Sähkömagneettisten aaltojen vaikutukset patogeenisiin viruksiin ja niihin liittyviin mekanismeihin: katsaus Journal of Virology -lehdessä

Patogeenisista virusinfektioista on tullut merkittävä kansanterveysongelma maailmanlaajuisesti. Virukset voivat tartuttaa kaikkia solueliöitä ja aiheuttaa vaihtelevassa määrin vammoja ja vaurioita, jotka johtavat sairauksiin ja jopa kuolemaan. Erittäin patogeenisten virusten, kuten vakavan akuutin hengitystieoireyhtymän koronavirus 2:n (SARS-CoV-2), yleistymisen myötä on kiireellisesti kehitettävä tehokkaita ja turvallisia menetelmiä patogeenisten virusten inaktivoimiseksi. Perinteiset menetelmät patogeenisten virusten inaktivoimiseksi ovat käytännöllisiä, mutta niillä on joitakin rajoituksia. Sähkömagneettisista aalloista, kuten korkeasta läpäisykyvystä, fyysisestä resonanssista ja saasteettomuudesta, on tullut potentiaalinen strategia patogeenisten virusten inaktivoimiseksi, ja ne herättävät yhä enemmän huomiota. Tässä artikkelissa esitetään yleiskatsaus viimeaikaisiin julkaisuihin sähkömagneettisten aaltojen vaikutuksesta patogeenisiin viruksiin ja niiden mekanismeihin sekä sähkömagneettisten aaltojen käyttömahdollisuuksista patogeenisten virusten inaktivoinnissa sekä uusista ideoista ja menetelmistä tällaiseen inaktivointiin.
Monet virukset leviävät nopeasti, säilyvät pitkään, ovat erittäin patogeenisiä ja voivat aiheuttaa maailmanlaajuisia epidemioita ja vakavia terveysriskejä. Ennaltaehkäisy, havaitseminen, testaus, hävittäminen ja hoito ovat keskeisiä toimenpiteitä viruksen leviämisen pysäyttämiseksi. Patogeenisten virusten nopea ja tehokas hävittäminen sisältää ennaltaehkäisevän, suojaavan ja lähteen poistamisen. Patogeenisten virusten inaktivointi fysiologisella tuhoamisella niiden tarttuvuuden, patogeenisyyden ja lisääntymiskyvyn vähentämiseksi on tehokas menetelmä niiden hävittämiseksi. Perinteiset menetelmät, kuten korkea lämpötila, kemikaalit ja ionisoiva säteily, voivat tehokkaasti inaktivoida patogeenisiä viruksia. Näillä menetelmillä on kuitenkin edelleen joitakin rajoituksia. Siksi on edelleen kiireellisesti kehitettävä innovatiivisia strategioita patogeenisten virusten inaktivoimiseksi.
Sähkömagneettisten aaltojen emittoinnin etuna on korkea läpäisykyky, nopea ja tasainen kuumentuminen, resonanssi mikro-organismien kanssa ja plasman vapautuminen, ja sen odotetaan tulevan käytännölliseksi menetelmäksi patogeenisten virusten inaktivoimiseksi [1,2,3]. Sähkömagneettisten aaltojen kyky inaktivoida patogeenisiä viruksia osoitettiin viime vuosisadalla [4]. Viime vuosina sähkömagneettisten aaltojen käyttö patogeenisten virusten inaktivointiin on herättänyt yhä enemmän huomiota. Tässä artikkelissa käsitellään sähkömagneettisten aaltojen vaikutusta patogeenisiin viruksiin ja niiden mekanismeihin, ja se voi toimia hyödyllisenä oppaana perus- ja soveltavassa tutkimuksessa.
Virusten morfologiset ominaisuudet voivat heijastaa toimintoja, kuten selviytymistä ja tarttuvuutta. On osoitettu, että sähkömagneettiset aallot, erityisesti erittäin korkeataajuiset (UHF) ja erittäin korkeataajuiset (EHF) sähkömagneettiset aallot, voivat häiritä virusten morfologiaa.
Bakteriofagi MS2:ta (MS2) käytetään usein useilla eri tutkimusalueilla, kuten desinfioinnin arvioinnissa, kineettisessä mallinnuksessa (vesipitoinen) ja virusmolekyylien biologisessa karakterisoinnissa [5, 6]. Wu havaitsi, että 2450 MHz:n ja 700 W:n mikroaallot aiheuttivat MS2-vesifaagien aggregaatiota ja merkittävää kutistumista yhden minuutin suoran säteilytyksen jälkeen [1]. Lisätutkimusten jälkeen havaittiin myös MS2-faagin pinnalla repeämä [7]. Kaczmarczyk [8] altisti koronavirus 229E (CoV-229E) -näytteiden suspensioita millimetriaalloille, joiden taajuus oli 95 GHz ja tehotiheys 70–100 W/cm2, 0,1 sekunnin ajan. Viruksen karkeassa pallomaisessa kuoressa voi olla suuria reikiä, jotka johtavat sen sisällön menetykseen. Altistuminen sähkömagneettisille aalloille voi olla tuhoisaa virusmuodoille. Morfologisten ominaisuuksien, kuten muodon, halkaisijan ja pinnan sileyden, muutokset viruksen altistumisen jälkeen sähkömagneettiselle säteilylle ovat kuitenkin tuntemattomia. Siksi on tärkeää analysoida morfologisten piirteiden ja toiminnallisten häiriöiden välistä suhdetta, mikä voi tarjota arvokkaita ja käteviä indikaattoreita virusten inaktivoinnin arvioimiseksi [1].
