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Scientific Reports volume 12、記事番号: 22588 (2022) この記事を引用

893 アクセス

11 オルトメトリック

メトリクスの詳細

さまざまな病原性ウイルスや細菌から保護するための新しい消毒技術の開発と実証に対する大きな需要があります。 これに関連して、紫外線 (UV) 照射は、病原微生物を不活化するための効果的かつ便利な方法を提供します。 UV 滅菌の有効性の定量的評価は、Bunsen-Roscoe によって提案された単純な時間と線量の相反則に基づいています。 ただし、文献で報告されている不活化速度定数は、同じ線量と波長の照射でも大きく異なります。 したがって、UV 不活化の物理的メカニズムは単純な時間と線量の相反則では説明できず、科学的根拠を明確にするために特定される必要がある二次的な不活化プロセスが必要である可能性があります。 この論文では、同じ用量で、異なる放射照度および照射時間を用いて、放射照度を 2 ～ 3 桁変化させて、大腸菌の UV 不活化実験を実施しました。 我々は、UV発光ダイオードの照射によって得られる不活化の効果が、同じ線量でも固定波長での放射照度が異なると1桁大きく異なることを示した。 これを説明するために、DNA やタンパク質の損傷に寄与する活性酸素種 (ROS) などによる 2 番目の不活化率と、フルエンスに基づく UV 不活化率を導入した確率モデルを構築しました。 このモデルに基づいて微分方程式を解くことにより、同じ UV 線量条件下での放射照度および照射時間の関数としての不活化の有効性が明確に解明されました。 提案されたモデルは、少なくとも 2 つの不活化率が UV 不活化に関与していることを明確に示しています。一般的に使用される UV 不活化率は放射照度に依存しませんが、ROS による不活化率は放射照度に依存します。 これまでに得られた UV 不活化の結果は、これら 2 つの不活化率を重ね合わせた 1 つの不活化率によって単純に当てはめられたものであると結論付けます。 低い放射照度で同じ線量での長期間の UV 照射の有効性は、放射線量とそのリスクを低減できるため、UV 光を使用した病室などの広い空間の消毒など、将来の消毒技術に有益な情報を提供します。人体に。

さまざまな病原性ウイルスや細菌から保護するための効率的な消毒技術の開発と実証に対する大きな需要があります。 このような状況において、紫外線 (UV) 照射による滅菌は、コロナウイルスなどの病原微生物を不活化する効果的かつ便利な方法であるため、特別な関心を集めています 1、2、3、4、5。

滅菌の原理は、Bunsen-Roscoe によって提案された時間線量相反則 6、Log(N/N0) = − Γ × D に依存します。ここで、Γ (cm2/mJ) は波長に依存する不活化速度定数、D = τ × P、D (mJ/cm2) は紫外線量、P (mW/cm2) は紫外線放射照度、τ (s) は照射時間です（以下、D を UV 線量、P を UV 放射照度、τ とします）照射時間として。）。 この相反則は、光重合、光伝導、光分解や UV 滅菌など、さまざまなカテゴリーの光反応プロセスに適用されています 7。 相反則は、光化学反応プロセスの速度が光放射照度に比例し (線形確率過程)、プロセスの量が D にのみ依存すると仮定します。これは、光放射照度におけるほとんどの主要な光化学反応プロセスに当てはまりますが、非線形効果は誘発しませんが、ラジカル重合など、かなりの範囲の反応条件にわたって相反則に従わない反応が数多くあります8。 さらに、文献で報告されている UV 照射による多くの細菌やウイルスの不活化速度定数は、同じ照射波長、同じ種類と株の細菌やウイルスを使用した研究であっても、大きく異なります 9,10,11。 これらの広範囲にわたる報告値は、UV 不活化の物理的メカニズムが単純な時間と線量の相反則では説明できないことを示唆しているようです。 代わりに、科学的根拠を明確にするために二次的な不活化プロセスを特定する必要があります7。

