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Jan 13, 2024

効果的な SARS のためにパラメータを最適化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16664 (2022) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

SARS-CoV-2 感染症の拡大と 2019 年に発生したコロナウイルス感染症 (COVID-19) パンデミックの深刻さにより、ウイルス感染を減らすための治療薬、ワクチン、対策が急速に開発されました。 SARS-CoV-2 感染を予防するための新しい治療戦略が利用可能になっていますが、ウイルスの変異は依然として医療界にとって深刻な脅威です。 したがって、ウイルスの感染を防ぐには、ウイルス除菌機能を備えた医療機器が必要です。 UV-LED は、光化学反応生成物形成を通じて作用する最も殺菌力の高い UVC スペクトルを利用し、医療分野で人気を集めています。 今回、我々は、SARS-CoV-2を10秒未満で99.9%消毒し、6時間持続できるポータブルな充電式医療機器を開発した。 この装置を使用して、SARS-CoV-2に対するUVC-LED(275nm)の抗ウイルス効果を照射距離と曝露時間の関数として調査しました。 SARS-CoV-2 除去(99.99% 以上のウイルス減少)には、照射距離 10 ~ 20 cm、照射時間 10 秒未満、UV 線量 > 10 mJ/cm2 が最適であると判断されました。 UVC-LED システムには、強度の迅速な安定化や温度の影響を受けないなどの利点があり、SARS-CoV-2 感染を封じ込めることができる医療機器の開発に貢献する可能性があります。 非常に短期間の UVC-LED 照射による SARS-CoV-2 の不活化を実証することで、我々の研究はより安全な医療環境を確保するためのガイドラインを示唆する可能性がある。

2019 年コロナウイルス感染症(COVID-19)のパンデミックは、2019 年の最初の発生以来世界中に広がり、深刻な罹患率と死亡率を引き起こしています。 これは感染力の強いウイルスである SARS-CoV-2 (重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2) によって引き起こされ、主に 新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) 患者の気道および鼻咽頭部位からの検体から検出されます。 報告によると、2~10 日以内に人から人へ感染することが示されており、ウイルスは汚染された手や表面などの直接接触や空気感染経路を介して広がることが示されています2。 環境条件下では、SARS-CoV-2 はエアロゾル中で最長 3 時間生存し、銅 (4 時間) やボール紙 (24 時間) よりもプラスチックやステンレス鋼上 (最長 72 時間) でより安定です3。 汚染された環境物質への曝露は、加熱滅菌、化学消毒、表面の濾過消毒、紫外線 (UV) 照射などの多くの制御技術によって防止できます4。 加熱滅菌や化学消毒剤の毒性によって引き起こされる可能性のある物質的損傷、および市場でのフィルター不足は、パンデミック全体を通じて大きな課題となっており、より持続可能な消毒システムに対する憂慮すべき需要が生じています4。 ウイルスの急速な伝播を考慮すると、ウイルスを不活化して伝播を制限できる持続可能な対策と技術を開発することが重要です。

