Дальний ультрафиолет эффективно и безопасно инактивирует коронавирус

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ СТАТЬЯ

Авторы: Мануэла Буонанно, Дэвид Уэлч, Игорь Шуряк, Дэвид Дж. Бреннер.

Center for Radiological Research, Columbia University Irving Medical Center, New York, New York 10032, USA

Ограничение передачи патогенов по воздуху заключается в их инактивации в течение короткого времени после их производства. В этом контексте эффективен бактерицидный ультрафиолетовый свет (УФ), чаще всего используют длину волны 254 нм, но он опасен для здоровья кожи и глаз. В отличие от этого, дальний УФ-свет (207-222 нм) эффективно убивает патогенные микроорганизмы без вреда для человека. Доказано, что ультрафиолетовое излучение с длиной волны 222 нм эффективно убивает переносимый по воздуху вирус гриппа (H1N1); здесь мы расширяем исследования в области ультрафиолетового излучения для изучения эффективности против коронавирусов человека из подгрупп альфа (HCoV-229E) и бета (HCoV-OC43). Обнаружено, что низкие дозы, соответствующие 1,7 и 1,2 мДж / см 2 инактивируют 99,9% аэрозольного альфа-коронавируса 229E и бета-коронавируса OC43. На основании этих результатов для бета-коронавируса HCoV-OC43 продолжительное воздействие дальнего УФ-излучения в общественных местах при рекомендованном в настоящее время пределе воздействия (3 мДж / см 2 / час) приведет к инактивации вируса на 99,9% в течение ~ 25 минут. Увеличение интенсивности УФ-излучения, скажем, в 2 раза уменьшит вдвое время дезинфекции, сохраняя при этом безопасность. Поскольку все коронавирусы человека имеют одинаковый размер генома, являющийся ключевым фактором, определяющим чувствительность к излучению, вполне реалистично ожидать, что свет вдали от ультрафиолета будет демонстрировать сопоставимую эффективность инактивации по сравнению с другими коронавирусами человека, включая SARS-CoV-2.

Введение

Болезнь коронавируса 2019 года (COVID-19) была впервые зарегистрирована в декабре 2019 года, а затем Всемирной организацией здравоохранения 11 марта 2020 года охарактеризована как пандемия. Несмотря на активные усилия по сдерживанию распространения заболевания, она распространилась по всему миру (более чем 1,9 миллиона человек — подтвержденные случаи и более 130 000 человек — подтвержденные случаи смерти по состоянию на 16 апреля 2020 года 1 ). Передача SARS-CoV-2, бета-коронавируса, вызывающего COVID-19, происходит как через прямой контакт, так и воздушно-капельным путем. Исследования стабильности SARS-CoV-2 показали жизнеспособность аэрозолей в течение не менее 3 часов 2 . Учитывая быстрое распространение заболевания, в том числе через бессимптомных носителей 3, очевидно, что важно изучить практические технологии смягчения, которые могут инактивировать переносимый по воздуху вирус в общественных местах и, таким образом, ограничить передачу по воздуху.

Воздействие ультрафиолетового (УФ) света является прямым антимикробным подходом 4, и его эффективность в отношении различных штаммов воздушных вирусов давно установлена 5 . Наиболее распространенным типом ультрафиолетового излучения для бактерицидных применений является ртутная дуговая лампа низкого давления, излучающая около 254 нм; В последнее время использовалась технология ксеноновых ламп, которая излучает широкий спектр УФ-излучения 6 . Хотя эти лампы можно использовать для дезинфекции незанятых помещений, работа этих обычных бактерицидных УФ-ламп в общественных местах в присутствии людей, что крайне важно для предотвращения передачи от человека к человеку, невозможна, Воздействие этих длин волн представляет опасность для здоровья, вызывая рак кожи и заболевания глаз 7–10 .

В отличие от этого, дальний УФ-свет (от 207 до 222 нм), как было показано, так же эффективен, как и обычный бактерицидный УФ-свет, для уничтожения микроорганизмов 11, но при этом, он безопасен для человека. Это связано с тем, что дальний ультрафиолет имеет биологический материал всего лишь несколько микрометров, и поэтому он не может достичь живых клеток человека в коже или глазах. А поскольку вирусы (и бактерии) чрезвычайно малы, дальний ультрафиолет может проникать и убивать их. Таким образом, дальний ультрафиолет обладает примерно такими же высокоэффективными бактерицидными свойствами, как и обычный бактерицидный УФ-свет, но без риска для здоровья человека 12–15.. Может генерироваться с использованием недорогих эксимерных ламп и является безопасной и эффективной антимикробной технологией 12–18. Дальний УФ-свет может быть использован в присутствии людей.

