ヒトコロナウイルス229Eの電磁不活化分光法

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8886 (2023) この記事を引用

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スペクトルのマイクロ波領域の電磁波を使用した病原体の不活性化の研究は、特注の導波路構造を使用して実現されます。 導波路にはサブ波長回折格子が搭載されており、内部の伝播フィールドを乱すことなく空冷システムを統合できます。 導波管は、周囲に十分な空気流を確保しながら内部に実験サンプルを収容できるよう先細になっています。 提案された方法論では、時間の経過に伴うマイクロ波暴露によるサンプルの温度制御に加えて、各導波管で励起される明確に定義された基本モードによりパワー密度の正確な制御が可能になります。 ヒトコロナウイルス (HCoV-229E) は 0 ～ 40 GHz の範囲で調査されており、15.0 ～ 19.5 GHz のサブバンドでピークの 3-log ウイルス減少が観察されます。 我々は、HCoV-229E はこの範囲に固有の共鳴を有しており、この範囲では構造共鳴エネルギー移動効果を通じて非熱的構造損傷が最適であると結論付けています。

マイクロ波帯域の電磁波 (EM) を使用した病原体の不活化は、研究への関心が高まっています 1,2,3,4,5,6,7,8,9。 マイクロ波不活性化の非接触の性質は、最近および進行中の SARS-CoV-2 パンデミックによって引き起こされる公衆衛生危機の状況において、この方法を特に有用にする特徴です。 マイクロ波は、熱加熱または構造共鳴エネルギー転移 (SRET) として知られるプロセスのいずれかの方法でビリオンを不活性化できます。 後者は、単純な球形状のエンベロープを持ったウイルスが電磁波の存在下で共鳴するという考えに基づいています2、3、4、5。 球状ウイルス内で励起される音響振動の振幅を最大化することは、エンベロープ構造に最大の変位と応力を引き起こし、最終的にエンベロープの破裂を引き起こす可能性があるため重要です。 球状ウイルスにおける音響双極子モード振動の現在のモデリングでは、等強度の電磁波から加えられる最大の応力はマイクロ波領域で発生すると予測されており 2,4,10 、これは増え続ける一連の実験証拠によって裏付けられています 2,3,5。 インフルエンザ A (H3N2) ウイルスの不活化は、低出力密度マイクロ波を使用して実証されており、SRET 効果によってウイルス膜が破られます2。 その研究では、8.2 GHz で動作するホーン アンテナからのマイクロ波照射を 15 分間行った後、ウイルス溶液で活性ウイルスが 3 log 減少することが確認されました。 SRET 効果の応用は、必要とされる電力密度が低いことが示唆されているため、マイクロ波領域で固有の共鳴を伴う有害な病原体を不活性化するための有望な非熱的手段です 2,3,4。

低電力非加熱マイクロ波滅菌では、利用可能な限られたエネルギーをできるだけ効率的に伝達するために、ビリオン固有の自然共鳴に関する知識が必要です。 ウイルスのマイクロ波吸収分光法を実験的に研究することは、小さなサイズの粒子に起因する反応を合理的に検出し区別するために必要な感度のため、技術的に困難です。 提案された方法には、構造内の誘導マイクロ波を妨害するために少量の溶液が導入されるマイクロ波伝送線が含まれています2、3、5、8。 センサーは、最初に基準としてキャリア流体のみを使用して測定され、その後、ある程度の濃度のウイルスを含む測定が続きます。 次に相対比較を行って、より多くのマイクロ波出力が失われる領域を特定し、ウイルスによる吸収を示します。 この方法論は、SARS-CoV-23、インフルエンザ A (H3N2)2、および白点症候群ウイルス 8 のマイクロ波吸収共鳴を特定するために使用されています。

このレポートでは、病原体との電磁相互作用を研究するための新しい温度制御方法論を紹介します。 ヒト コロナウイルス HCoV-229E (229E) は、より高病原性コロナウイルスの代替バイオセーフティ モデルとして使用するために選択されます。 その球形の幾何学形状とスパイクタンパク質の配置は、多くのエンベロープウイルスを代表するものです。 私たちの方法論は、0.8 ～ 40 GHz をカバーする 229E の SRET ベースの不活性化を研究し、15.0 ～ 19.5 GHz 領域内の固有共振を特定することによって実証されます。 この計画内では、わずか 7.5 分間のマイクロ波曝露後に活性ウイルスの 3-log 減少が観察されました。 内部にサンプルを収容するように設計された長方形の導波管が使用され、サンプルを明確に定義された電場にさらします。 これには、実験サンプルにさらされる電界強度と出力密度を正確に制御できるという重要な利点があります。 サブ波長回折格子が導波路壁に導入され、伝播フィールドを乱すことなく気流冷却システムを統合します。 実験中、ウイルスサンプルは継続的に冷却され、観察された不活化はキャリア溶液の過剰なマイクロ波加熱ではなく、SRETによって誘発された音響振動によるものであると確信します。 この方法論を使用すると、さまざまな電力密度と時間基準の下でウイルスを研究できるため、最適な周波数領域と予想されるウイルス不活性化の程度を決定できます。 この情報は、送信制御、滅菌、臨床治療のための新しいマイクロ波ベースの技術の開発にとって重要です。