Επιδράσεις ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε παθογόνους ιούς και σχετικούς μηχανισμούς: μια ανασκόπηση στο Journal of Virology

Οι παθογόνες ιογενείς λοιμώξεις έχουν γίνει μείζον πρόβλημα δημόσιας υγείας παγκοσμίως. Οι ιοί μπορούν να μολύνουν όλους τους κυτταρικούς οργανισμούς και να προκαλέσουν διάφορους βαθμούς τραυματισμού και βλάβης, οδηγώντας σε ασθένειες, ακόμη και σε θάνατο. Με την επικράτηση ιών υψηλής παθογένειας όπως το σοβαρό οξύ αναπνευστικό σύνδρομο κοροναϊός 2 (SARS-CoV-2), υπάρχει επείγουσα ανάγκη να αναπτυχθούν αποτελεσματικές και ασφαλείς μέθοδοι για την απενεργοποίηση των παθογόνων ιών. Οι παραδοσιακές μέθοδοι για την απενεργοποίηση παθογόνων ιών είναι πρακτικές αλλά έχουν ορισμένους περιορισμούς. Με τα χαρακτηριστικά της υψηλής διεισδυτικής ισχύος, του φυσικού συντονισμού και της μη ρύπανσης, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν γίνει μια πιθανή στρατηγική για την αδρανοποίηση παθογόνων ιών και προσελκύουν αυξανόμενη προσοχή. Αυτό το άρθρο παρέχει μια επισκόπηση πρόσφατων δημοσιεύσεων σχετικά με την επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στους παθογόνους ιούς και τους μηχανισμούς τους, καθώς και τις προοπτικές χρήσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για την αδρανοποίηση παθογόνων ιών, καθώς και νέες ιδέες και μεθόδους για αυτήν την απενεργοποίηση.
Πολλοί ιοί εξαπλώνονται γρήγορα, επιμένουν για μεγάλο χρονικό διάστημα, είναι ιδιαίτερα παθογόνοι και μπορούν να προκαλέσουν παγκόσμιες επιδημίες και σοβαρούς κινδύνους για την υγεία. Η πρόληψη, η ανίχνευση, οι δοκιμές, η εκρίζωση και η θεραπεία είναι βασικά βήματα για να σταματήσει η εξάπλωση του ιού. Η ταχεία και αποτελεσματική εξάλειψη των παθογόνων ιών περιλαμβάνει την προφυλακτική, προστατευτική και την εξάλειψη της πηγής. Η αδρανοποίηση παθογόνων ιών με φυσιολογική καταστροφή για τη μείωση της μολυσματικότητας, της παθογένειας και της αναπαραγωγικής τους ικανότητας είναι μια αποτελεσματική μέθοδος εξάλειψής τους. Οι παραδοσιακές μέθοδοι, συμπεριλαμβανομένων της υψηλής θερμοκρασίας, των χημικών ουσιών και της ιονίζουσας ακτινοβολίας, μπορούν να αδρανοποιήσουν αποτελεσματικά τους παθογόνους ιούς. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι εξακολουθούν να έχουν ορισμένους περιορισμούς. Επομένως, εξακολουθεί να υπάρχει επείγουσα ανάγκη ανάπτυξης καινοτόμων στρατηγικών για την αδρανοποίηση των παθογόνων ιών.
Η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής διεισδυτικής ισχύος, της γρήγορης και ομοιόμορφης θέρμανσης, του συντονισμού με μικροοργανισμούς και της απελευθέρωσης πλάσματος και αναμένεται να γίνει μια πρακτική μέθοδος για την απενεργοποίηση παθογόνων ιών [1,2,3]. Η ικανότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων να αδρανοποιούν παθογόνους ιούς αποδείχθηκε τον περασμένο αιώνα [4]. Τα τελευταία χρόνια, η χρήση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων για την απενεργοποίηση παθογόνων ιών έχει προσελκύσει αυξανόμενη προσοχή. Αυτό το άρθρο εξετάζει την επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στους παθογόνους ιούς και τους μηχανισμούς τους, που μπορεί να χρησιμεύσει ως χρήσιμος οδηγός για βασική και εφαρμοσμένη έρευνα.
Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των ιών μπορεί να αντανακλούν λειτουργίες όπως η επιβίωση και η μολυσματικότητα. Έχει αποδειχθεί ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ειδικά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπερυψηλής συχνότητας (UHF) και υπερυψηλής συχνότητας (EHF), μπορούν να διαταράξουν τη μορφολογία των ιών.