この論文では、同じ D に対するさまざまな不活化速度定数を説明する確率モデルを提案します。ここで提案した確率モデルを検証するために、同じ D で異なる Ps と τs を固定波長で変化させて UV 不活化実験を実施しました。 P は 2 ～ 3 桁大きくなります。 ここでは、大腸菌 (E. coli) を不活化サンプルとして使用しました。これは、この細菌が UV 不活化実験でこれまで使用されてきた標準サンプルの 1 つであるためです 12、13、14、15、16、17、18、19。 ここで得られた結果は、265 nm では、同じ D でより低い P で、τ が長いほど不活化の効果が大きくなることを示しています。しかし、この傾向は 280 nm ではそれほど顕著ではなく、280 nm ではそのような有意な差は観察されませんでした。照射波長は308nm。

同じ D 条件下で P と τ の関数として不活化の有効性を説明するために、DNA と/または従来のUV不活化速度とともにタンパク質損傷が導入されました。 このモデルに基づいて微分方程式を数値的に解くことにより、同じ D に対する P と τ の関数としての不活化の有効性を明確に説明できます。 提案されたモデルは、少なくとも 2 つの不活化率が UV 不活化に関与していることを明確に示しています。一般に使用される UV 不活化率は P に依存しませんが、もう 1 つの不活化率は依存します。 我々の結論は、これまでに得られた UV 不活化の結果は、これら 2 つの不活化率を重ね合わせた 1 つの不活化率によって単純に当てはめられたものであることを示唆しています。

大腸菌 O1 株の純粋培養物を栄養ブロス (E-MC63; 栄研化学株式会社、日本) 中で 37 °C で 20 時間インキュベートしました。 109 ～ 1011 コロニー形成単位 (CFU)/mL の濃度が得られ、実験に使用されました。 定常期の大腸菌の純粋培養物を採取し、通常の生理食塩水（１Ｌの精製水に９ｇのＮａＣｌを溶解）で１０３〜１０５コロニー形成単位（ＣＦＵ）／ｍＬに希釈した。 UV-LED を使用して不活化実験を行うために、600 μL の分散溶液を採取し、マイクロチューブに注入しました。 不活化実験後、100μLの細菌細胞を採取し、寒天プレート上に分散させた。 37℃で24時間インキュベートした後、コロニーをカウントしました。 対照懸濁液（超音波槽での UV 照射なし）の CFU/mL の数は、UV 照射後のプレート内の CFU 数が 102 の範囲になるように調整されました。101 ～ 104 の範囲の CFU をカウントする場合、プレートのデジタル画像を撮影し、CFU の計算には処理ソフトウェア (https://processing.org/) を使用しました。

図 1a は、不活化システムの照射セットアップを示しています。 UV 露光実験は、265、280、または 308 nm の UV LED (265 nm: 265-FL-01-G01、280 nm: 280-FL-01-G01、および 308 nm: 308-FL-01-G01) を使用して実施されました。 、DOWAエレクトロニクスマテリアル株式会社、日本）。 この条件で使用した UV-LED 波長 (265 nm、280 nm、および 308 nm) の UV スペクトルは、分光計を使用して光ファイバー (BIM-6002A、Brolight Technology Corporation、杭州、中国) を使用して測定しました。 図1bに示すように、265 nm、280 nm、308 nmのUV-LEDは、それぞれ266.5 nm、280.6 nm、308.8 nmでピーク波長発光を示し、半値全幅は11.1 nm、11.5 nmでした。そして12.0nm。 UV 不活化実験では、光学密度 (OD) が0.3～3.5。 ここで、同じ P を得るために UV LED への印加電圧を大幅に変更するのではなく、印加電圧の変更によって引き起こされるスペクトル ピーク シフトを防ぐために定格電圧付近で UV LED を使用したことに注意してください。 さらに、UV-NIR ND フィルターの透過率は 200 nm と 300 nm の間で大きく変化します。 したがって、UV 曝露実験では、表 1 に示すように異なる大きさの P が使用されました。

UV 不活化システムの光学セットアップと UV-LED の発光スペクトル。 (a) UV-LED 不活性化システムの光学セットアップ。 (b) 265 nm、280 nm、および 308 nm UV-LED の発光スペクトル。 これらの LED は、それぞれ 266.5 nm、280.6 nm、および 308.8 nm でピーク波長発光を示し、半値帯域幅の全幅は 11.1 nm、11.5 nm、および 12.0 nm でした。 (c) 超音波槽内で UV-LED を照射した大腸菌細菌サンプルの写真。 超音波振動によって引き起こされる不活性化を考慮して、UV 照射を行わなかった大腸菌細菌サンプルも対照サンプルとして超音波槽に配置されました。

