Desinfektion von SARS

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8229 (2023) Diesen Artikel zitieren

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UV-Bestrahlung ist ein wirksames Mittel zur Desinfektion von Viren im Allgemeinen und Coronaviren im Besonderen. Diese Studie untersucht die Desinfektionskinetik der SARS-CoV-2-Varianten Wildtyp (ähnlich dem Wuhan-Stamm) und drei Varianten (Alpha, Delta und Omicron) mittels 267 nm UV-LED. Alle Varianten zeigten eine durchschnittliche Reduzierung der Kopienzahl um mehr als 5 Logs bei 5 mJ/cm2, es waren jedoch Inkonsistenzen erkennbar, insbesondere bei der Alpha-Variante. Eine Erhöhung der Dosis auf 7 mJ/cm2 erhöhte die durchschnittliche Inaktivierung nicht, führte jedoch zu einer dramatischen Verringerung der Inaktivierungsinkonsistenz, sodass diese Dosis die empfohlene Mindestdosis darstellt. Die Sequenzanalyse legt nahe, dass der Unterschied zwischen den Varianten wahrscheinlich auf kleine Unterschiede in der Häufigkeit spezifischer UV-extraempfindlicher Nukleotidsequenzmotive zurückzuführen ist, obwohl diese Hypothese weitere experimentelle Tests erfordert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von UV-LED mit ihrem einfachen Strombedarf (kann über eine Batterie oder ein Photovoltaik-Panel betrieben werden) und der geometrischen Flexibilität viele Vorteile bei der Verhinderung der SARS-CoV-2-Ausbreitung bieten könnte, allerdings sollte die minimale UV-Dosis sorgfältig beachtet werden berücksichtigt.

Die Effizienz der ultravioletten (UV) Bestrahlung hängt von mehreren Faktoren ab, wie z. B. UV-Dosis, Bestrahlungsstärke, Strahlungsquelle, Mikroorganismus- und Stammtyp, Matrix und UV-Wellenlänge. UV-Leuchtdioden (UV-LEDs) emittieren UV-Licht bei bestimmten Wellenlängen mit relativ schmaler Halbwertsbreite (FWHM). Beispielsweise zeigten UV-LEDs oder polychromatisches Quecksilber im keimtötenden Bereich eine geringere Wirksamkeit bei höheren UV-Wellenlängen1,2, während bei UV-LEDs unterschiedlicher Wellenlängen und UV-Schadensmechanismen Diskrepanzen im Zeit-Dosis-Reziprozitätsgesetz festgestellt wurden (Ref.3; siehe auch Tabelle 2).

UV-Bestrahlung ist wirksam bei der Inaktivierung von Viren in verschiedenen Umgebungen wie wässrigen Lösungen1,4, auf Oberflächen5,6 und in Luft/Bioaerosolen7,8. UV-Bestrahlung erwies sich auch als wirksam bei der Inaktivierung menschlicher Coronaviren (z. B. hOC431) und des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV2)9,10. Allerdings sind die SARS-CoV-2-Ausbrüche durch das schnelle Auftreten von Varianten11,12 gekennzeichnet, was Vergleiche zwischen Studien zu verschiedenen SARS-CoV-2-Varianten erschwert. Unsere vorherige Studie untersuchte die Auswirkungen von UV-LED-Wellenlängen auf einen Stamm des menschlichen Coronavirus (hCV-431). Hier untersuchten wir die Empfindlichkeit von vier verschiedenen Varianten von SARS-CoV-2 (Wildtyp, Alpha, Delta und Omicron) gegenüber der keimtötenden UV-LED-Wellenlänge mit einer Spitzenemission bei 267 nm.

Die UV-LED-Spektren zeigten eine Spitzenemission bei 267 nm mit einer schmalen FWHM-Bandbreite von 12 nm (Abb. 1).

Emissionsspektren der in dieser Studie verwendeten 267-nm-UV-LED.