世界の UVC (紫外線 C) 市場の成長は、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の発生によってプラスの影響を受けています。 パンデミック中、UV 空気および表面の消毒が UV 装置に注目を集め、多くの製品が市場で入手可能になりました4。 汚染された空気や環境物質のレベルが異なるさまざまな公共の場所で、UV 表面消毒システムの使用が開始されました4。 紫外線は波長に応じて、UVA (320 ~ 400 nm)、UVB (280 ~ 320 nm)、UVC (100 ~ 280 nm) の 3 つの基本的なタイプに分類されます5。 さまざまな研究センターや研究所が、感染の拡大を防ぐために UVC ベースの製品を開発しています。 UV 発光ダイオード (UV-LED) は、オンデマンド操作に使用できる水銀を含まないデバイスです6。 水銀ランプは特定の波長でのみ光を放射しますが、UV-LED は複数の個別の波長で光を放射できます5。 公衆衛生と環境の安全対策として、国連環境計画 (UNEP) は 2013 年に水銀含有製品を禁止し、2020 年からは低圧水銀ランプを新しい UV 放射源に置き換えることになりました7。 UV 照射は、柔軟性、利用可能性、放射パターンの制御が容易なことから、新たな抗菌アプローチです 8。 UV-LED を搭載した医療機器は現在、医療分野で人気が高まっており、光化学反応生成物の形成を通じて作用する UVC は、UV スペクトル内で最も効果的な殺菌領域であると考えられています9。 さらに、最近の研究では、UVC-LED の強度は温度変化やウォームアップ時間の影響を受けないことが報告されています10。 さらに、UVC-LED は、核酸やタンパク質の損傷、酸素ラジカルの生成など、いくつかのメカニズムを通じて病原体を不活化します 11、12。 最近の研究では、波長 280 ± 5 nm の UVC-LED を照射すると、COVID-19 患者から分離された SARS-COV-2 が急速に不活化されたことが報告されました9。 さらに、別の研究では、高温(> 56 °C)および UVC 照射(100 ~ 280 nm)による治療により SARS-COV-2 が除去されたことが報告されています13。 UV を利用して COVID-19 を消毒するさまざまな技術には、空気清浄機の開発に使用された光電気化学酸化 (PECO) 技術が含まれます。この技術では、UV-A 光を利用してナノ粒子で覆われたフィルター内の触媒を活性化し、空気汚染物質を酸化します 14。 これらの発見に従って、当社は SARS-CoV-2 消毒用のポータブルで充電式の医療機器を開発しました。これは、洗浄用化学物質と接触すると汚れたり反応したりする手の届きにくい領域や表面の滅菌に利用できます。 現在の研究では、UVCによるSARS-COV-2の曝露時間と距離に依存した減少を実証し、開発したUVC-LEDデバイスの性能を最適化して検証することを目的としています。

今回の研究では、韓国鉄道研究院 (KRRI) が製造し、1000 mW LED モジュールを搭載したポータブル UVC デバイスが使用されました。 このモジュールには冷却システムと人体検知センサーも含まれていましたが、これらは汚染のリスクを防ぐために使用後に廃棄されました。 UVC 曝露実験は、韓国照明情報通信研究院 (韓国富川市) から入手した厳選された LED を備えた UV-LED システムを使用して実施されました。 この研究で使用した UV-LED 波長の UV スペクトルは、IDR300 Photobiological Safety Spectroradiometer (Bentham、Reading、UK) を使用して測定しました。

この研究で利用された SARS-CoV-2 リソース (NCCP43326) は、韓国疾病管理予防センターの国立病原体培養コレクションから入手されました。 VeroE6 細胞 (アフリカミドリザル腎臓細胞株) は、Korean Cell Line Bank (ソウル、韓国) から購入しました。 これらの実験では、力価 3.16 × 106 TCID50 (50% 組織培養感染量)/mL のウイルス懸濁液 100 μL をペトリ皿に置き、石英のカバースリップで覆いました。 ウイルス根絶のために生成された UVC-LED 放射照度を、さまざまな高さ (10、20、30、および 50 cm) でさまざまな時間 (2 ~ 60 秒) で測定しました。 UV 曝露後、ウイルスを収集し、10 倍に段階的に希釈し、Vero-E6 細胞に感染させました。 感染細胞を加湿5%CO2インキュベーター内で37℃で3日間インキュベートし、その後、クリスタルバイオレット溶液で染色することによって細胞毒性効果を評価した。

照射後のウイルスに感染した Vero E6 細胞を染色し、Spearman-Karber 法を使用して TCID50 を計算しました。 ウイルス力価と減少率は、曝露時間と UV 照射装置とウイルス感染細胞の間の距離に従って決定されました。 ウイルス減少量は次の式に従って計算されました。