次に、ND フィルターを透過した後、焦点距離 80 mm の凸レンズを使用して紫外線を平行化し、ポリプロピレン製のマイクロチューブ (2-8007-02、アズワン株式会社、大阪、日本) に導きました。大腸菌の懸濁液 (600 μL) が含まれていました。 得られたビーム径は直径約20mm、マイクロチューブの直径は9mmであった。 したがって、懸濁液の全領域が紫外線で照射されました。 細菌が曝露されたＵＶ放射のＰは、マイクロチューブの表面上に開口９．５ｍｍのＵＶ拡張Ｓｉフォトダイオード（Ｓ１２０ＶＣ、Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｉｎｃ．、ニュージャージー、米国）を配置することによって毎回測定された。 この測定値に基づいてτを求めた。 各照射波長における P と τ の組み合わせを表 1 に示します。

周波数 40 kHz、出力 55 W の超音波バス (MCS-2、アズワン株式会社、大阪、日本) を使用して、チューブ内の懸濁液を均一に拡散させました。超音波バスの温度は 23 ℃に維持しました。熱交換器を使用することで、60分間の超音波運転による温度上昇を抑制し、℃まで上昇させました。 熱交換器がなければ、マイクロチューブの温度は 60 分間の超音波操作中に約 50 °C まで上昇したと考えられます (UV 照射によるものではありません)。 図1cに示すように、UV照射にさらされていない対照懸濁液も、超音波処理による不活化とUV照射による不活化を正確に区別して除外するために、測定のたびに超音波槽に入れました。 ここで、60 分間の超音波処理によって引き起こされた CFU の減少は、最初の対照サンプルの CFU の 10% 未満であったことに注意してください 20、21、22。

対数不活化は、基数 10 の Log (N/N0) として計算されました。ここで、N は、超音波浴中での UV 照射後の CFU 数であり、N0 は、超音波浴中での UV 照射なしの CFU 数です。 この手順はすべての実験で実行されました。 すべての実験は独立して少なくとも 3 回実行されました。 すべてのデータは平均±標準偏差として表されました。 データの統計分析は、対応のあるスチューデントの t 検定を使用して実行されました。 p 値 < 0.05 は統計的に有意であるとみなされました。

同じ D で異なる Ps と τ での不活化率 [Log(N/N0)] を、τ の関数として (0 から 1000 秒まで)、赤丸 (10 mJ/cm2) と青丸 (5 mJ/cm2) でプロットします。 cm2）（図2a、b、cに示すように）（a：265 nm、b：280 nm、c：308 nm）。 ここで、選択された P と τ の値を表 1 に示します [(a) 265 nm; 5 mJ/cm2、(b) 265 nm。 10 mJ/cm2、(c) 280 nm。 5 mJ/cm2、(d) 280 nm。 10 mJ/cm2、(e) 308 nm。 5 mJ/cm2、および (f) 308 nm。 10mJ/cm2]。

10 mJ/cm2 (赤丸) および 5 mJ/cm2 (青丸) の線量および (a) の照射波長における、さまざまな照射時間 (およびさまざまな放射照度) における不活化率 [Log(N/N0)] の実験プロット265 nm、(b) 280 nm、(c) 308 nm。 赤または青の線は、一定の線量 (赤: 10 mJ/cm2、青: 5 mJ/cm2) での照射時間の関数として、異なる照射条件で理論的に適合した不活化率を表します。 (d) 265 nm および 10 mJ/cm2 の結果の曲線の初期傾きによる Γ1 の決定。緑色の曲線は Γ1 = 2 × 10−4 cm3/s で表され、赤色の曲線は Γ1 = 2 で表されます。 × 10−3 cm3/s、青い曲線は Γ1 = 2 × 10−2 cm3/s で表されます。 (e) 265 nm および 10 mJ/cm2 の結果の曲線の裾の傾きによる Γ2 の決定。緑色の曲線は Γ2 = 0.07 cm2/mJ で表され、赤色の曲線は Γ2 = 0.7 cm2/mJ で表されます。青い曲線は Γ2 = 7.0 cm2/mJ で表されます。 (f) 265 nm および 10 mJ/cm2 の結果の曲線の裾の高さによる Γ4 の決定。緑色の曲線は Γ4 = 2.8 cm3/s で表され、赤色の曲線は Γ4 = 28 cm3/s (赤丸は実験結果)、青の曲線は Γ4 = 280 cm3/s で表されます。

