Per disinfettare una superficie, puoi illuminarla con un'esplosione di luce ultravioletta (UV), che è più blu di quanto l'occhio umano possa vedere. Ma per inattivare in modo specifico SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19, quali lunghezze d'onda sono le migliori? E quanta radiazione è sufficiente?

Rispondere a queste domande richiede agli scienziati di superare due ostacoli principali. In primo luogo, devono separare completamente il virus dalle sostanze estranee nell'ambiente. In secondo luogo, devono illuminare il virus con una singola lunghezza d'onda di luce UV alla volta, con modifiche minime all'impostazione sperimentale tra i test.

Una recente collaborazione tra il National Institute of Standards and Technology (NIST) e il National Biodefense Analysis and Countermeasures Center (NBACC), un laboratorio della direzione scientifica e tecnologica del Dipartimento per la sicurezza interna degli Stati Uniti, ha superato entrambi questi ostacoli e ha completato quello che potrebbe essere il più completo test mai condotto su come diverse lunghezze d'onda UV e visibili influenzano SARS-CoV-2.

In un nuovo articolo pubblicato questa settimana su Applied Optics , i collaboratori descrivono il loro nuovo sistema per proiettare una singola lunghezza d'onda della luce alla volta su un campione del virus COVID-19 in un laboratorio sicuro. Classificato come livello di biosicurezza 3 (BSL-3), il laboratorio è progettato per lo studio di microbi potenzialmente letali se inalati. Il loro esperimento ha testato più lunghezze d'onda della luce UV e visibile rispetto a qualsiasi altro studio con il virus che causa il COVID-19 fino ad oggi.

Allora, qual è la kryptonite di SARS-CoV-2? A quanto pare, niente di speciale:il virus è suscettibile alle stesse lunghezze d'onda della luce UV di altri virus come quelli che causano l'influenza. Le lunghezze d'onda più efficaci erano quelle nell'intervallo "UVC" compreso tra 222 e 280 nanometri (nm). La luce UVC (gamma completa da 200 a 280 nm) è più corta delle lunghezze d'onda UVB (da 280 a 315 nm) che causano scottature.

I ricercatori hanno anche dimostrato che l'ambiente circostante il virus può avere un effetto protettivo sul virus. Nello studio, è stata necessaria una dose UV più piccola per inattivare i virus quando sono stati posti in acqua pura rispetto a quando sono stati posti nella saliva simulata, che contiene sali, proteine ​​​​e altre sostanze che si trovano nella saliva umana reale. La sospensione del virus nella saliva simulata crea una situazione simile agli scenari del mondo reale che coinvolgono starnuti e tosse. Ciò potrebbe rendere i risultati più direttamente informativi rispetto a quelli di studi precedenti.

"Penso che uno dei grandi contributi di questo studio sia che siamo stati in grado di dimostrare che il tipo di risultati idealizzati che vediamo nella maggior parte degli studi non sempre predicono cosa succede quando è in gioco uno scenario più realistico", ha affermato Michael Schuit di NBACC. "Quando si dispone di materiale come la saliva simulata attorno al virus, ciò può ridurre l'efficacia degli approcci di decontaminazione UV".

I produttori di dispositivi di disinfezione UV e le autorità di regolamentazione possono utilizzare questi risultati per aiutare a informare per quanto tempo le superfici in ambienti medici, aerei o persino liquidi devono essere irradiate per ottenere l'inattivazione del virus SARS-CoV-2.

"In questo momento, c'è una grande spinta per portare la disinfezione UVC nell'atmosfera commerciale", ha affermato il ricercatore del NIST Cameron Miller. "A lungo termine, si spera che questo studio porti a standard e altre metodologie per misurare la dose UV necessaria per inattivare SARS-CoV-2 e altri virus dannosi."

Questo progetto si basa sul lavoro precedente svolto dal team del NIST con un altro collaboratore sull'inattivazione dei microrganismi nell'acqua.

Fai un po' di luce

A seconda della lunghezza d'onda, la luce UV danneggia gli agenti patogeni in modi diversi. Alcune lunghezze d'onda possono danneggiare l'RNA o il DNA dei microbi, facendogli perdere la capacità di replicarsi. Altre lunghezze d'onda possono scomporre le proteine, distruggendo il virus stesso.

Anche se le persone conoscono le capacità di disinfezione della luce UV da più di cento anni, c'è stata un'esplosione nella ricerca sulla disinfezione UV negli ultimi dieci anni. Uno dei motivi è che le sorgenti tradizionali di luce UV a volte contengono materiali tossici come il mercurio. Di recente, l'uso di lampade a LED non tossiche come sorgente di luce UV ha attenuato alcune di queste preoccupazioni.

Per questo studio, i collaboratori del NIST hanno lavorato con i biologi dell'NBCC, la cui ricerca informa la pianificazione della biodifesa su minacce biologiche come l'antrace e il virus Ebola.

"Quello che NBACC è stato in grado di fare è stato far crescere il virus, concentrarlo e rimuovere tutto il resto", ha detto Miller. "Stavamo cercando di ottenere un messaggio chiaro di quanta luce abbiamo bisogno per inattivare solo il virus SARS-CoV-2."