Bei der Dosis Null (keine UV-Exposition) wurde eine Variation zwischen den anfänglichen Viruskopienzahlen der verschiedenen Varianten festgestellt, aber die einfaktorielle ANOVA-Analyse ergab keinen statistisch signifikanten Unterschied (F3,60 = 0,2941, p = 0,83). Die Bestrahlungszeit und Dosis-(Fluenz)-Reaktionskurve verschiedener SARS-CoV-2-Varianten auf 267-nm-UV-LED ist in Abb. 2 dargestellt. Die erste statistisch signifikante Inaktivierung für die wt-, Delta- und Omicron-Varianten erforderte eine Exposition gegenüber 2 mJ/cm2. während die Alpha-Variante 5 mJ/cm2 erforderte (Abb. 2b), führten höhere Dosen zu einem Plateau bis zur Maximaldosis (10 mJ/cm2). Interessanterweise war die Variabilität der Inaktivierungseffizienz sowohl von der UV-Dosis als auch von der Variante abhängig, wie aus der Größe der Fehlerbalken (Abb. 2) und dem großen Varianzkoeffizienten, insbesondere für die Alpha-Variante (Tabelle 1), hervorgeht. Diese Variabilität bei niedrigeren Dosen sollte bei der Entwicklung eines Desinfektionssystems zur Eindämmung von Coronaviren eine Rolle spielen. Es wird eine UV-LED-Dosis von 7 mJ/cm2 empfohlen. Darüber hinaus war die einfallende LED-Bestrahlungsstärke in diesem Fall gering – leistungsstärkere LEDs (die zu einem höheren Strahlungsfluss bei einer bestimmten Belichtungszeit führen) könnten das Risiko dieser Variabilität mindern und sollten untersucht werden.

UV267-nm-Bestrahlungszeit und Dosis-Wirkungs-Kurven der verschiedenen SARS-CoV-2-Varianten (gewichtete einfallende Bestrahlungsstärke 0,152 mW/cm2). Datenpunkte sind Durchschnittswerte (N = 11–16 für 0 bis 5 mJ/cm2 und N = 4 für 7 mJ/cm2 und mehr). Fehlerbalken bezeichnen 1 SD.

Um den Mechanismus zu entschlüsseln, der der unterschiedlichen Inaktivierungseffizienz zugrunde liegt, untersuchten wir die Sequenzen der Variante weiter und konzentrierten uns dabei auf die Dehnungssequenzen YTTC und YCTY („Y“ ist C oder T), Konsens für die UV-induzierte 6-4PP-Addukt- bzw. CPD-Schädigung mit der höchsten Intensität17 . In Tabelle 2 ist die Häufigkeit des Auftretens dieser Sequenzen in den Sequenzen der verschiedenen Varianten angegeben (siehe Sequenzausrichtung in der ergänzenden Abbildung S1). Dies zeigt, dass die Alpha-Variante das geringste Auftreten solcher Sequenzen aufweist, was mit ihrer höheren Toleranz und Varianz als Reaktion auf UV übereinstimmt bei mittleren Dosen (dh 2 mJ/cm2). Wenn diese Hypothese zutrifft, würden kleine Veränderungen in der Genomsequenz des Virus zu dramatischen Veränderungen seiner UV-Beständigkeit führen und sollten bei der Suche nach dem Einsatz von UV-Bestrahlung zur Bekämpfung pathogener Viren in Betracht gezogen werden.

Die in Abb. 2b dargestellten Daten passen gut zu den zuvor veröffentlichten Ergebnissen, da sie sowohl darauf hinweisen, dass UVC gegen SARS-CoV-2-Viren wirksam sein kann, als auch auf die für eine effiziente Inaktivierung erforderlichen Dosen (Tabelle 3). Es ist bemerkenswert, dass frühere veröffentlichte Daten zur Inaktivierung des SARS-CoV-2-Virus in Suspension auf höhere Dosen schließen ließen, die für eine Reduzierung um 3 Log erforderlich sind (vergleiche Tabelle 3, Zeilen 1, 4, 6, 7 und 8), wahrscheinlich aufgrund der Zugabe von Protein zur Suspension8 und dient als UV-Absorber. Beim direkten Vergleich von Suspension und Aerosolen8 waren für eine ähnliche Aktivierung des Virus in letzterem deutlich geringere Dosen erforderlich (siehe Zeile 7 in Tabelle 3), wahrscheinlich aufgrund der viel kleineren Tröpfchengröße im Aerosol (in Ref.8 mehr als 80 %). Die Größe der Tröpfchen war kleiner als 1 µm, während die Suspensionströpfchen wahrscheinlich etwa 1 mm groß waren, da sie ein ähnliches Volumen wie das hier dargestellte verwendeten.