Viruksen rakenne koostuu yleensä sisäisestä nukleiinihaposta (RNA tai DNA) ja ulkoisesta kapsidista. Nukleiinihapot määräävät virusten geneettiset ja replikaatio-ominaisuudet. Kapsidi on säännöllisesti järjestyneiden proteiinialayksiköiden ulkokerros, viruspartikkelien perusrakenne ja antigeeninen komponentti, ja se myös suojaa nukleiinihappoja. Useimmilla viruksilla on lipideistä ja glykoproteiineista koostuva vaipparakenne. Lisäksi vaippaproteiinit määräävät reseptorien spesifisyyden ja toimivat tärkeimpinä antigeeneinä, jotka isännän immuunijärjestelmä pystyy tunnistamaan. Täydellinen rakenne varmistaa viruksen eheyden ja geneettisen vakauden.
Tutkimukset ovat osoittaneet, että sähkömagneettiset aallot, erityisesti UHF-sähkömagneettiset aallot, voivat vahingoittaa tautia aiheuttavien virusten RNA:ta. Wu [1] altisti MS2-viruksen vesipitoisen ympäristön suoraan 2450 MHz:n mikroaaltoaalloille kahden minuutin ajan ja analysoi proteiini A:ta, kapsidiproteiinia, replikaasiproteiinia ja pilkkoutumisproteiinia koodaavia geenejä geelielektroforeesilla ja käänteiskopiointipolymeraasiketjureaktiolla (RT-PCR). Nämä geenit tuhoutuivat asteittain tehotiheyden kasvaessa ja jopa katosivat suurimmalla tehotiheydellä. Esimerkiksi proteiini A -geenin (934 bp) ilmentyminen väheni merkittävästi 119 ja 385 W:n sähkömagneettisille aalloille altistumisen jälkeen ja katosi kokonaan, kun tehotiheys nostettiin 700 W:iin. Nämä tiedot osoittavat, että sähkömagneettiset aallot voivat annoksesta riippuen tuhota virusten nukleiinihappojen rakenteen.
Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että sähkömagneettisten aaltojen vaikutus patogeenisiin virusproteiineihin perustuu pääasiassa niiden epäsuoraan lämpövaikutukseen välittäjiin ja niiden epäsuoraan vaikutukseen proteiinisynteesiin nukleiinihappojen tuhoutumisen vuoksi [1, 3, 8, 9]. Atermiset vaikutukset voivat kuitenkin myös muuttaa virusproteiinien polaarisuutta tai rakennetta [1, 10, 11]. Sähkömagneettisten aaltojen suora vaikutus patogeenisten virusten perustavanlaatuisiin rakenne-/ei-rakenneproteiineihin, kuten kapsidiproteiineihin, vaippaproteiineihin tai piikkiproteiineihin, vaatii vielä lisätutkimuksia. Äskettäin on ehdotettu, että kaksi minuuttia sähkömagneettista säteilyä 2,45 GHz:n taajuudella ja 700 W:n teholla voi olla vuorovaikutuksessa proteiinivarausten eri osien kanssa muodostamalla kuumia pisteitä ja värähteleviä sähkökenttiä puhtaasti sähkömagneettisten vaikutusten kautta [12].
Patogeenisen viruksen vaippa liittyy läheisesti sen kykyyn infektoida tai aiheuttaa tautia. Useissa tutkimuksissa on raportoitu, että UHF- ja mikroaaltosähkömagneettiset aallot voivat tuhota tautia aiheuttavien virusten kuoret. Kuten edellä mainittiin, koronavirus 229E:n virusvaipassa voidaan havaita erillisiä reikiä 0,1 sekunnin altistuksen jälkeen 95 GHz:n millimetriaallolle tehotiheydellä 70–100 W/cm2 [8]. Sähkömagneettisten aaltojen resonanssienergiansiirron vaikutus voi aiheuttaa riittävästi rasitusta tuhoamaan virusvaipan rakenteen. Vaipallisilla viruksilla infektiivisyys tai osa aktiivisuudesta yleensä vähenee tai häviää kokonaan vaipan repeämisen jälkeen [13, 14]. Yang [13] altisti H3N2 (H3N2) -influenssaviruksen ja H1N1 (H1N1) -influenssaviruksen mikroaaltoaalloille tehoilla 8,35 GHz, 320 W/m² ja 7 GHz, 308 W/m² 15 minuutin ajan. Sähkömagneettisille aalloille altistettujen patogeenisten virusten ja nestemäisessä typessä useita syklejä pakastetun ja välittömästi sulatetun fragmentoidun mallin RNA-signaalien vertailemiseksi suoritettiin RT-PCR. Tulokset osoittivat, että kahden mallin RNA-signaalit ovat hyvin yhdenmukaisia. Nämä tulokset osoittavat, että viruksen fyysinen rakenne häiriintyy ja vaipparakenne tuhoutuu mikroaaltosäteilylle altistumisen jälkeen.