UV 線量は、UV-LED とウイルス表面の間の露光時間 (秒) と距離 (cm) に基づいて UV 放射照度を計算することによって推定されました。 この研究では、1000 mWの光度を持つデバイスが使用されましたが、実験的な損失を考慮して、800 mWの値を使用して式(1)に従ってUV線量を計算しました。 (2):

UVC-LED デバイスとメッキされたウイルスの間の距離は 10、20、30、および 50 cm に設定され、露光時間は 2、4、5、10、20、30、40、50、および 60 秒が使用されました。 。 メッキされたウイルスは、均一な UV 暴露のために石英カバースリップで覆われました。 曝露後、石英カバースリップを完全培地で洗浄することによってウイルスを収集し、次に連続的に 10 倍に希釈し、Vero-E6 細胞の感染に使用しました。 3日間インキュベートした後、細胞をクリスタルバイオレット溶液で染色することによってウイルス力価の減少を測定した。

分散のすべての尺度は、平均の標準誤差 (SEM) として表示されます。 照射距離と時間との有効性の相関関係、およびUV線量との関係は、Prism8(GraphPad Software、サンディエゴ、カリフォルニア州、米国)を使用したTukeyの事後検定による二元配置分散分析(ANOVA)を使用して分析されました。

ウイルス除去のために生成される UVC-LED 放射照度を 10、20、30、50 cm の高さで測定しました。 波長275nmでの放射照度を測定したところ、光源からの距離が離れるにつれてサンプルの275nmピークの強度が徐々に減少することが確認されました(図1)。 したがって、さまざまな照射時点と距離でウイルスの除菌を評価しました。

波長の関数としての UV-LED 放射照度。 UV 光は、100 ~ 400 nm の波長の光の領域に対応します。 私たちの研究では、275 nm の波長が最も高い測定放射照度を示しました。

UVC-LED と播種ウイルス (3.16 × 104 TCID50/mL、100 μL) の間の距離を固定し、曝露時間を変化させました。 ウイルスを覆って UVC に曝露した後、Vero-E6 細胞に感染させるためにウイルスを回収しました (図 2)。

SARS-CoV-2に対するUV照射試験の模式図。 ウイルスは、10、20、30、および 50 cm の距離で紫外線 C (UVC) に曝露されました。 各条件で処理したウイルスを段階希釈し、Vero E6 細胞に感染させました。

照射後、ウイルス力価を測定することにより、さまざまな UVC 曝露時間と距離の関数としてウイルスの減少を測定しました (図 3)。 3日間インキュベートした後、クリスタルバイオレット溶液で細胞を染色することによって、ウイルス感染によって誘発される細胞死を評価した。 UVC照射時間が長くなり、ウイルスとUVC-LED間の距離が短くなるにつれて、UVC照射ウイルスに感染した細胞の生存率が徐々に低下することが観察されました。

UV照射されたSARS-CoV-2に感染したVero E6細胞のクリスタルバイオレット染色。 Vero E6 細胞を UV 照射ウイルスに感染させ、3 日間インキュベートしました。 次いで、細胞をクリスタルバイオレット溶液で染色した。

感染した Vero E6 細胞を染色した後、Spearman-Karber 法を使用して TCID50 を計算しました (図 4)。 50 cm でのウイルス力価は、5、10、5 回の照射時間で 3.2 × 103、2.0 × 103、6.8 × 102、9.3 × 101、7.8 × 101、7.8 × 101、および 6.3 × 101 TCID50/mL と計算されました。それぞれ 20、30、40、50、および 60 秒で、対応する log TCID50/mL 値は 3.468、3.301、2.801、1.968、1.884、1.884、および 1.801 となりました。 これらの値から、照射時間 30 秒以上、距離 50 cm で、非照射ウイルスサンプル (3.16 × 106 TCID50/mL、6.500 log TCID50/mL) と比較して、99.99% 以上のウイルス減少が計算されました。 30 cm でのウイルス力価は、1.1 × 103 TCID50/mL (3.031 log TCID50/mL)、2.2 × 102 TCID50/mL (2.301 log TCID50/mL)、および 6.3 × 101 TCID50/mL (1.801 log TCID50/mL) と計算されました。 /mL)、それぞれ5、10、20秒の照射時間で。 20 cm でのウイルス力価は、8.96 × 102 TCID50/mL (2.884 log TCID50/mL)、6.32 × 101 TCID50/mL (1.801 log TCID50/mL)、および 6.32 × 101 TCID50/mL (1.801 log TCID50/mL) として計算されました。 )それぞれ5、10、20秒の照射時間で。 総合すると、これらのデータは、30 cm/20 秒、20 cm/10 秒、および 20 cm/20 秒で 99.99% を超えるウイルス減少率を確認します。 10 cm でのウイルス力価は、照射時間 2 秒および 4 秒で 7.80 × 101 TCID50/mL (1.884 log TCID50/mL) および 6.32 × 101 TCID50/mL (1.801 log TCID50/mL) であり、どちらもウイルス減少率に換算されます。 > 99.99%。

