För att desinficera en yta kan du belysa den med en explosion av ultraviolett (UV) ljus, som är blåare än det mänskliga ögat kan se. Men för att specifikt inaktivera SARS-CoV-2, viruset som orsakar COVID-19, vilka våglängder är bäst? Och hur mycket strålning räcker?

Att besvara dessa frågor kräver att forskare övervinner två huvudsakliga hinder. Först måste de separera viruset helt från främmande ämnen i miljön. För det andra måste de belysa viruset med en enda våglängd av UV-ljus åt gången, med minimala förändringar av experimentupplägget mellan testerna.

Ett nyligen genomfört samarbete mellan National Institute of Standards and Technology (NIST) och National Biodefense Analysis and Countermeasures Center (NBACC), ett laboratorium från USA:s Department of Homeland Security Science and Technology Directorate, övervann båda dessa hinder och fullbordade vad som kan vara det mest grundliga test som någonsin genomförts av hur flera olika UV och synliga våglängder påverkar SARS-CoV-2.

I en ny artikel publicerad denna vecka i Applied Optics , beskriver kollaboratörerna sitt nya system för att projicera en enda våglängd av ljus åt gången på ett prov av COVID-19-virus i ett säkert laboratorium. Klassificerat som Biosäkerhetsnivå 3 (BSL-3), är labbet designat för att studera mikrober som är potentiellt dödliga vid inandning. Deras experiment testade fler våglängder av UV och synligt ljus än någon annan studie med viruset som hittills orsakar covid-19.

Så vad är SARS-CoV-2s kryptonit? Som det visar sig, inget speciellt:Viruset är mottagligt för samma våglängder av UV-ljus som andra virus som de som orsakar influensa. De mest effektiva våglängderna var de i "UVC"-intervallet mellan 222 och 280 nanometer (nm). UVC-ljus (helt omfång från 200 till 280 nm) är kortare än de UVB-våglängder (280 till 315 nm) som orsakar solbränna.

Forskare visade också att virusets omgivning kan ha en skyddande effekt på viruset. I studien krävdes en mindre UV-dos för att inaktivera virus när de placerades i rent vatten än när de placerades i simulerad saliv, som innehåller salter, proteiner och andra ämnen som finns i faktisk mänsklig saliv. Att suspendera viruset i simulerad saliv skapar en situation som liknar verkliga scenarier med nysningar och hosta. Detta kan göra resultaten mer direkt informativa än de från tidigare studier.

"Jag tror att ett av de stora bidragen från den här studien är att vi kunde visa att den typ av idealiserade resultat vi ser i de flesta studier inte alltid förutsäger vad som händer när det finns ett mer realistiskt scenario på gång", säger Michael Schuit från NBACC. "När du har material som den simulerade saliven runt viruset, kan det minska effekten av UV-saneringsmetoder."

Tillverkare av UV-desinfektionsanordningar och regulatorer kan använda dessa resultat för att informera om hur långa ytor i medicinska miljöer, flygplan eller till och med vätskor ska bestrålas för att uppnå inaktivering av SARS-CoV-2-viruset.

"Just nu finns det ett stort tryck för att få in UVC-desinfektion i den kommersiella atmosfären", säger NIST-forskaren Cameron Miller. "Långsiktigt kommer förhoppningsvis denna studie att leda till standarder och andra metoder för att mäta UV-dos som krävs för att inaktivera SARS-CoV-2 och andra skadliga virus."

Detta projekt byggde på tidigare arbete som NIST-teamet gjorde tillsammans med en annan samarbetspartner om att inaktivera mikroorganismer i vatten.

Skjuta lite ljus

Beroende på våglängden skadar UV-ljus patogener på olika sätt. Vissa våglängder kan skada mikrobers RNA eller DNA, vilket gör att de förlorar förmågan att replikera. Andra våglängder kan bryta ner proteiner och förstöra själva viruset.

Även om människor har känt till UV-ljus desinfektionsförmåga i mer än hundra år, har det skett en explosion inom UV-desinfektionsforskningen under det senaste decenniet. En anledning är att traditionella UV-ljuskällor ibland innehåller giftiga material som kvicksilver. Nyligen har användningen av giftfria LED-lampor som UV-ljuskälla mildrat några av dessa problem.

För denna studie arbetade NIST-medarbetarna med biologer vid NBACC, vars forskning informerar bioförsvarsplanering om biologiska hot som mjältbrand och ebolavirus.

"Vad NBACC kunde göra var att odla viruset, koncentrera det och ta bort allt annat," sa Miller. "Vi försökte få ett tydligt budskap om hur mycket ljus vi behöver för att inaktivera just SARS-CoV-2-viruset."