Viruksen aktiivisuutta voidaan luonnehtia sen kyvyllä infektoida, replikoitua ja transkriptoida. Viruksen infektiivisyyttä tai aktiivisuutta arvioidaan yleensä mittaamalla virustiitterit plakkimäärityksillä, kudosviljelyn mediaani-infektoivalla annoksella (TCID50) tai lusiferaasireportterigeenin aktiivisuudella. Se voidaan kuitenkin arvioida myös suoraan eristämällä elävä virus tai analysoimalla virusantigeeni, viruspartikkelitiheys, viruksen eloonjääminen jne.
On raportoitu, että UHF-, SHF- ja EHF-sähkömagneettiset aallot voivat suoraan inaktivoida virusaerosoleja tai vedessä leviäviä viruksia. Wu [1] altisti laboratoriosumuttimen tuottaman MS2-bakteriofagi-aerosolin sähkömagneettisille aalloille, joiden taajuus oli 2450 MHz ja teho 700 W, 1,7 minuutin ajan, kun taas MS2-bakteriofagin selviytymisaste oli vain 8,66 %. Samoin kuin MS2-virusaerosolin tapauksessa, 91,3 % vesipitoisesta MS2:sta inaktivoitui 1,5 minuutin kuluessa saman sähkömagneettisten aaltojen annoksen vaikutuksesta. Lisäksi sähkömagneettisen säteilyn kyky inaktivoida MS2-virus korreloi positiivisesti tehotiheyden ja altistusajan kanssa. Kun deaktivointitehokkuus saavuttaa maksimiarvonsa, deaktivointitehokkuutta ei kuitenkaan voida parantaa pidentämällä altistusaikaa tai lisäämällä tehotiheyttä. Esimerkiksi MS2-viruksen selviytymisaste oli minimaalinen 2,65–4,37 % altistuksen jälkeen 2450 MHz:n ja 700 W:n sähkömagneettisille aalloille, eikä merkittäviä muutoksia havaittu altistusajan pidentyessä. Siddharta [3] säteilytti hepatiitti C -virusta (HCV) ja ihmisen immuunikatovirus tyyppiä 1 (HIV-1) sisältävää soluviljelmäsuspensiota sähkömagneettisilla aalloilla 2450 MHz:n taajuudella ja 360 W:n teholla. He havaitsivat, että virustiitterit laskivat merkittävästi 3 minuutin altistuksen jälkeen, mikä osoittaa, että sähkömagneettinen aaltosäteily on tehokasta HCV- ja HIV-1-infektiokykyä vastaan ​​ja auttaa estämään viruksen leviämisen myös yhdessä altistumisen yhteydessä. Kun HCV-soluviljelmiä ja HIV-1-suspensioita säteilytettiin pienitehoisilla sähkömagneettisilla aalloilla 2450 MHz:n, 90 W:n tai 180 W:n taajuudella, lusiferaasireportteriaktiivisuudella määritetyssä virustiitteerissä ei havaittu muutosta, ja virusinfektiivisuudessa havaittiin merkittävä muutos. 600 ja 800 W:n tehoilla 1 minuutin ajan molempien virusten infektiivisyys ei laskenut merkittävästi, minkä uskotaan liittyvän sähkömagneettisen aaltosäteilyn tehoon ja kriittisen lämpötilan altistusaikaan.
Kaczmarczyk [8] osoitti ensimmäisenä EHF-sähkömagneettisten aaltojen tappavuuden vedessä leviäviä patogeenisiä viruksia vastaan ​​vuonna 2021. He altistivat koronavirus 229E- tai poliovirus (PV) -näytteitä sähkömagneettisille aalloille 95 GHz:n taajuudella ja 70–100 W/cm2:n tehotiheydellä kahden sekunnin ajan. Kahden patogeenisen viruksen inaktivointitehokkuus oli 99,98 % ja 99,375 %. Tämä osoittaa, että EHF-sähkömagneettisilla aalloilla on laajat sovellusmahdollisuudet virusten inaktivoinnin alalla.