Nello studio, il team ha testato il virus in diverse sospensioni. Oltre a utilizzare la simulazione della saliva, gli scienziati hanno anche messo il virus nell'acqua per vedere cosa è successo in un ambiente "puro", senza componenti che potrebbero proteggerlo. Hanno testato le loro sospensioni virali sia come liquidi che come goccioline essiccate su superfici d'acciaio, che rappresentavano qualcosa che una persona infetta poteva starnutire o tossire.

Il compito del NIST era di dirigere la luce UV di un laser sui campioni. Stavano cercando la dose necessaria per uccidere il 90% del virus.

Con questa configurazione, la collaborazione è stata in grado di misurare come il virus ha risposto a 16 diverse lunghezze d'onda che si estendono dall'estremità molto bassa dell'UVC, 222 nm, fino alla parte centrale della gamma di lunghezze d'onda visibili, a 488 nm. I ricercatori hanno incluso le lunghezze d'onda più lunghe perché è stato dimostrato che una parte della luce blu ha proprietà disinfettanti.

Nessun pezzo di torta

Portare la luce laser sui campioni in un laboratorio sicuro non è stato banale. I ricercatori in un laboratorio BSL-3 indossano camici e cappucci con respiratori. Per uscire dal laboratorio è necessaria una lunga doccia prima di rimettersi in borghese.

Apparecchiature come il costoso laser del team avrebbero dovuto subire una procedura di sterilizzazione notevolmente più severa.

"È una specie di porta a senso unico", ha detto Miller. "Tutto ciò che esce da quel laboratorio deve essere incenerito, sterilizzato in autoclave [sterilizzato a caldo] o disinfettato chimicamente con vapore di perossido di idrogeno. Quindi, prendere il nostro laser da $ 120.000 non era l'opzione che volevamo usare".

Invece, i ricercatori del NIST hanno progettato un sistema in cui il laser e alcune delle ottiche si trovavano in un corridoio fuori dal laboratorio. Hanno condotto la luce attraverso un cavo in fibra ottica lungo 4 metri che è passato attraverso un sigillo sotto la porta di un laboratorio. La pressione negativa ha mantenuto il flusso d'aria dal corridoio al laboratorio e ha impedito a qualsiasi cosa di fuoriuscire.

Il laser produceva una singola lunghezza d'onda alla volta ed era completamente sintonizzabile in modo che i ricercatori potessero produrre qualsiasi lunghezza d'onda desiderassero. Ma poiché la luce si piega ad angoli diversi a seconda della sua lunghezza d'onda, hanno dovuto creare un sistema di prismi che cambiasse l'angolo con cui la luce entrava nella fibra in modo che si allineasse correttamente. La modifica dell'angolo di uscita comportava la rotazione manuale di una manopola creata per regolare la posizione di un prisma. Hanno cercato di rendere tutto il più semplice possibile, con un numero minimo di parti mobili.

"Il dispositivo ideato dal team del NIST ci ha permesso di testare rapidamente una gamma molto ampia di lunghezze d'onda diverse, tutte a bande d'onda molto controllate e precise", ha detto Schuit. "Se avessimo cercato di ottenere lo stesso numero di lunghezze d'onda senza quel sistema, avremmo dovuto destreggiarci tra diversi tipi di dispositivi, ognuno dei quali avrebbe prodotto bande d'onda di diverse larghezze. Avrebbero richiesto configurazioni diverse e lì ci sarebbero state molte variabili aggiuntive nel mix."

La manipolazione della luce richiedeva specchi e lenti, ma i ricercatori l'hanno progettata per usarne il minor numero possibile, perché ognuno porta a una perdita di intensità per la luce UV.

Per i materiali che dovevano entrare nel laboratorio per proiettare la luce dalla fibra sui campioni di virus COVID, il team ha cercato di utilizzare parti poco costose. "Abbiamo stampato in 3D molte cose", ha affermato il fisico del NIST Steve Grantham, un membro chiave del team insieme a Thomas Larason del NIST. "Quindi, niente era davvero costoso e se non lo usiamo mai più, non è un grosso problema."

Anche la comunicazione tra l'area laser e l'interno del laboratorio era difficile perché le persone non potevano entrare e uscire a loro piacimento, quindi hanno utilizzato un sistema di interfono cablato.

Nonostante le difficoltà, il sistema ha funzionato sorprendentemente bene, ha detto Miller, soprattutto perché avevano solo pochi mesi per metterlo insieme. "Ci sono un paio di aree su cui probabilmente potremmo migliorare, ma penso che i nostri guadagni sarebbero minimi", ha detto Miller.

Il team del NIST prevede di utilizzare questo sistema per studi futuri su altri virus e microrganismi che i biologi dei laboratori ad alta sicurezza potrebbero voler condurre.

"Quando arriva il prossimo virus, o qualunque agente patogeno a cui sono interessati, tutto ciò che dobbiamo fare è far rotolare il sistema laser lassù, spingere una fibra lì sotto e loro la collegheranno al loro sistema di proiezione", ha detto Miller . "Quindi ora siamo pronti per la prossima volta." + Esplora ulteriormente

Un nuovo studio dimostra il dosaggio corretto per la disinfezione a raggi ultravioletti contro il COVID