Основа подхода состоит в том, что свет в этом диапазоне длин волн имеет очень ограниченную глубину проникновения. В частности, дальний УФ-свет (207–222 нм) очень сильно поглощается белками через пептидную связь и другими биомолекулами 19,20 , поэтому его способность проникать в биологические материалы очень ограничена по сравнению, например, с обычным бактерицидным ультрафиолетовым светом (254 нм (или выше)) 21,22. Это ограниченное проникновение все еще намного больше, чем размер вирусов и бактерий, поэтому ультрафиолетовое излучение столь же эффективно убивает эти патогенные микроорганизмы, как и обычное бактерицидное ультрафиолетовое излучение 12–14. Однако, в отличие от бактерицидного ультрафиолетового света, дальний ультрафиолетовый свет не может проникнуть ни в роговой слой человека (наружный слой мертвой клетки), ни в слезный слой глаза, ни даже в цитоплазму отдельных клеток человека. Таким образом, дальний УФ-свет не может достигать или повреждать живые клетки кожи человека или глаза человека, в отличие от обычного бактерицидного УФ-света, который может достигать этих чувствительных клеток 7–10 .

Таким образом, ожидается, что дальний ультрафиолетовый свет будет иметь примерно те же антимикробные свойства, что и обычный бактерицидный ультрафиолетовый свет, но не будет оказывать соответствующего воздействия на здоровье. В этом случае свет в условиях дальнего ультрафиолетового излучения может быть использован в общественных местах для предотвращения передачи возбудителей от человека к человеку, таких как коронавирусы.

Ранее мы показали, что очень малая доза (2 мДж / см 2 ) дальнего ультрафиолетового излучения при 222 нм очень эффективна при инактивации аэрозольного вируса гриппа H1N1 23 . В этой работе мы исследуем эффективность света 222 нм против двух находящихся в воздухе человеческих коронавирусов: альфа-HCoV-229E и бета-HCoV-OC43. Оба были изолированы более 50 лет назад и являются эндемичными для населения, вызывая 15–30% инфекций дыхательных путей каждый год 24 . Как и SARS-CoV-2, вирус HCoV-OC43 относится к бета-подгруппе 25 .

Здесь мы измерили эффективность, с которой дальний ультрафиолетовый свет инактивирует эти два человеческих коронавируса при воздействии аэрозольных капелек размером, аналогичным тем, которые генерируются во время чихания и кашля 26 . Поскольку все коронавирусы имеют сравнимый физический и геномный размер, что является критическим фактором, определяющим ответную реакцию на излучение 27 , мы предположили, что все коронавирусы будут реагировать одинаково на дальний ультрафиолетовый свет.

Результаты

Инактивация коронавируса в воздухе воздействием дальнего ультрафиолета

Инфекционный анализ. 

Мы использовали стандартный подход к измерению вирусной инактивации, анализируя инфекционность коронавируса в клетках-хозяевах человека (нормальных клетках легких) после воздействия дальним ультрафиолетом на аэрозоли. Мы количественно определили вирусную инфекционность с помощью 50% культуры тканей инфекционной дозой TCID 50 анализа 28 и по оценкам соответствующих бляшкообразующих единиц (БОЙ) / мл , используя преобразование БОЯ / мл = 0,7 TCID 50 29 . 
На рис. 1 показана дробная выживаемость аэрозольных коронавирусов HCoV – 229E и HCoV-OC43, выраженных в контролях PFU UV / PFU в зависимости от уменьшения дозы 222 нм. Робастная линейная регрессия (таблица 1) с использованием повторных переоцененных наименьших квадратов 30 показали, что выживаемость обеих подгрупп альфа и бета согласуется с классической экспоненциальной моделью УФ-дезинфекции (R 2 = 0,86 для HCoV – 229E и R 2 = 0,78 для HCoV-OC43). Для альфа-коронавируса HCoV-229E константа скорости инактивации (степень восприимчивости) была равна k = 4,1 см 2 / мДж (95% доверительные интервалы (ДИ) 2,5–4,8), что соответствует сечению инактивации (или дозе, необходимой для иноктивации 90% подверженных вирусам) D 90 = 0,56 мДж / см 2 . Аналогичным образом, уровень восприимчивости для бета-коронавируса HCoV-OC43 был k = 5,9 см 2 / мДж (95% C. I. 3.8–7.1), что соответствует сечению инактивации D90 = 0,39 мДж / см 2 .