UHF-inaktivoinnin tehokkuutta virusten suhteen on arvioitu myös erilaisissa väliaineissa, kuten rintamaidossa ja joissakin kotona yleisesti käytetyissä materiaaleissa. Tutkijat altistivat adenoviruksella (ADV), polioviruksen tyypillä 1 (PV-1), herpesviruksella 1 (HV-1) ja rinoviruksella (RHV) saastuneita anestesiamaskeja sähkömagneettiselle säteilylle 2450 MHz:n taajuudella ja 720 watin teholla. He raportoivat, että ADV- ja PV-1-antigeenien testit muuttuivat negatiivisiksi ja HV-1-, PIV-3- ja RHV-tiitterit laskivat nollaan, mikä osoittaa kaikkien virusten täydellisen inaktivoitumisen 4 minuutin altistuksen jälkeen [15, 16]. Elhafi [17] altisti lintujen tarttuvalla keuhkoputkentulehdusviruksella (IBV), lintujen pneumoviruksella (APV), Newcastlen taudin viruksella (NDV) ja lintuinfluenssaviruksella (AIV) infektoituneet näytteet suoraan 2450 MHz:n, 900 W:n mikroaaltouunille. Näistä APV:tä ja IBV:tä havaittiin myös viidennen sukupolven kanan alkioista saatujen henkitorven elinten viljelmissä. Vaikka virusta ei voitu eristää, viruksen nukleiinihappo havaittiin silti RT-PCR:llä. Ben-Shoshan [18] altisti 15 sytomegalovirus (CMV) -positiivista rintamaitonäytettä suoraan 2450 MHz:n ja 750 W:n sähkömagneettisilla aalloilla 30 sekunnin ajan. Shell-Vial-menetelmällä tehty antigeenien havaitseminen osoitti CMV:n täydellisen inaktivoitumisen. 500 W:n teholla kaksi 15 näytteestä ei kuitenkaan saavuttanut täydellistä inaktivoitumista, mikä viittaa positiiviseen korrelaatioon inaktivointitehokkuuden ja sähkömagneettisten aaltojen tehon välillä.
On myös syytä huomata, että Yang [13] ennusti sähkömagneettisten aaltojen ja virusten välisen resonanssitaajuuden vakiintuneiden fysikaalisten mallien perusteella. Madin Darby -koiran munuaissolujen (MDCK) tuottama H3N2-viruspartikkelisuspensio, jonka tiheys oli 7,5 × 1014 m-3, altistettiin suoraan sähkömagneettisille aalloille 8 GHz:n taajuudella ja 820 W/m²:n teholla 15 minuutin ajan. H3N2-viruksen inaktivoitumisaste saavutti 100 %. Teoreettisella kynnyksellä 82 W/m² H3N2-viruksesta inaktivoitui kuitenkin vain 38 %, mikä viittaa siihen, että sähkömagneettisten aaltojen välittämän virusten inaktivoinnin tehokkuus liittyy läheisesti tehotiheyteen. Tämän tutkimuksen perusteella Barbora [14] laski sähkömagneettisten aaltojen ja SARS-CoV-2:n välisen resonanssitaajuusalueen (8,5–20 GHz) ja päätteli, että 7,5 × 1014 m-3 SARS-CoV-2:ta altistettuna sähkömagneettisille aalloille. Aallolla, jonka taajuus on 10–17 GHz ja tehotiheys 14,5 ± 1 W/m2 noin 15 minuutin ajan, deaktivoituu virus 100-prosenttisesti. Wangin [19] äskettäisessä tutkimuksessa osoitettiin, että SARS-CoV-2:n resonanssitaajuudet ovat 4 ja 7,5 GHz, mikä vahvistaa virustiitteristä riippumattomien resonanssitaajuuksien olemassaolon.
Yhteenvetona voidaan todeta, että sähkömagneettiset aallot voivat vaikuttaa aerosoleihin ja suspensioihin sekä virusten aktiivisuuteen pinnoilla. Havaittiin, että inaktivoinnin tehokkuus liittyy läheisesti sähkömagneettisten aaltojen taajuuteen ja tehoon sekä viruksen kasvualustaan. Lisäksi fysikaalisiin resonansseihin perustuvat sähkömagneettiset taajuudet ovat erittäin tärkeitä virusten inaktivoinnille [2, 13]. Tähän asti sähkömagneettisten aaltojen vaikutus patogeenisten virusten aktiivisuuteen on keskittynyt pääasiassa tarttuvuuden muutoksiin. Monimutkaisen mekanismin vuoksi useissa tutkimuksissa on raportoitu sähkömagneettisten aaltojen vaikutuksesta patogeenisten virusten replikaatioon ja transkriptioon.
Mekanismit, joilla sähkömagneettiset aallot inaktivoivat viruksia, liittyvät läheisesti viruksen tyyppiin, sähkömagneettisten aaltojen taajuuteen ja tehoon sekä viruksen kasvuympäristöön, mutta ne ovat edelleen suurelta osin tutkimattomia. Viimeaikaiset tutkimukset ovat keskittyneet lämpö-, atermaalisten ja rakenteellisten resonanssienergiansiirron mekanismeihin.