Zusammenfassend deuten sowohl unsere als auch frühere Ergebnisse darauf hin, dass die UVC-Bestrahlung zur Bekämpfung des menschlichen Coronavirus eingesetzt werden kann und gleichzeitig die Umweltauswirkungen der Verwendung von Desinfektionsmitteln abgemildert und die Wiederverwendung von Atemschutzmasken ermöglicht wird9,18 wodurch die Menge an daraus entstehenden Kunststoffabfällen verringert wird19. Darüber hinaus kann der Einsatz von UV-Licht als Desinfektionsmittel den Einsatz von umweltschädlichen chemischen Desinfektionsmitteln20 und quecksilberhaltigen UV-Lampen reduzieren (im Einklang mit der Minamata-Konvention zur Reduzierung der weltweiten Quecksilberverschmutzung). Das kleine Format von UV-LEDs und die einfache elektrische Schaltung, die für UVC-LEDs erforderlich ist, könnten auch ihren Einbau in Lüftungssysteme unterstützen21, obwohl eine solche Anwendung immer noch durch die UV-LED-Emissionseffizienz begrenzt ist.

In dieser Studie wurden vier SARS-CoV-2-Varianten verwendet: wt (wt-ähnlicher Stamm, B.1.1.50, der 2020 in Israel zirkulierte); Alpha (B.1.1.7 501Y.V1), das mehrere Spike-Mutationen enthält, weist nachweislich eine um 70 % höhere Übertragungsrate auf als der Wildstamm-Stamm13; Delta (B.1.617.2) berichtete, dass sie im Vergleich zur Alpha-Variante ansteckender sei und schwerere Erkrankungen verursachte13; und Omicron (B.1.1.529), das mehr als dreißig Aminosäuremutationen im Spike-Protein enthält und eine um das Fünf- bis Elffache höhere Mutationsrate als andere Varianten sowie eine erhöhte Übertragbarkeit und Immunumgehung aufweist14. Alle Virusvarianten wurden im Mandelbaum-Labor aus übrig gebliebenen Atemwegsabstrichproben (vollständig anonymisierten Proben) isoliert, die für die Routinediagnose verwendet wurden, und als positiv für SARS-CoV-2 befunden. Alle Protokolle wurden mit Genehmigung des Sheba Medical Center Helsinki Committee (Nummer 7875-20-SMC) durchgeführt und unter diesen Umständen benötigen Krankenhäuser keine Einverständniserklärung. Viren wurden durch Sequenzierung identifiziert (Sequenzen sind in der NCBI-Genbank-Datenbank unter den Zugangsnummern OQ948263 bis OQ948266 hinterlegt. Sequenzen sind auch unter https://gisaid.org/ unter den Zugangsnummern EPI_ISL_745046, EPI_ISL_737204, EPI_ISL_2183060 bzw. EPI_ISL_7869197 zu finden ) . Die Ausbreitung der Viren erfolgte wie zuvor beschrieben15.

Die UV-Quelle war ein speziell angefertigtes UV-LED-Gerät, das in Zusammenarbeit mit AquiSense gebaut wurde und eine Spitzenemissionswellenlänge bei 267 nm aufwies (Abb. 1)1,16. Die gewichtete einfallende Bestrahlungsstärke betrug 0,152 mW/cm2 in der Mitte des Belichtungsbereichs (gemessen mit einem kalibrierten Ocean Optics USB4000-Spektroradiometer, ausgestattet mit einem Kosinuskorrektor und integriert für 250–290 nm). Die UV-Dosis (mJ/cm2) wurde durch Multiplikation der gemessenen Bestrahlung (mW/cm2) mit der Bestrahlungszeit (Sekunden) bestimmt.