Ο βακτηριοφάγος MS2 (MS2) χρησιμοποιείται συχνά σε διάφορους ερευνητικούς τομείς όπως η αξιολόγηση απολύμανσης, η κινητική μοντελοποίηση (υδατική) και ο βιολογικός χαρακτηρισμός των μορίων του ιού [5, 6]. Ο Wu βρήκε ότι τα μικροκύματα στα 2450 MHz και 700 W προκάλεσαν συσσώρευση και σημαντική συρρίκνωση των υδρόβιων φάγων MS2 μετά από 1 λεπτό άμεσης ακτινοβολίας [1]. Μετά από περαιτέρω έρευνα, παρατηρήθηκε επίσης ένα σπάσιμο στην επιφάνεια του φάγου MS2 [7]. Ο Kaczmarczyk [8] εξέθεσε εναιωρήματα δειγμάτων του κοροναϊού 229E (CoV-229E) σε κύματα χιλιοστού με συχνότητα 95 GHz και πυκνότητα ισχύος 70 έως 100 W/cm2 για 0,1 δευτερόλεπτα. Μεγάλες τρύπες μπορούν να βρεθούν στο τραχύ σφαιρικό κέλυφος του ιού, γεγονός που οδηγεί στην απώλεια του περιεχομένου του. Η έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορεί να είναι καταστροφική για τις ιογενείς μορφές. Ωστόσο, οι αλλαγές στις μορφολογικές ιδιότητες, όπως το σχήμα, η διάμετρος και η ομαλότητα της επιφάνειας, μετά από έκθεση στον ιό με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι άγνωστες. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να αναλυθεί η σχέση μεταξύ μορφολογικών χαρακτηριστικών και λειτουργικών διαταραχών, οι οποίες μπορούν να παρέχουν πολύτιμους και βολικούς δείκτες για την αξιολόγηση της αδρανοποίησης του ιού [1].
Η δομή του ιού συνήθως αποτελείται από ένα εσωτερικό νουκλεϊκό οξύ (RNA ή DNA) και ένα εξωτερικό καψίδιο. Τα νουκλεϊκά οξέα καθορίζουν τις γενετικές ιδιότητες και τις ιδιότητες αναπαραγωγής των ιών. Το καψίδιο είναι το εξωτερικό στρώμα των τακτικά διατεταγμένων πρωτεϊνικών υπομονάδων, η βασική σκαλωσιά και το αντιγονικό συστατικό των ιικών σωματιδίων και επίσης προστατεύει τα νουκλεϊκά οξέα. Οι περισσότεροι ιοί έχουν δομή φακέλου που αποτελείται από λιπίδια και γλυκοπρωτεΐνες. Επιπλέον, οι πρωτεΐνες φακέλου καθορίζουν την ειδικότητα των υποδοχέων και χρησιμεύουν ως τα κύρια αντιγόνα που μπορεί να αναγνωρίσει το ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή. Η πλήρης δομή εξασφαλίζει την ακεραιότητα και τη γενετική σταθερότητα του ιού.
Η έρευνα έχει δείξει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ειδικά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα UHF, μπορούν να βλάψουν το RNA των ιών που προκαλούν ασθένειες. Ο Wu [1] εξέθεσε απευθείας το υδατικό περιβάλλον του ιού MS2 σε μικροκύματα 2450 MHz για 2 λεπτά και ανέλυσε τα γονίδια που κωδικοποιούν την πρωτεΐνη Α, την πρωτεΐνη καψιδίου, την πρωτεΐνη ρεπλικάσης και την πρωτεΐνη διάσπασης με ηλεκτροφόρηση γέλης και αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης αντίστροφης μεταγραφής. RT-PCR). Αυτά τα γονίδια καταστράφηκαν προοδευτικά με αυξανόμενη πυκνότητα ισχύος και εξαφανίστηκαν ακόμη και στην υψηλότερη πυκνότητα ισχύος. Για παράδειγμα, η έκφραση του γονιδίου της πρωτεΐνης Α (934 bp) μειώθηκε σημαντικά μετά την έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα ισχύος 119 και 385 W και εξαφανίστηκε εντελώς όταν η πυκνότητα ισχύος αυξήθηκε στα 700 W. Αυτά τα δεδομένα δείχνουν ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν, ανάλογα με τη δόση, να καταστρέψουν τη δομή των νουκλεϊκών οξέων των ιών.
Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι η επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στις παθογόνες ιικές πρωτεΐνες βασίζεται κυρίως στην έμμεση θερμική τους επίδραση στους μεσολαβητές και στην έμμεση επίδρασή τους στη σύνθεση πρωτεϊνών λόγω της καταστροφής των νουκλεϊκών οξέων [1, 3, 8, 9]. Ωστόσο, τα αθερμικά αποτελέσματα μπορούν επίσης να αλλάξουν την πολικότητα ή τη δομή των ιικών πρωτεϊνών [1, 10, 11]. Η άμεση επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε θεμελιώδεις δομικές/μη δομικές πρωτεΐνες όπως οι πρωτεΐνες καψιδίου, οι πρωτεΐνες φακέλου ή οι πρωτεΐνες ακίδας παθογόνων ιών εξακολουθεί να απαιτεί περαιτέρω μελέτη. Έχει προταθεί πρόσφατα ότι 2 λεπτά ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε συχνότητα 2,45 GHz με ισχύ 700 W μπορούν να αλληλεπιδράσουν με διαφορετικά κλάσματα φορτίων πρωτεΐνης μέσω του σχηματισμού θερμών σημείων και ταλαντευόμενων ηλεκτρικών πεδίων μέσω καθαρά ηλεκτρομαγνητικών επιδράσεων [12].
Το περίβλημα ενός παθογόνου ιού σχετίζεται στενά με την ικανότητά του να μολύνει ή να προκαλεί ασθένεια. Αρκετές μελέτες έχουν αναφέρει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα UHF και μικροκυμάτων μπορούν να καταστρέψουν τα κελύφη των ιών που προκαλούν ασθένειες. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, μπορούν να ανιχνευθούν διακριτές τρύπες στο ιικό περίβλημα του κοροναϊού 229E μετά από 0,1 δευτερόλεπτο έκθεσης στο κύμα χιλιοστών των 95 GHz σε πυκνότητα ισχύος 70 έως 100 W/cm2 [8]. Η επίδραση της μεταφοράς συντονισμένης ενέργειας των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μπορεί να προκαλέσει αρκετή πίεση για να καταστρέψει τη δομή του περιβλήματος του ιού. Για τους ιούς με περίβλημα, μετά τη ρήξη του φακέλου, η μολυσματικότητα ή κάποια δραστηριότητα συνήθως μειώνεται ή χάνεται εντελώς [13, 14]. Ο Yang [13] εξέθεσε τον ιό της γρίπης H3N2 (H3N2) και τον ιό της γρίπης H1N1 (H1N1) σε μικροκύματα στα 8,35 GHz, 320 W/m² και 7 GHz, 308 W/m², αντίστοιχα, για 15 λεπτά. Για να συγκριθούν τα σήματα RNA των παθογόνων ιών που εκτέθηκαν σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα και ενός κατακερματισμένου μοντέλου που παγώθηκε και αποψύχθηκε αμέσως σε υγρό άζωτο για αρκετούς κύκλους, πραγματοποιήθηκε RT-PCR. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα σήματα RNA των δύο μοντέλων είναι πολύ συνεπή. Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η φυσική δομή του ιού διαταράσσεται και η δομή του φακέλου καταστρέφεται μετά από έκθεση σε ακτινοβολία μικροκυμάτων.
Η δραστηριότητα ενός ιού μπορεί να χαρακτηριστεί από την ικανότητά του να μολύνει, να αντιγράφεται και να μεταγράφει. Η μολυσματικότητα ή η δραστικότητα του ιού συνήθως αξιολογείται με μέτρηση των τίτλων του ιού χρησιμοποιώντας δοκιμές πλάκας, μέση μολυσματική δόση καλλιέργειας ιστών (TCID50) ή δραστηριότητα γονιδίου αναφοράς λουσιφεράσης. Αλλά μπορεί επίσης να αξιολογηθεί άμεσα με απομόνωση ζωντανού ιού ή με ανάλυση ιικού αντιγόνου, πυκνότητας σωματιδίων ιού, επιβίωσης ιού κ.λπ.