Lämpövaikutuksella tarkoitetaan lämpötilan nousua, joka johtuu polaaristen molekyylien nopeasta pyörimisestä, törmäyksestä ja kitkasta kudoksissa sähkömagneettisten aaltojen vaikutuksesta. Tämän ominaisuuden vuoksi sähkömagneettiset aallot voivat nostaa viruksen lämpötilan fysiologisen sietokyvyn kynnyksen yläpuolelle, mikä aiheuttaa viruksen kuoleman. Virukset sisältävät kuitenkin vain vähän polaarisia molekyylejä, mikä viittaa siihen, että suorat lämpövaikutukset viruksiin ovat harvinaisia ​​[1]. Päinvastoin, väliaineessa ja ympäristössä on paljon enemmän polaarisia molekyylejä, kuten vesimolekyylejä, jotka liikkuvat sähkömagneettisten aaltojen virittämän vaihtuvan sähkökentän mukaisesti ja tuottavat lämpöä kitkan kautta. Lämpö siirtyy sitten virukseen, mikä nostaa sen lämpötilaa. Kun sietokyky ylittyy, nukleiinihapot ja proteiinit tuhoutuvat, mikä lopulta vähentää tarttuvuutta ja jopa inaktivoi viruksen.
Useat ryhmät ovat raportoineet, että sähkömagneettiset aallot voivat vähentää virusten tarttuvuutta lämpöaltistuksen kautta [1, 3, 8]. Kaczmarczyk [8] altisti koronavirus 229E:n suspensioita sähkömagneettisille aalloille 95 GHz:n taajuudella ja 70–100 W/cm²:n tehotiheydellä 0,2–0,7 sekunnin ajan. Tulokset osoittivat, että 100 °C:n lämpötilan nousu tämän prosessin aikana osaltaan tuhosi viruksen morfologiaa ja vähensi virusaktiivisuutta. Nämä lämpövaikutukset voidaan selittää sähkömagneettisten aaltojen vaikutuksella ympäröiviin vesimolekyyleihin. Siddharta [3] säteilytti eri genotyyppien, mukaan lukien GT1a, GT2a, GT3a, GT4a, GT5a, GT6a ja GT7a, HCV:tä sisältäviä soluviljelmäsuspensioita sähkömagneettisilla aalloilla 2450 MHz:n taajuudella ja 90 W:n, 180 W:n, 360 W:n, 600 W:n ja 800 W:n teholla. Kun soluviljelyalustan lämpötila nousi 26 °C:sta 92 °C:seen, sähkömagneettinen säteily vähensi viruksen tarttuvuutta tai inaktivoi viruksen kokonaan. Mutta HCV altistettiin sähkömagneettisille aalloille lyhyen aikaa pienellä teholla (90 tai 180 W, 3 minuuttia) tai suuremmalla teholla (600 tai 800 W, 1 minuutti), eikä lämpötilassa havaittu merkittävää nousua eikä viruksen tarttuvuudessa tai aktiivisuudessa havaittu merkittävää muutosta.
Yllä olevat tulokset osoittavat, että sähkömagneettisten aaltojen lämpövaikutus on keskeinen tekijä, joka vaikuttaa patogeenisten virusten tarttuvuuteen tai aktiivisuuteen. Lisäksi lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että sähkömagneettisen säteilyn lämpövaikutus inaktivoi patogeenisiä viruksia tehokkaammin kuin UV-C ja perinteinen lämmitys [8, 20, 21, 22, 23, 24].
Lämpövaikutusten lisäksi sähkömagneettiset aallot voivat myös muuttaa molekyylien, kuten mikrobiproteiinien ja nukleiinihappojen, polaarisuutta, jolloin molekyylit pyörivät ja värähtelevät, mikä johtaa elinkelpoisuuden heikkenemiseen tai jopa kuolemaan [10]. Uskotaan, että sähkömagneettisten aaltojen polaarisuuden nopea vaihtuminen aiheuttaa proteiinien polarisaatiota, mikä johtaa proteiinirakenteen kiertymiseen ja kaareutumiseen ja lopulta proteiinin denaturoitumiseen [11].
Sähkömagneettisten aaltojen ei-lämpövaikutus virusten inaktivointiin on edelleen kiistanalainen, mutta useimmat tutkimukset ovat osoittaneet positiivisia tuloksia [1, 25]. Kuten edellä mainitsimme, sähkömagneettiset aallot voivat tunkeutua suoraan MS2-viruksen vaippaproteiiniin ja tuhota viruksen nukleiinihapon. Lisäksi MS2-virusaerosolit ovat paljon herkempiä sähkömagneettisille aalloille kuin vesipitoinen MS2. MS2-virusaerosolien ympäristössä olevien vähemmän polaaristen molekyylien, kuten vesimolekyylien, vuoksi atermiset vaikutukset voivat olla avainasemassa sähkömagneettisten aaltojen välittämässä virusten inaktivoinnissa [1].