I studien testade teamet viruset i olika suspensioner. Förutom att använda salivhärmaren lägger forskare även viruset i vatten för att se vad som hände i en "ren" miljö, utan komponenter som kunde skydda det. De testade sina virussuspensioner både som vätskor och som torkade droppar på stålytor, vilket representerade något som en infekterad person kan nysa eller hosta ut.

NIST:s uppgift var att rikta UV-ljuset från en laser mot proverna. De letade efter den dos som krävdes för att döda 90 % av viruset.

Med denna inställning kunde samarbetet mäta hur viruset svarade på 16 olika våglängder som spänner från den mycket låga delen av UVC, 222 nm, hela vägen upp i mitten av det synliga våglängdsområdet, vid 488 nm. Forskare inkluderade de längre våglängderna eftersom en del blått ljus har visat sig ha desinficerande egenskaper.

Ingen tårta

Att få laserljuset på proverna i ett säkert labb var inte trivialt. Forskare i ett BSL-3-labb bär scrubs och huvor med andningsskydd. Att lämna labbet kräver en lång dusch innan man byter tillbaka till civila kläder.

Utrustning som lagets dyra laser skulle ha behövt genomgå en betydligt strängare steriliseringsprocedur.

"Det är typ en enkelriktad dörr," sa Miller. "Allt som kommer ut från det labbet måste antingen förbrännas, autoklaveras [värmesteriliseras] eller kemiskt desinficeras med väteperoxidånga. Så att ta in vår laser för $120 000 var inte alternativet vi ville använda."

Istället designade NIST-forskarna ett system där lasern och en del av optiken stod i en hall utanför labbet. De ledde ljuset genom en 4 meter lång fiberoptisk kabel som gick genom en tätning under en labbdörr. Undertryck höll luften att strömma från korridoren in i labbet och förhindrade att något läckte ut igen.

Lasern producerade en enda våglängd åt gången och var helt inställbar så att forskare kunde producera vilken våglängd de ville. Men eftersom ljuset böjer sig i olika vinklar beroende på dess våglängd, var de tvungna att skapa ett prismasystem som ändrade vinkeln med vilken ljuset kom in i fibern så att det ställdes upp ordentligt. Att ändra utgångsvinkeln innebar att manuellt vrida på en ratt de skapade för att justera positionen för ett prisma. De försökte göra det hela så enkelt som möjligt, med ett minimalt antal rörliga delar.

"Enheten som NIST-teamet kom med gjorde det möjligt för oss att snabbt testa ett mycket brett spektrum av olika våglängder, allt med mycket kontrollerade och exakta vågband," sa Schuit. "Om vi ​​försökte göra samma antal våglängder utan det systemet, skulle vi ha behövt jonglera med en massa olika typer av enheter, som var och en skulle ha producerat vågband med olika bredder. De skulle ha krävt olika konfigurationer, och där skulle ha varit många ytterligare variabler i mixen."

Att manipulera ljuset krävde speglar och linser, men forskarna utformade det för att använda så få som möjligt, eftersom var och en leder till en förlust av intensitet för UV-ljus.

För materialet som var tvungen att komma in i labbet för att projicera ljuset från fibern på proverna av COVID-virus, försökte teamet använda billiga delar. "Vi 3D-printade många saker", säger NIST-fysikern Steve Grantham, en nyckelmedlem i teamet tillsammans med NIST:s Thomas Larason. "Så ingenting var riktigt dyrt och om vi aldrig använder det igen är det ingen stor sak."

Till och med att kommunicera mellan laserområdet och insidan av labbet var svårt eftersom människor inte kunde gå in och ut som de ville, så de använde ett fast intercomsystem.

Trots utmaningarna fungerade systemet förvånansvärt bra, sa Miller, särskilt med tanke på att de bara hade månader på sig att sätta ihop det. "Det finns ett par områden vi förmodligen skulle kunna förbättra oss på, men jag tror att våra vinster skulle vara minimala," sa Miller.

NIST-teamet planerar att använda detta system för framtida studier av andra virus och mikroorganismer som biologer vid högsäkerhetslaboratorier kanske vill genomföra.

"När nästa virus kommer, eller vilken patogen de är intresserade av, allt vi behöver göra är att rulla upp lasersystemet dit, trycka in en fiber under där, och de kommer att ansluta den till sitt projektorsystem," sa Miller . "Så nu är vi redo för nästa gång." + Utforska vidare

Ny studie bevisar korrekt dosering för ultraviolett desinfektion mot COVID