265 nmの照射とD = 10 mJ/cm2 [図2aの赤丸]の場合、Pは2〜3桁減少します（ここでは、τ≒0 sとτ≒1000 sで得られた比を比較します。 ）比が約 1 桁大きく減少します。これは、τs が長く、P が低いほど、不活化の有効性が約 10 倍大きかった（p 値 < 0.05）ことを示唆しています。D を 10 mJ/ から下げることにより、図 2a の青い丸で示すように、cm2 から 5 mJ/cm2 まで同様の結果が得られました。 しかし、異なる P での比率の差はそれほど顕著ではなく、不活化の有効性は約 7 倍に減少しました (p 値 < 0.05)。

同じDでは、図2(b)に示すように280nm照射でも同様の結果が得られました(赤丸:10mJ/cm2、青丸:5mJ/cm2)。 異なる P での比率の差はそれほど顕著ではありませんでした。 たとえば、より長いτ (τ) では、D = 10 mJ/cm2 の効果は約 7 倍大きく (p 値 < 0.05)、D = 5 mJ/cm2 の効果は約 5 倍大きく (p 値 < 0.05) でした。 τ が短く（τ ≒ 0 s）、P が高いのと比較して、P が低くなります。

ただし、図2cに示すように、308 nmの照射波長では、同じD条件下でPを変更しても比の大幅な減少は観察できませんでした。 たとえば、D = 10 mJ/cm2 (赤丸) の効果は約 1.3 倍 (p 値 = 0.19)、D = 5 mJ/cm2 (青丸) の効果は約 1.2 倍 (p 値 = 0.19) でした。 = 0.23) より長い τ (τ ≒ 1000 s) で低い P の場合と、短い τ (τ ≒ 0 s) でより高い P に比べて。 ただし、p 値は、長い τ と短い τ の間の比率に統計的な差がないことを示しています。 。

初期 CFU を 102 ～ 104 の間で変化させて、減少率が初期 CFU の数に依存するかどうかを調べました。 しかし、Hamamoto et al.23 によって同様に観察されたように、減速比の大きな変化は観察できませんでした。

UV 不活化の解析には、シングルヒットまたはマルチヒット モデルによるターゲット理論が一般的に使用され 24、25、26、ブンゼン・ロスコーの法則 6 が UV 不活化の解析の基本原理です。 しかし、固定波長における同じ D であっても異なる P での不活化効果の大きな違いは、これらの理論では説明できません。 一方で、紫外線が活性酸素種 (ROS) を生成し、ROS が DNA、膜、細胞に損傷を与えることは一般に知られています 27,28。 最近の結果は、ROS が UV 不活化において重要な役割を果たしており、所定の D に対して、UV 不活化は P が低く、τs が長いほど効果的であることを示唆しています 27,28。

ここでは、ROS と UV 放射の両方が DNA 損傷を引き起こすと仮定します。 図 3 は、DNA 損傷のプロセスとその速度を説明する定量的モデルを示しています。 (i) Γ0 (cm2/mJ): 紫外線がチミン二量体の形成によって DNA 損傷を直接引き起こす速度 29、30、31、32、 33; (ii) Γ1 (cm3/s): ROS ラジカルが DNA に損傷を与える速度。 (iii) Γ2 (cm2/mJ): 紫外線による細菌における ROS ラジカルの生成速度。 (iv) Γ3 (1/s): ROS ラジカル 34、35、36、37 の寿命。 (v) Γ4 (cm3/s): ROS ラジカルの相互破壊速度。 この場合、細菌数の減少率 N(t) (1/cm3) と ROS ラジカルの生成率 R(t) (1/cm3) は時間の関数 (0≦t≦τ) で表すことができます。次の確率微分方程式によって計算されます。