Resonanssi-ilmiöllä tarkoitetaan fyysisen järjestelmän taipumusta absorboida enemmän energiaa ympäristöstään sen luonnollisella taajuudella ja aallonpituudella. Resonanssia esiintyy monissa paikoissa luonnossa. Tiedetään, että virukset resonoivat saman taajuuden mikroaaltojen kanssa rajoitetussa akustisessa dipolitilassa, mikä on resonanssi-ilmiö [2, 13, 26]. Sähkömagneettisen aallon ja viruksen väliset resonanssivuorovaikutusmuodot herättävät yhä enemmän huomiota. Tehokkaan rakenteellisen resonanssienergiansiirron (SRET) vaikutus sähkömagneettisista aalloista suljettuihin akustisiin värähtelyihin (CAV) viruksissa voi johtaa viruskalvon repeämiseen vastakkaisten ydin-kapsidivärähtelyjen vuoksi. Lisäksi SRET:n kokonaistehokkuus liittyy ympäristön luonteeseen, jossa viruspartikkelin koko ja pH määräävät vastaavasti resonanssitaajuuden ja energian absorption [2, 13, 19].
Sähkömagneettisten aaltojen fysikaalinen resonanssivaikutus on avainasemassa vaipallisten virusten inaktivoinnissa. Virukset ovat virusproteiineihin upotetun kaksikerroksisen kalvon ympäröimiä. Tutkijat havaitsivat, että H3N2-viruksen deaktivoituminen 6 GHz:n taajuudella ja 486 W/m²:n tehotiheydellä sähkömagneettisilla aalloilla johtui pääasiassa kuoren fyysisestä repeämisestä resonanssivaikutuksen vuoksi [13]. H3N2-suspension lämpötila nousi vain 7 °C 15 minuutin altistuksen jälkeen, mutta ihmisen H3N2-viruksen inaktivointi lämpökuumentamalla vaatii yli 55 °C:n lämpötilan [9]. Samanlaisia ​​ilmiöitä on havaittu viruksilla, kuten SARS-CoV-2 ja H3N1 [13, 14]. Lisäksi virusten inaktivointi sähkömagneettisilla aalloilla ei johda virus-RNA-genomien hajoamiseen [1,13,14]. Siten H3N2-viruksen inaktivoitumista edisti fyysinen resonanssi eikä lämpöaltistus [13].
Sähkömagneettisten aaltojen lämpövaikutukseen verrattuna virusten inaktivointi fyysisellä resonanssilla vaatii pienempiä annosparametreja, jotka ovat Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) -laitoksen asettamien mikroaaltojen turvallisuusstandardien alapuolella [2, 13]. Resonanssitaajuus ja tehoannos riippuvat viruksen fysikaalisista ominaisuuksista, kuten hiukkaskoosta ja elastisuudesta, ja kaikki resonanssitaajuuden sisällä olevat virukset voidaan tehokkaasti kohdistaa inaktivointiin. Korkean tunkeutumisnopeuden, ionisoivan säteilyn puuttumisen ja hyvän turvallisuuden ansiosta CPET:n atermisen vaikutuksen välittämä virusten inaktivointi on lupaavaa patogeenisten virusten aiheuttamien ihmisen pahanlaatuisten sairauksien hoidossa [14, 26].
Virusten inaktivoinnin toteuttaminen nestemäisessä faasissa ja erilaisten väliaineiden pinnalla mahdollistaa sähkömagneettisten aaltojen tehokkaan torjunnan virusaerosoleihin [1, 26]. Tämä on läpimurto ja erittäin tärkeä viruksen leviämisen hillitsemisessä ja sen leviämisen estämisessä yhteiskunnassa. Lisäksi sähkömagneettisten aaltojen fysikaalisten resonanssiominaisuuksien löytäminen on erittäin tärkeää tällä alalla. Niin kauan kuin tietyn virionin resonanssitaajuus ja sähkömagneettiset aallot tunnetaan, kaikki haavan resonanssitaajuusalueella olevat virukset voidaan kohdistaa, mitä ei voida saavuttaa perinteisillä virusten inaktivointimenetelmillä [13,14,26]. Virusten sähkömagneettinen inaktivointi on lupaava tutkimus, jolla on suurta tutkimus- ja soveltavaa arvoa ja potentiaalia.
