", — говорит исследователь NIST Кэмерон Миллер. «В долгосрочной перспективе ожидается, что это исследование приведет к стандартам и другим методам измерения дозы УФ-излучения, необходимой для инактивации SARS-CoV-2 и других вредных вирусов».

Этот проект основан на более ранних работах команды NIST и другого партнера по инактивации микроорганизмов в воде.

В зависимости от длины волны ультрафиолетовый свет по-разному повреждает патогены. Некоторые длины волн могут разрушать РНК или ДНК микроорганизмов, лишая их способности к размножению. Другие длины волн могут расщеплять белки, уничтожая сам вирус.

Хотя дезинфицирующая способность ультрафиолетового излучения известна уже более ста лет, в последнее десятилетие исследования в области УФ-дезинфекции пережили взрывной рост. Одна из причин заключается в том, что традиционные источники УФ-излучения иногда содержат токсичные вещества, такие как ртуть. В последнее время использование нетоксичных светодиодных ламп LED в качестве источников УФ-излучения позволило снизить некоторые из этих опасений.

В ходе этого исследования сотрудники NIST сотрудничали с биологами из NBACC, чьи исследования служат ориентиром для программ биозащиты от биологических угроз, таких как сибирская язва и вирус Эбола.

"То, что может сделать NBACC, — это культивировать вирус, концентрировать его и удалять всё остальное", — сказал Миллер. «Мы пытаемся получить четкое представление о том, сколько света нам нужно для инактивации вируса SARS-CoV-2.»

В этом исследовании команда тестировала вирус в различных суспензиях. Помимо использования имитатора слюны, ученые также помещали вирус в воду, чтобы посмотреть, что произойдет в «чистой» среде. Они тестировали вирусные суспензии в виде жидкостей и высушенных капель на стальных поверхностях, что представляет другие вещества, которые может выделять инфицированный человек при чихании или кашле.

Работа NIST заключается в воздействии ультрафиолетового излучения лазеров на образцы. Они ищут дозу, необходимую для уничтожения 90% вирусов.

С помощью этого устройства совместный проект может измерять реакцию вирусов на 16 различных длин волн: от крайнего нижнего диапазона ультрафиолетового излучения (222 нм) до середины видимого спектра (488 нм). Исследователи включили более длинные волны, поскольку было доказано, что некоторый синий свет обладает дезинфицирующими свойствами.

Направление лазера на образец в защищённой лаборатории — непростая задача. Исследователи в лабораториях уровня биобезопасности 3 (BSL-3) носят специальные костюмы и капюшоны с респираторами. Для выхода из лаборатории необходимо принять длительный душ, прежде чем переодеться в повседневную одежду.

Дорогое оборудование, такое как лазеры, также должно будет пройти довольно строгую процедуру дезинфекции.

"Это немного похоже на дверь с односторонним движением", — сказал Миллер. «Все, что выходит из лаборатории, должно быть сожжено, автоклавировано [термическая стерилизация] или химически дезинфицировано паром перекиси водорода. Поэтому внесение нашего лазера стоимостью 120 000 долларов не было вариантом, который мы хотели бы использовать.»

Напротив, исследователи из NIST разработали систему, в которой лазер и некоторые оптические компоненты размещены в коридоре за пределами лаборатории. Они передают свет через волоконно-оптический кабель длиной 4 метра к герметичному участку под дверью лаборатории. Отрицательное давление заставляет воздух поступать из коридора в лабораторию, предотвращая утечку любых материалов обратно в лабораторию.

Обзор установки исследователей. Лазер размещен в коридоре за пределами лаборатории. Оптоволоконный кабель направляет лазер через отверстие под дверью в помещение, где находятся образцы SARS-CoV-2.

Этот лазер генерирует только одну длину волны за раз и полностью настраиваемый, что позволяет исследователям получать любую желаемую длину волны. Однако, поскольку угол изгиба света зависит от его длины волны, им необходимо создать систему призм для регулировки угла входа света в оптическое волокно для правильной юстировки. Изменение угла экспорта требует ручного поворота созданной ими ручки для регулировки положения призмы. Они стремились сделать этот процесс максимально простым, с минимальным количеством движущихся частей.

Шуит сказал: «Устройство, разработанное командой NIST, позволяет нам быстро тестировать очень широкий спектр различных длин волн, все в пределах строго контролируемых и точных диапазонов. Если бы мы попытались протестировать такое же количество длин волн без этой системы, нам пришлось бы отлаживать множество различных типов оборудования, каждое из которых генерирует диапазоны разной ширины. Они требовали бы разных конфигураций, что внесло бы множество дополнительных переменных.»

Для управления светом требуются зеркала и линзы, но исследователи используют их в конструкции как можно реже, поскольку каждая из них приводит к потере интенсивности УФ-излучения.

Для материалов, требующих направления света от оптических волокон на образцы вирусов в лаборатории, команда попыталась использовать недорогие компоненты. «Мы много печатали на 3D-принтере», — сказал Стив Грантем, физик из NIST, который вместе с Томасом Ларасоном из NIST был ключевым членом команды. «Так что ничего по-настоящему дорогого нет, и если мы больше не будем это использовать, это не большая проблема».

Даже связь между лазерной зоной и внутри лаборатории была затруднена, так как люди не могли свободно входить и выходить, поэтому они использовали проводную систему внутренней связи.

Миллер сказал, что, несмотря на эти трудности, система работала удивительно хорошо, особенно учитывая, что у них было всего несколько месяцев на её сборку. «Есть несколько областей, которые мы могли бы улучшить», — сказал Миллер, — «но я думаю, что наш выигрыш будет минимальным».

Команда NIST планирует использовать эту систему для будущих исследований других вирусов и микроорганизмов, которые биологи в лабораториях с высоким уровнем безопасности могут пожелать изучить.

Миллер сказал: «Когда появится следующий вирус или любой другой интересующий их патоген, нам нужно лишь подвезти лазерную систему, проложить оптоволоконный кабель, и они подключат его к своей проекционной системе. Так что теперь мы готовы к следующему разу».

Эта работа была частично профинансирована Управлением науки и технологий Министерства внутренней безопасности.

Источник: cnBeta