ここで、P は放射照度 (mW/cm2) です。 これら 2 つの微分方程式を解くことにより、N(t) と R(t) の両方を、P をパラメーターとして持つ変数 t によって記述することができます。 上式の解に対して、τ × P = D (mJ/cm2) = 定数などの定数 D 条件を考慮すると、次のようになります。 (1) と (2) から、同じ D ですが異なる P での不活化の有効性を説明できます。

DNA 損傷プロセスを説明する定量的モデル。 紫外線は、細菌にチミン二量体の形成や ROS ラジカル (赤丸) の生成により直接 DNA 損傷を引き起こし、DNA に損傷を与えます。 DNA 損傷の速度は次のように表されます。 Γ0 (cm2/mJ): 紫外線はチミン二量体の形成によって DNA 損傷を直接引き起こします。 Γ1 (cm3/s): ROS ラジカルが DNA を損傷します。 Γ2 (cm2/mJ): ROSラジカルは紫外線により細菌で生成され、Γ3 (s−1): ROS ラジカルの寿命、Γ4 (cm3/s): ROS ラジカルの相互破壊。

ここでは、代表例として図 2a に示す 10 mJ/cm2-D、265 nm 照射の結果に基づいて、各速度を決定する手順を定量的に説明します。 式を積分します。 (1) 次のとおりです。

式を考慮すると、 (3) τ × P = D (mJ/cm2) (D が一定) の τ→0 の極限では、Γ0 (cm2/mJ) は Log (N/N0) 切片の値によって決定できます。 Γ0 = 0.22 (cm2/mJ) が得られました。 ここで、P は P = D/τ として記述されるため、この理論曲線は (0, 0) から始まるのではなく、(0, − Γ0D/2.3) から始まることに注意します [式 2 を参照]。 (3)】。 したがって、D を小さくすると、切片の値が大きくなります。 この傾向は、図2aに示すように、実験的に観察された切片の値と一致します。

Γ1、Γ2、Γ4 などの他のパラメータは、図 2d–f に示すように、曲線特性によって決定できます。 たとえば、図 2d に示すように、Γ1 の値は曲線の初期の傾きに反映されます。緑色の曲線は Γ1 = 2 × 10−4 (cm3/s) で表され、赤色の曲線は次のように表されます。 Γ1 = 2 × 10−3 (cm3/s) (赤丸は実験結果)、青の曲線は Γ1 = 2 × 10−2 (cm3/s) で表されます。 したがって、Γ1 = 2 × 10−3 (cm3/s) を選択します。 次に、Γ2の値は、図2eに示すように、曲線の裾の傾きによって決定されます。緑色の曲線はΓ2 = 0.07（cm2/mJ）で表され、赤色の曲線はΓ2 = 0.7（cm2）で表されます。 /mJ) (赤丸は実験結果)、青の曲線は Γ2 = 7.0 (cm2/mJ) で表されます。 そして、Γ2 = 0.7 (cm2/mJ) を選択します。 パラメータΓ4は、図2fに示すように、曲線の裾の高さを調整することによって決定されます。緑の曲線はΓ4 = 2.8（cm3/s）で表され、赤の曲線はΓ4 = 28（cm3/s）で表されます。 ) (赤丸は実験結果)、青の曲線は Γ4 = 280 (cm3/s) で表されます。 そして、Γ4 = 28 (cm3/s) を選択します。

ROS の寿命は Γ3 と Γ4 に相関があり、照射波長には依存しません。 Γ4 の決定後、パラメータ Γ3 は Γ3 = 1 (1/s) と決定されます。 Γ3 について決定された寿命は、以前に報告された値とよく一致するため、妥当な値である可能性があります 34,35。 特に、265 nm と 10 mJ/cm2 の結果に基づいて決定されたこれらのパラメータ Γ0 ～ Γ4 を使用することにより、さまざまな線量条件に対する 265 nm の理論曲線を描くことができます。 図2aに示す青色の曲線は、同じΓ0からΓ4を使用して、265nmおよびD = 5mJ/cm2の条件で描かれたものです。