Die Virusbestrahlung erfolgte wie zuvor beschrieben1. Kurz gesagt, die Virussuspension wurde in Eagle's Minimum Essential Medium ohne Phenolrot (UVT > 95 %) auf eine Konzentration von 10 × 100TCID50 verdünnt (d. h. das 1000-fache der Verdünnung eines Virus, die erforderlich ist, um 50 % der Zellen in der Zellkultur zu infizieren22). hier innerhalb von 5 Tagen nach der Infektion). Fünfzig µl dieser Virussuspension wurden in jede Vertiefung einer schwarzen Platte mit 24 Vertiefungen gegeben (was eine Schicht von ca. 1 mm Höhe am höchsten Punkt ergab). Alle Brunnen wurden mit schwarzem Isolierband abgedeckt. Jedes Mal vor der Bestrahlung wurde das Band für die angegebene Zeit von einer 4-Well-Säule oder 6-Well-Reihe entfernt1,16, was entsprechend zu 4 bzw. 6 Wiederholungen pro Platte führte. In jeder getesteten Platte wurde eine Spalte/Reihe von Vertiefungen während der gesamten Bestrahlung abgedeckt, um als NoUV-Kontrolle und als Referenz für die Bestrahlungsstärke 0 zu dienen. Aufgrund der erheblichen Schwankungen der Ergebnisse wurde der Vorgang dreimal für die kürzeren Bestrahlungszeiten (1, 2 und 5 mJ/cm2) wiederholt. Die Nullbestrahlungskontrolle wurde während des gesamten Bestrahlungsprozesses mit dem Klebeband abgedeckt, um andere Effekte zu ermöglichen.

Die Virusquantifizierung erfolgte nach der Proliferation, sodass nur infektiöse Viren quantifiziert wurden. Zu diesem Zweck wurden nach der Bestrahlung 450 µl Eagle's Minimum Essential Medium, ergänzt mit 2 % (v/v) fötalem Kälberserum (MEM-EAGLE), in jede Vertiefung gegeben (einschließlich der „kein UV“-Vertiefungen); Der Inhalt wurde durch Pipettieren gemischt und 50 µl wurden in eine Vertiefung einer 96-Well-Platte (Applied Biosystems, USA) überführt, die 24 Stunden alte (80–90 % Konfluenz) Vero-E6-Zellen im gleichen Medium enthielt, was das Endergebnis ergab Viruskonzentration von 100TCID50 pro Well (für vorbestrahlte Viren). Die Platten wurden 1 Stunde lang bei 33 °C inkubiert, nicht gebundene Viren wurden durch Pipettieren mit dem Medium gewaschen und 200 μl MEM-EAGLE-Medium mit 2 % FCS wurden zugegeben. Anschließend wurden die Zellen fünf weitere Tage lang in einem befeuchteten Inkubator mit 5 % CO2 bei 33 °C inkubiert. Die Gesamt-RNA wurde mit einem MagNA Pure 96 Instrument (Roche Life Science) gemäß dem Protokoll des Herstellers aus den Zellen extrahiert. Die Anzahl der Viruskopien in den Zellen wurde durch Reverse-Transkriptase-qPCR (durchgeführt im CFX-96-Thermocycler, Bio-Rad, USA) bestimmt und mit einer Kalibrierungskurve verglichen, die aus Viruslösungen bekannter Titer erstellt wurde. Die verwendeten Oligonukleotide waren E_Sarbeco_F (ACAGGTACGTTAATAGTTAATAGCGT) und E_Sarbeco_R (ATATTGCAGCAGTACGCACACA) und die Sonde war E_Sarbeco_P1 (FAM-ACACTAGCCATCCTTACTGCGCTTCG-BBQ), mit den in Ref. 23 beschriebenen Bedingungen.