Verrattuna perinteiseen virusten tappamistekniikkaan, sähkömagneettisilla aalloilla on ainutlaatuisten fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta yksinkertaisen, tehokkaan ja käytännöllisen ympäristönsuojelun ominaisuuksia viruksia tappaessaan [2, 13]. Monia ongelmia on kuitenkin edelleen. Ensinnäkin nykytietämys rajoittuu sähkömagneettisten aaltojen fysikaalisiin ominaisuuksiin, eikä sähkömagneettisten aaltojen säteilyn aikana tapahtuvan energiankäytön mekanismia ole paljastettu [10, 27]. Mikroaaltoja, mukaan lukien millimetriaaltoja, on käytetty laajalti virusten inaktivoinnin ja sen mekanismien tutkimiseen, mutta muiden taajuuksien, erityisesti 100 kHz:n - 300 MHz:n ja 300 GHz:n - 10 THz:n, sähkömagneettisten aaltojen tutkimuksia ei ole raportoitu. Toiseksi patogeenisten virusten tappamismekanismia sähkömagneettisilla aalloilla ei ole selvitetty, ja vain pallomaisia ​​ja sauvamaisia ​​viruksia on tutkittu [2]. Lisäksi viruspartikkelit ovat pieniä, soluttomia, mutatoituvat helposti ja leviävät nopeasti, mikä voi estää virusten inaktivoinnin. Sähkömagneettisten aaltojen tekniikkaa on vielä parannettava, jotta patogeenisten virusten inaktivoinnin este voidaan voittaa. Lopuksi, säteilyenergian voimakas absorptio väliaineen polaarisiin molekyyleihin, kuten vesimolekyyleihin, johtaa energian menetykseen. Lisäksi SRET:n tehokkuuteen voivat vaikuttaa useat tunnistamattomat mekanismit viruksissa [28]. SRET-vaikutus voi myös muokata virusta sopeutumaan ympäristöönsä, mikä johtaa vastustuskykyyn sähkömagneettisille aalloille [29].
Tulevaisuudessa sähkömagneettisten aaltojen avulla tapahtuvan virusten inaktivointiteknologian on parannettava edelleen. Perustavanlaatuisen tieteellisen tutkimuksen tulisi pyrkiä selvittämään sähkömagneettisten aaltojen avulla tapahtuvan virusten inaktivointimekanismin. Esimerkiksi virusten energian käyttömekanismi sähkömagneettisille aalloille altistumisessa, patogeenisiä viruksia tappavan ei-lämpövaikutuksen yksityiskohtainen mekanismi sekä sähkömagneettisten aaltojen ja erityyppisten virusten välinen SRET-ilmiön mekanismi tulisi selvittää systemaattisesti. Soveltavan tutkimuksen tulisi keskittyä siihen, miten polaaristen molekyylien säteilyenergian liiallinen absorptio voidaan estää, tutkia eri taajuuksien sähkömagneettisten aaltojen vaikutusta erilaisiin patogeenisiin viruksiin ja tutkia sähkömagneettisten aaltojen ei-lämpövaikutuksia patogeenisten virusten tuhoamisessa.
Sähkömagneettisista aalloista on tullut lupaava menetelmä patogeenisten virusten inaktivointiin. Sähkömagneettisten aaltojen teknologian etuna on alhainen saastetaso, alhaiset kustannukset ja korkea patogeenisten virusten inaktivointitehokkuus, mikä voi voittaa perinteisen virustentorjuntateknologian rajoitukset. Tarvitaan kuitenkin lisätutkimuksia sähkömagneettisten aaltojen teknologian parametrien määrittämiseksi ja virusten inaktivointimekanismin selvittämiseksi.
Tietty annos sähkömagneettista aaltosäteilyä voi tuhota monien patogeenisten virusten rakenteen ja aktiivisuuden. Virusten inaktivoinnin tehokkuus liittyy läheisesti taajuuteen, tehotiheyteen ja altistusaikaan. Lisäksi mahdollisiin mekanismeihin kuuluvat energiansiirron lämpö-, lämpö- ja rakenteelliset resonanssivaikutukset. Perinteisiin virusten vastaisiin tekniikoihin verrattuna sähkömagneettisiin aaltoihin perustuvalla virusten inaktivoinnilla on etuna yksinkertaisuus, korkea hyötysuhde ja alhainen saaste. Siksi sähkömagneettisiin aaltoihin perustuvasta virusten inaktivoinnista on tullut lupaava virusten vastainen tekniikka tulevaisuuden sovelluksiin.
U Yu. Mikroaaltosäteilyn ja kylmäplasman vaikutus bioaerosolien aktiivisuuteen ja siihen liittyviin mekanismeihin. Pekingin yliopisto. Vuosi 2013.
Sun CK, Tsai YC, Chen Ye, Liu TM, Chen HY, Wang HC ym. Mikroaaltojen resonanssidipolikytkentä ja rajoittuneet akustiset värähtelyt bakuloviruksissa. Tieteellinen raportti 2017; 7(1):4611.