図2a、b、cは、265 nmの照射波長に対する上記のフィッティング手順によって得られた実験プロット（黒丸）と理論的にフィッティングした曲線（実線）を示しています。 [図2a]、280nm [図2a] 2b]、および 308 nm [図 2b]。 ここで、赤丸と黒丸は 10 mJ/cm2 の D を表し、青丸と黒丸は 5 mJ/cm2 の D をそれぞれ表します。 各照射波長の曲線に適合するτの値を表２に示す。理論上の曲線は、異なる照射波長およびＤ条件下での不活化挙動をτの関数としてよく説明している。 ROS が DNA 損傷に関与しているという仮定 27,28 は今後取り組むべき課題であるが、ここで提示した確率モデルは現在の結果だけでなく、以前に報告された広範囲の不活化速度定数もよく説明すると考えられる 12。 13、14、15、16、17、18、19。

D が一定で P が異なる場合、UV 照射によって生成される ROS の量の違いを示すことは興味深いです。 図4aは、265 nmの照射波長で0.01 mW/cm2で1000秒（赤い曲線）、または10 mW/cm2で1秒（挿入図に示す青い曲線）で得られたR(t)の理論的な時間的挙動を示しています。 両方の R(t) の時間的挙動は、同様の曲線特性を示します。 注目すべき点は、ピーク値の違いです。 P は 1000 倍変化しますが、得られるピーク値は 60 倍しか変化しません (10 mW/cm2 では 150、0.01 mW/cm2 では 2.5)。 この違いは Γ4R(t)R(t) 非線形項に由来しており、高密度 ROS 状態は不安定であり、ROS の相互破壊が発生することを意味しています 38。 ピーク値の違いは、同じ D での ROS の総量の違いにつながります。図 4b は、同じ D (265 nm、10 mJ/cm2) での ROS の総量を τ の関数として示しています。 ROS の寿命が長い (Γ3) と非線形項 (Γ4) により、継続時間が長くなるほど弱い放射照度により大量の ROS が生成されます。 τ の関数としての ROS 量のこの違いは、同じ D での不活化効果の大きな違いを説明する物理的および化学的メカニズムであると考えられます。

（a）265 nmの照射波長で、0.01 mW/cm2で1000秒（赤い曲線）または10 mW/cm2で1秒（挿入図の青い曲線）で得られたR(t)の時間的挙動。 (b) 同じ線量 (265 nm、10 mJ/cm2) での照射時間の関数としての ROS の総量。

308 nm の照射波長では、P に対する有効性の有意な変化は観察できませんでした。 この結果は、Oguma et al.16 によって観察された結果と似ていますが、Pousty et al.27 の発見とは反対です。 この理由は明確には理解されていません。 ただし、この効果の違いは株の違いに起因すると考えています。単純な O1 株を使用しました。Oguma et al. らは K12 IFO 3301 株を使用し 16、Pousty らは MG1665株を使用した27。 この問題を明確にするために、現在、他の大腸菌株が研究中です。 308 nm の照射波長では有効性の大幅な低下が観察できなかったという事実は、UV 光による ROS 生成のメカニズムが DNA19,39,40 および/またはタンパク質 41,42 の吸収スペクトルと相関していることを示唆している可能性があります。 43、44、45、46種。

P の行動の傾向とこの研究で得られた有効性は、以前の研究 9,13,47,48,49 と一致しているようです。 P が小さいほど、より高い不活化速度定数が報告されました。 たとえば、265 nm の照射波長では、大腸菌 K12 29425 株の場合、報告されている減少率は、より小さい P では、5 mJ/cm2 の場合 Log (N/N0) = − 1.5、10 mJ/cm2 の場合 - 2.5 です。領域 (0.030 ～ 0.060 mW/cm2)47; ただし、より大きな P 領域 (0.19 ～ 0.55 mW/cm2) では、5 mJ/cm2 では Log (N/N0) = − 1、10 mJ/cm2 では− 2 として減少率が減少します48。 非常に類似した傾向が大腸菌 CGMCC 1.3373 について報告されており、報告された減少率は、より小さな P 領域 (0.05 mW/ cm2)13; ただし、より大きな P 領域 (0.384 mW/cm2) では、5 mJ/cm2 の場合は Log (N/N0) = − 1、10 mJ/cm2 の場合は − 3 として減少率が減少します49。