Ссылки

  1. Всемирная организация здравоохранения. Ситуационные сообщения о коронавирусной болезни (COVID-2019) , 2020). https://www.who.int/emergencies/diseases/novel — коронавирус — 2019 / ситуация — отчеты
  2. van Doremalen, N. et al. Аэрозоль и стабильность поверхности SARS-CoV-2 по сравнению с SARS-CoV-1. Медицинский журнал Новой Англии , дои: 10.1056 / NEJMc2004973 (2020).
  3. Bai, Y. et al. Предполагаемая бессимптомная передача носителя COVID-19. JAMA , doi: 10.1001 / jama.2020.2565 (2020).
  4. Ковальский, WJ Справочник по ультрафиолетовому бактерицидному облучению: UVGI для дезинфекции воздуха и поверхности . (Нью-Йорк: Спрингер, 2009).
  5. Будовский Е.И., Бреслер С.Е., Фридман Е.А., Железнова Н.В. Принципы селективной инактивации вирусного генома. I. УФ-индуцированная инактивация вируса гриппа. Arch Virol 68 , 239-247 (1981).
  6. Naunovic, Z., Lim, S. & Blatchley, ER, 3rd. Исследование эффективности микробной инактивации системы УФ-дезинфекции с использованием эксимерной лампы. Water Res 42 , 4838-4846, doi: 10.1016 / j.watres.2008.09.001 (2008).
  7. Trevisan, A. et al. Необычно высокое воздействие ультрафиолетового излучения. Photochem Photobiol 82 , 1077-1079 (2006).
  8. Zaffina, S. et al. Случайное воздействие УФ-излучения, вызванного бактерицидной лампой: описание случая и оценка риска. Photochem Photobiol 88 , 1001-1004, doi: 10.1111 / j.1751-1097.2012.01151.x (2012).
  9. Сетлоу Р.Б., Грист Э., Томпсон К. и Вудхед А.Д. Длины волн, эффективные при индукции злокачественной меланомы. Proc Natl Acad Sci USA 90 , 6666-6670 (1993).
  10. Баласубраманян Д. Ультрафиолетовое излучение и катаракта. J Ocul Pharmacol Ther 16 , 285-297, doi: 10.1089 / jop.2000.16.285 (2000).
  11. Нарита, К. и соавт. 222 нм UVC инактивирует широкий спектр микробных патогенов. J Hosp Infect , doi: 10.1016 / j.jhin.2020.03.030 (2020).
  12. Buonanno, M. et al. УФ-свет 207 нм — многообещающий инструмент для безопасного и недорогого снижения инфекций в хирургическом месте. Я: Исследования in vitro. PLoS One 8 , e76968, doi: 10.1371 / journal.pone.0076968 (2013).
  13. Buonanno, M. et al. УФ-свет 207 нм — перспективный инструмент для безопасного и недорогого снижения инфекций в хирургическом месте. II: Исследования безопасности in-vivo. PLoS One 11 , e0138418, doi: 10.1371 / journal.pone.0138418 PONE-D-15-32644 [pii] (2016).
  14. Буонанно и соавт. Бактерицидная эффективность и безопасность кожи млекопитающих при ультрафиолетовом излучении 222 нм. Radiation Research 187 , 483-491, doi: 10.1667 / RR0010CC.1 (2017).
  15. Понния Б. и др. Дальний ультрафиолетовый свет предотвращает инфицирование MRSA поверхностных ран in vivo. PLOS ONE 13 , e0192053, doi: 10.1371 / journal.pone.0192053 (2018).
  16. Нарита, К. и соавт. Дезинфекционное и лечебное воздействие ультрафиолетового излучения с длиной волны 222 нм на метициллин-резистентную инфекцию Staphylococcus aureus в ранах мыши. Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология 178 , 10-18, doi: https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.10.030 (2018).
  17. Нарита К., Асано К., Моримото Ю., Игараси Т. и Накане А. Хроническое облучение ультрафиолетовым излучением 222 нм не вызывает ни повреждения ДНК, ни эпидермальных поражений кожи мыши даже при высоких дозах. PLoS One 13 , e0201259, doi: 10.1371 / journal.pone.0201259 (2018).
  18. Yamano, N. et al. Длительное воздействие стерилизующих ламп ультрафиолетового излучения С 222 нм на мышей, восприимчивых к ультрафиолетовому излучению. Photochem Photobiol , doi: 10.1111 / php.13269 (2020).
  19. Goldfarb, AR & Saidel, LJ. Ультрафиолетовые спектры поглощения белков. Science 114 , 156-157 (1951).