Siddharta A, Pfaender S, Malassa A, Doerrbecker J, Anggakusuma, Engelmann M ym. HCV:n ja HIV:n inaktivointi mikroaaltouuneilla: uusi lähestymistapa viruksen leviämisen estämiseksi suonensisäisten huumeiden käyttäjien keskuudessa. Tieteellinen raportti 2016; 6:36619.
Yan SX, Wang RN, Cai YJ, Song YL, Qv HL. Sairaala-asiakirjojen kontaminaation tutkimus ja kokeellinen havainnointi mikroaaltouunidesinfioinnilla [J] Chinese Medical Journal. 1987; 4:221-2.
Sun Wei. Alustava tutkimus natriumdikloori-isosyanaatin inaktivaatiomekanismista ja tehosta bakteriofagia MS2 vastaan. Sichuanin yliopisto. 2007.
Yang Li Alustava tutkimus o-ftalaldehydin inaktivointivaikutuksesta ja vaikutusmekanismista bakteriofagi MS2:een. Sichuanin yliopisto. 2007.
Wu Ye, Ms. Yao. Ilmassa leviävän viruksen inaktivointi in situ mikroaaltosäteilyllä. Chinese Science Bulletin. 2014;59(13):1438-45.
Kachmarchik LS, Marsai KS, Shevchenko S., Pilosof M., Levy N., Einat M. ym. Koronavirukset ja poliovirukset ovat herkkiä lyhyille W-kaistan syklotronisäteilypulsseille. Letter on environmental chemistry. 2021;19(6):3967-72.
Yonges M, Liu VM, van der Vries E, Jacobi R, Pronk I, Boog S ym. Influenssaviruksen inaktivointi antigeenisuustutkimuksia ja fenotyyppisten neuraminidaasi-inhibiittoreiden resistenssimäärityksiä varten. Journal of Clinical Microbiology. 2010;48(3):928-40.
Zou Xinzhi, Zhang Lijia, Liu Yujia, Li Yu, Zhang Jia, Lin Fujia jne. Yleiskatsaus mikroaaltosterilointiin. Guangdongin mikroravinnetiede. 2013;20(6):67-70.
Li Jizhi. Mikroaaltojen ei-termiset biologiset vaikutukset elintarvikkeiden mikro-organismeihin ja mikroaaltouunien sterilointitekniikka [JJ Southwestern Nationalities University (luonnontieteellinen painos). 2006; 6:1219–22.
Afagi P, Lapolla MA, Gandhi K. SARS-CoV-2-piikkiproteiinin denaturoituminen atermisessä mikroaaltosäteilytyksessä. Tieteellinen raportti 2021; 11(1):23373.
Yang SC, Lin HC, Liu TM, Lu JT, Hong WT, Huang YR ym. Tehokas rakenteellinen resonanssienergian siirto mikroaalloista rajoitettuihin akustisiin värähtelyihin viruksissa. Tieteellinen raportti 2015; 5:18030.
Barbora A, Minnes R. Kohdennettu antiviraalinen hoito ionisoimattomalla sädehoidolla SARS-CoV-2:n hoidossa ja valmistautuminen viruspandemiaan: menetelmät, menetelmät ja käytännön muistiinpanot kliiniseen käyttöön. PLOS One. 2021;16(5):e0251780.
Yang Huiming. Mikroaaltosterilointi ja siihen vaikuttavat tekijät. Chinese Medical Journal. 1993;(04):246-51.
Sivu WJ, Martin WG Mikrobien selviytyminen mikroaaltouuneissa. Voit J Microorganisms. 1978;24(11):1431-3.
Elhafi G., Naylor SJ, Savage KE, Jones RS Mikroaaltouunissa tai autoklaavissa tapahtuva käsittely tuhoaa tarttuvan keuhkoputkentulehdusviruksen ja lintuinfluenssaviruksen tarttuvuuden, mutta mahdollistaa niiden havaitsemisen käänteiskopioijaentsyymin polymeraasiketjureaktiolla. poultry disease. 2004;33(3):303-6.
Ben-Shoshan M., Mandel D., Lubezki R., Dollberg S., Mimouni FB. Sytomegaloviruksen hävittäminen rintamaidosta mikroaaltouunilla: pilottitutkimus. breastfeeding medicine. 2016;11:186-7.
Wang PJ, Pang YH, Huang SY, Fang JT, Chang SY, Shih SR ym. SARS-CoV-2-viruksen mikroaaltojen resonanssiabsorptio. Tieteellinen raportti 2022; 12(1): 12596.
Sabino CP, Sellera FP, Sales-Medina DF, Machado RRG, Durigon EL, Freitas-Junior LH, jne. SARS-CoV-2:n tappava UV-C (254 nm) annos. Valodiagnostiikka Photodyne Ther. 2020;32:10 – 1995.
Storm N, McKay LGA, Downs SN, Johnson RI, Birru D, de Samber M, ym. SARS-CoV-2:n nopea ja täydellinen inaktivointi UV-C:llä. Tieteellinen raportti 2020; 10(1):22421.