ここで、不活化アッセイは定常期で実施されたため、大腸菌の誕生と死のプロセスはこの分析では考慮されていないことに注意してください [E. 通常の食塩水（0.9% NaCl）中の大腸菌]。 ただし、十分な栄養状態の大腸菌は 20 分ごとに分裂するため、十分な栄養状態（対数相）で UV 不活化アッセイを実行する場合は、複製時間を考慮する必要があります50。 この場合、この増殖効果を示す誕生と死亡の過程をこの確率モデルに導入する必要があります。

この論文では、固定波長における同じ D で異なる Ps と τs の下で大腸菌の不活化効果に大きな違いがあることを明らかにしました。 チミン二量体生成と ROS 生成は実験的に確認されていませんが、UV 不活化プロセスでは、DNA 内でのチミン二量体の形成に加えて、ROS などの別の要因が細菌の不活化に重要な役割を果たしたと考えられます。 ROS による不活化の効果は P に依存し、チミン二量体の形成は D に依存します。ROS が不活化に関与していることを証明するには、UV 照射によって ROS の量を定量および測定する必要があります。

同じ光源と照射波長を使用した場合でも、細菌やウイルスの UV 不活化に関する不活化速度定数のさまざまな値が報告されています 9,10,11。 この不一致の理由の 1 つは、細菌の株とその環境の違いである可能性があります。 しかし、ここで得られた実験的および理論的結果によれば、これまでに報告されている UV 不活化速度定数は、P の大きさに依存する 2 つの不活化過程の混合値から構成されている可能性があります。同じ照射波長、同じ種類や株の細菌やウイルスが使用された場合でも、文献は大きく異なります。 ここで得られたモデルのより広範な病原体への適用可能性を検証するには、実際の UV 不活化速度定数を決定するために、短時間照射と高 P を組み合わせた不活化実験が必要です。

人体がさらされる可能性のある紫外線の量は、米国政府産業衛生士会議 (ACGIH)-TLV 小冊子 51 に基づく各波長のしきい値限界値 (TLV) によって制限されます。 本研究の結果は、同じ D について、より低い P およびより長い τ での不活化は、より高い P およびより短い τ での不活化よりも効率的であることを示しています。 より低い P での長時間の UV 照射の有効性により、D と人体へのリスクを軽減できます。 したがって、この情報は、将来の紫外線を使用した病室などの広い空間の滅菌に役立つと考えられます。 このような殺菌効果のある照明技術を実現するには、さまざまな種類の病原菌やウイルスに対する同じD条件下でのPの効果を調べる必要があります。

現在の研究で使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、UV 不活化実験にご協力いただいた幸村裕司氏、服部春香氏、Ton Mu 氏に感謝の意を表します。 著者らはまた、細菌の取り扱い技術について情報を提供していただいた井坂正則博士と松井秀之博士に感謝したいと思います。 本研究は、名古屋市立大学科学研究費補助金（研究課題番号 2121102）の支援を受けて行われました。

名古屋市立大学大学院医学研究科（〒467-8601 名古屋市）

Takahiro Matsumoto, Ichiro Tatsuno & Tadao Hasegawa

名古屋市立大学大学院芸術工学研究科（〒464-0083 名古屋市）

Takahiro Matsumoto & Yukiya Yoshida

〒422-8529 静岡県静岡大学理学部物理学科

Makoto Tomita

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TM が筆頭著者です。 IT、YY、MT、TH は UV-LED 不活化システムの設計に貢献しました。 YY、IT、TM は大腸菌 UV-LED 不活化実験を実施しました。 TH は細菌増殖技術に関する技術サポートと細菌の専門知識を提供しました。 TMMT と YY は、同じ線量での放射照度に対する不活化効果の違いを記述する定量的モデルを構築し、分析しました。 著者全員がこの提出された原稿を読んで承認しました。

Correspondence to Takahiro Matsumoto.

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

松本 哲也、辰野 勇、吉田 裕也 他 2 つの不活化効果による確率過程によって説明される大腸菌不活化の時間と用量の相反機構。 Sci Rep 12、22588 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26783-x

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受信日: 2022 年 6 月 5 日

受理日: 2022 年 12 月 20 日

公開日: 2022 年 12 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26783-x

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