  20. Сетлоу, J. в текущих темах в области радиационных исследований II (Eds Ebert M & Howard A) 195-248 (Северная Голландская издательская компания, 1966).
  21. Coohill, TP Вирус-клеточные взаимодействия как зонды повреждения вакуум-ультрафиолетовым излучением и  фотохимия и фотобиология 44 , 359-363 (1986).
  22. Green, H., Boll, J., Parrish, JA, Kochevar, IE & Oseroff, AR. Цитотоксичность и мутагенность низкоинтенсивного излучения 248 и 193 нм эксимерного лазера в клетках млекопитающих. Исследование рака 47 , 410-413 (1987).
  23. Уэлч Д. и др. Дальний ультрафиолетовый свет: новый инструмент для контроля распространения микробных заболеваний, передаваемых воздушно-капельным путем. Scientific Reports 8 , 2752, doi: 10.1038 / s41598-018-21058-w (2018).
  24. Фер, Р. & Перлман, С. Коронавирусы: обзор их репликации и патогенеза. Methods Mol. Biol. 1282 , 1-23, doi: 10.1007 / 978-1-4939-2438-7_1 (2015).
  25. Woo, PC, Huang Y., Lau, SK & Yuen, KY. Анализ геномики и биоинформатики коронавируса. Вирусы 2 , 1804-1820, doi: 10.3390 / v2081803 (2010).
  26. Папинени Р.С., Розенталь Ф.С. Распределение капель по размеру в выдыхаемом дыхании здоровых людей. Журнал Aerosol Medicine 10 , 105-116, doi: 10.1089 / jam.1997.10.105 (1997).
  27. Воробей, AH, Underbrink, AG & Sparrow, RC Хромосомы и клеточная радиочувствительность. I. Отношение D0 к объему и сложности хромосом у семидесяти девяти различных организмов. Radiat Res 32 , 915-945 (1967).
  28. Линденбах, Б.Д. Измерение инфекционности HCV, продуцируемой в культуре клеток и in vivo. Methods Mol Biol 510 , 329-336, doi: 10.1007 / 978-1-59745-394-3_24 (2009).
  29. Mahy, BK, H. Руководство по методам вирусологии . (Academic Press, 1996).
  30. Бьорк А. Численные методы для линейных задач наименьших квадратов . (1996).
  31. Стены, AC и соавт. Тектонические конформационные изменения коронавирусного шипа гликопротеина способствуют слиянию мембран. Proc Natl Acad Sci USA 114 , 11157-11162, doi: 10.1073 / pnas.1708727114 (2017).
  32. Madu, IG, Roth, SL, Belouzard, S. & Whittaker, GR. Характеристика высококонсервативного домена в домене S2 белка с острым коронавирусным острым респираторным синдромом с характеристиками вирусного слитого пептида. J Virol 83 , 7411-7421, doi: 10.1128 / JVI.00079-09 (2009).
  33. Уокер, М. и Ко, Г. Влияние ультрафиолетового бактерицидного облучения на вирусные аэрозоли. Environmental Science & Technology 41 , 5460-5465, doi: 10.1021 / es070056u (2007).
  34. Международная комиссия по защите от неионизирующих излучений. Руководство по пределам воздействия ультрафиолетового излучения с длинами волн от 180 нм до 400 нм (некогерентное оптическое излучение). Health Physics 87 , 171-186 (2004).
  35. Рид, ЖЖ а. М., Х. Простой метод оценки пятидесятипроцентных конечных точек. Американский журнал эпидемиологии Том 27 , 493–497 (1938).
  36. Кин, О.Н. Преобразование журнала является особенным. Stat Med 14 , 811-819 (1995).
  37. Venables, WN, Рипли, BD & Venables, WN Современная прикладная статистика с S . 4-е издание (Springer, 2002).
  38. Марацци,   алгоритм, рутины и S-функции для робастной статистики . (Wadsworth & Brooks / Cole, 1993).
  39. Дурбин & Ватсон, Г.С. Тестирование для последовательной корреляции в регрессии наименьших квадратов. I. Biometrika  37 , 409-428 (1950).
  40. Breusch T. & Pagan A. Простой тест на гетероскедастичность и случайный коэффициент  Econometrica 47 , 1287-1294., Doi: 10.2307 / 1911963 (1979).

Ссылка на исследование Far-UVC light efficiently and safely inactivates airborne human coronaviruses

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Заполните поле
Заполните поле
Пожалуйста, введите корректный адрес email.
Вы должны согласиться с условиями для продолжения

Меню