紫外線 C (UVC) 曝露時間と距離の関数としての SARS-CoV-2 減少の検証。 Vero E6 細胞をクリスタルバイオレットで染色した後、Spearman-Karber 法を使用して 50% 組織培養感染量 (TCID50) を計算しました。 (A) さまざまな放射線曝露時間および UV 発光ダイオード (UV-LED) とメッキされたウイルスの間の距離でのウイルス力価の決定。 (B) さまざまな UV 照射距離での経時的なウイルス減少率の決定 (*p ≤ 0.05、**p ≤ 0.005、***p ≤ 0.0005 対 50 cm 条件)。

異なる距離および露光時間での UV 線量は、式 1 を使用して計算されました。 (2) 実験的な損失を考慮して、実際の 1000 mW ではなく 800 mW の電力を使用します (表 1)。 4 つの条件 (赤色フォント) でウイルスが 99.99% 以上減少しました: 50 cm で 30 秒 UV、30 cm で 20 秒 UV、20 cm で 10 秒 UV、10 cm で 2 秒 UV。

さらに、UVC放射線の関数としてSARS-CoV-2の力価とウイルスの減少を検証しました(図5、表2)。 興味深いことに、これらの実験から得られた共通の特徴は、UV 線量が 10 mJ/cm2 を超えるとウイルスが 99.99% 減少するということです。 20 cm/5 秒の条件の場合、50 cm/30 秒の条件で決定されたものと同じ 10 mJ/cm2 の計算線量は、99.96% 以上のウイルス減少を示し、これは 99.99% よりわずかに低くなります。標準的な削減。 したがって、99.99% を超える安定したウイルス減少には、10 mJ/cm2 を超える UV 線量が必要であると結論付けています。

さまざまな紫外線 C (UVC) 放射線量での SARS-CoV-2 力価低下の検証。 UV 放射照度は、暴露時間と UV 発光ダイオード (UV-LED) とウイルスの間の距離に基づいて推定されました。 (A) UV 照射によるウイルス力価の分散。 (B) UV照射によるウイルス減少率の評価。 非照射ウイルスの力価を陰性対照として使用した。 ***p ≤ 0.0005。

SARS-CoV-2 感染の拡大と新型コロナウイルス感染症のパンデミックの深刻さは世界的な懸念を引き起こしており、ウイルス感染を阻止するための治療薬、ワクチン、対策の迅速な開発が可能になっています。 この研究では、SARS-CoV-2に対するUVC-LEDの抗ウイルス効果を、波長275nm、異なる距離と曝露時間で調査しました。 私たちの研究の新規性は、波長 275 nm の UVC-LED を使用した最適化された SARS-CoV-2 不活化条件を提示していることです。 30秒以上の照射で50cm、20秒の照射で30cm、10秒の照射で20cm、2秒の照射で10cmで99.99%以上のウイルス減少率を確認しました。 これらの結果を総合すると、迅速 (10 秒未満) のウイルス根絶には 10 ~ 20 cm の距離が理想的であることがわかります。 私たちの計算によれば、10 mJ/cm2 を超える UV 線量によりウイルスが 99.99% 減少します。 全体として、UVC 源とウイルス汚染表面の間の距離が 10 ~ 20 cm、曝露時間が 10 秒未満、UV 線量が 10 mJ/cm2 を超えることが、SARS-CoV- を効果的に除去するための理想的な条件であると結論付けています。 2 撲滅。