Die logarithmische Inaktivierung wurde für jede Variante-Präparat-Kombination separat als log (N0/N) berechnet, wobei N und N0 Viruskonzentrationen mit bzw. ohne Bestrahlung sind, um die Variabilität der anfänglichen Viruszahlen zu korrigieren (sowohl für verschiedene Präparate derselben Variante als auch dazwischen). Varianten zum gleichen Erstellungsdatum). Zu diesem Zweck wurde die Viruszahl in jeder Vertiefung (Gl. 1, N-Dose-Variante) durch die durchschnittliche Anzahl der Viren der entsprechenden durchschnittlichen spezifischen Varianten noUV-Vertiefungen in derselben Platte (Gl. 1, N0-Variante) dividiert.

Alle Analysen wurden mit SPSS-Statistiken für Windows v.24 (IBM, veröffentlicht 2016) mit Quadratsummen vom Typ III durchgeführt.

Die Quantifizierung UV-empfindlicher Motive erfolgte in R (Version 4.1.3; 10.03.2022) unter Verwendung von benutzerdefiniertem Code (siehe ergänzende Informationen). Der Sequenzvergleich wurde mit dem MAFFT-Algorithmus (https://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/mafft/) und die Ausrichtung mit Clustal Omega (https://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/) durchgeführt. clustalo/).

Diese Forschung wurde teilweise durch ein internes Stipendium des Oranim Academic College und durch das Tel Aviv University Center for Combatting Pandemics (TCCP) finanziert.

Sequenzen der in dieser Studie verwendeten Varianten wurden in (Sequenzen in der NCBI-Genbankdatenbank unter den Zugangsnummern OQ948263 (wt), OQ948264 (Alpha), OQ948265 (Delta), OQ948266 (Omicron) hinterlegt. Sequenzen können auch im https gefunden werden ://gisaid.org/ unter den Zugangsnummern EPI_ISL_745046, EPI_ISL_737204, EPI_ISL_2183060 bzw. EPI_ISL_7869197) https://gisaid.org/ unter den Zugangsnummern EPI_ISL_745046 (wt), EPI_ISL_737204 (Alpha), EPI_ISL_2183 060 (Delta) und EPI_ISL_7869197 (Omicron) .

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Die Forschung wurde teilweise vom Tel Aviv University Center for Combatting Pandemics https://en-pandemics.tau.ac.il/ (HM) und durch einen internen Zuschuss des Oranim College (YG) finanziert.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Michal Mandelboim und Yoram Gerchman.

Zentrales Virologielabor, Gesundheitsministerium, Chaim Sheba Medical Center, Tel-Hashomer, Ramat-Gan, Israel

Nofar Atari, Neta Zuckerman und Michal Mandelboim

School of Mechanical Engineering, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Tel Aviv, 69978, Tel Aviv, Israel

Mamane-Feen

Abteilung für Biologie und Umwelt, Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Haifa-Oranim, Kiryat Tiv'on, Israel

Alon Silberbush

Abteilung für Epidemiologie und Präventivmedizin, School of Public Health, Universität Tel Aviv, Tel Aviv, Israel

Michal Mandelboim

Das Institut für Evolution, Universität Haifa, Haifa, Israel

Yoram Gerchman

Oranim College, 3600600, Tivon, Israel

Yoram Gerchman

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NA Durchgeführte Experimente und gesammelte Daten, Überprüfung des Manuskripts. HM gesicherte Finanzierung, Manuskriptprüfung. AS Führte statistische Analysen und Manuskriptprüfung durch. NZ führte bioinformatische Sequenzanalyse und Manuskriptprüfung durch. MM konzipierte und gestaltete die Analyse, überwachte Experimente und überprüfte das Manuskript. YG konzipierte und gestaltete die Analyse, sicherte die Finanzierung, verfasste den ersten Entwurf und überprüfte das Manuskript.

Korrespondenz mit Yoram Gerchman.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Atari, N., Mamane, H., Silberbush, A. et al. Desinfektion von SARS-CoV-2 durch UV-LED 267 nm: Vergleich verschiedener Varianten. Sci Rep 13, 8229 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35247-9

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Eingegangen: 23. September 2022

Angenommen: 15. Mai 2023

Veröffentlicht: 22. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35247-9

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