地域社会と医療現場はどちらも SARS-CoV-2 の蔓延に対して脆弱であり、SARS-CoV-2 の安定性はどちらの環境でも脅威となる可能性があります3。 現在、SARS-CoV-2 の治療と予防のためにさまざまな臨床試験やワクチンが利用可能ですが、ウイルスの変異は依然として医療コミュニティにとって深刻な脅威です。 したがって、医療環境でのウイルス感染を防ぐには、ウイルス除菌機能を備えた医療機器が必要です。

UV-LED を搭載した機器が医療分野で普及しつつあります9。 UV スペクトルの中で、UVC は最も強力な殺菌効果があると考えられており、DNA および RNA におけるピリミジン二量体の形成を介して、ウイルス、細菌、原生動物、真菌などのさまざまな微生物を不活化します9,15。 続いて、ピリミジン二量体は、DNA の複製と転写を妨害し、細胞死を引き起こす光化学反応生成物であると考えられています 16。 シンら。 らは、さまざまな条件下で波長 275 nm の UVC-LED を使用した培地表面と、278 nm での水系における大腸菌 O157:H7、ネズミチフス菌、およびリステリア モノサイトゲネスの効果的な不活化を報告しました10。 さらに、インフルエンザウイルスに対する UVA、UVB、UVC の異なるスペクトルを比較した別の研究では、UVB および UVC-LED 照射がウイルスの不活化に非常に効果的であることが明らかになりました 5。 非常に短期間のUVC-LED照射によるSARS-CoV-2の不活化を実証し、最適な照射距離と照射時間を決定することで、我々の研究はより安全な医療環境を確保するためのガイドラインを示唆している。 強度の急速な安定化や温度の影響を受けにくいなどの UVC-LED の利点を考慮すると、このシステムは SARS-CoV-2 感染を予防できる医療機器の開発に貢献する可能性があります。

現在の研究中に生成されたデータセットは、合理的な要求に応じて対応著者 ([email protected]) から入手できます。

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この研究は、韓国鉄道研究院と保健福祉省(補助金番号 HQ21C0264)、韓国保健産業開発研究院(KHIDI)を通じた韓国保健技術研究開発プロジェクト、韓国保健福祉省の資金提供による支援を受けました。 2022 年に韓国食品医薬品安全省 (補助金番号 HQ21C0264、HV22C0263) および食品医薬品安全省 (補助金番号 22183MFDS443)

Cheulky Lee 氏と Ki Hoon Park 氏も同様に貢献しました。

韓国鉄道研究院交通環境研究チーム、大韓民国京畿道義王市チョルドバンムルグァン路176

イ・チョルギュ

建国大学生物医科学工学部、KU Convergence Science and Technology Institute、ソウル、05029、韓国

パク・ギフン、キム・ミンジー、キム・ヨンボン

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概念化、CL; 方法論と検証、KP; 検証とデータキュレーション、CLとKP。 原案作成・監修、MK。 原稿執筆、査読、編集、資金調達、YBK すべての著者が原稿の出版版を読んで同意しています。 CL と KP は共同第一著者であり、MK と YBK は共同責任著者です。

Minjee Kim または Young Bong Kim への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Lee, C.、Park, KH、Kim, M. 他 275 nm の UVC-LED を使用して効果的に SARS-CoV-2 を不活化するためのパラメーターを最適化しました。 Sci Rep 12、16664 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-20813-4

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受信日: 2022 年 4 月 11 日

受理日: 2022 年 9 月 19 日

公開日: 2022 年 10 月 5 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20813-4

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