Έχει αναφερθεί ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα UHF, SHF και EHF μπορούν να απενεργοποιήσουν άμεσα ιικά αερολύματα ή ιούς που μεταδίδονται με νερό. Ο Wu [1] εξέθεσε αεροζόλ βακτηριοφάγου MS2 που δημιουργήθηκε από εργαστηριακό νεφελοποιητή σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητα 2450 MHz και ισχύ 700 W για 1,7 λεπτά, ενώ το ποσοστό επιβίωσης του βακτηριοφάγου MS2 ήταν μόνο 8,66%. Παρόμοια με το ιικό αεροζόλ MS2, το 91,3% του υδατικού MS2 απενεργοποιήθηκε εντός 1,5 λεπτού μετά την έκθεση στην ίδια δόση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Επιπλέον, η ικανότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας να αδρανοποιεί τον ιό MS2 συσχετίστηκε θετικά με την πυκνότητα ισχύος και τον χρόνο έκθεσης. Ωστόσο, όταν η απόδοση απενεργοποίησης φτάσει στη μέγιστη τιμή της, η απόδοση απενεργοποίησης δεν μπορεί να βελτιωθεί αυξάνοντας τον χρόνο έκθεσης ή αυξάνοντας την πυκνότητα ισχύος. Για παράδειγμα, ο ιός MS2 είχε ελάχιστο ποσοστό επιβίωσης 2,65% έως 4,37% μετά από έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα 2450 MHz και 700 W και δεν βρέθηκαν σημαντικές αλλαγές με την αύξηση του χρόνου έκθεσης. Ο Siddharta [3] ακτινοβόλησε ένα εναιώρημα κυτταροκαλλιέργειας που περιείχε ιό ηπατίτιδας C (HCV)/ιό ανθρώπινης ανοσοανεπάρκειας τύπου 1 (HIV-1) με ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε συχνότητα 2450 MHz και ισχύ 360 W. Διαπίστωσαν ότι οι τίτλοι του ιού μειώθηκαν σημαντικά μετά από 3 λεπτά ακτινοβολίας που υποδηλώνει την ηλεκτρομαγνητική έκθεση. Μολυσματικός HIV-1 και βοηθά στην πρόληψη της μετάδοσης του ιού ακόμα και όταν εκτίθενται μαζί. Κατά την ακτινοβόληση κυτταρικών καλλιεργειών HCV και εναιωρημάτων HIV-1 με ηλεκτρομαγνητικά κύματα χαμηλής ισχύος με συχνότητα 2450 MHz, 90 W ή 180 W, δεν παρατηρήθηκε καμία αλλαγή στον τίτλο του ιού, που προσδιορίζεται από τη δραστηριότητα αναφοράς λουσιφεράσης και σημαντική αλλαγή στην ιογενή μολυσματικότητα. στα 600 και 800 W για 1 λεπτό, η μολυσματικότητα και των δύο ιών δεν μειώθηκε σημαντικά, κάτι που πιστεύεται ότι σχετίζεται με την ισχύ της ακτινοβολίας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και τον χρόνο έκθεσης σε κρίσιμη θερμοκρασία.
Ο Kaczmarczyk [8] έδειξε για πρώτη φορά τη θνησιμότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων EHF έναντι υδατογενών παθογόνων ιών το 2021. Εξέθεσαν δείγματα του κοροναϊού 229E ή του ιού της πολιομυελίτιδας (PV) σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε συχνότητα 95 GHz και πυκνότητα ισχύος 70 έως 100 W/cm2 για δευτερόλεπτα. Η αποτελεσματικότητα αδρανοποίησης των δύο παθογόνων ιών ήταν 99,98% και 99,375%, αντίστοιχα. γεγονός που δείχνει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα EHF έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής στον τομέα της αδρανοποίησης του ιού.
Η αποτελεσματικότητα της απενεργοποίησης των ιών UHF έχει επίσης αξιολογηθεί σε διάφορα μέσα όπως το μητρικό γάλα και ορισμένα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως στο σπίτι. Οι ερευνητές εξέθεσαν μάσκες αναισθησίας μολυσμένες με αδενοϊό (ADV), ιό πολιομυελίτιδας τύπου 1 (PV-1), ιό έρπητα 1 (HV-1) και ρινοϊό (RHV) σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε συχνότητα 2450 MHz και ισχύ 720 Watt. Ανέφεραν ότι τα τεστ για αντιγόνα ADV και PV-1 έγιναν αρνητικά και οι τίτλοι HV-1, PIV-3 και RHV έπεσαν στο μηδέν, υποδεικνύοντας πλήρη αδρανοποίηση όλων των ιών μετά από 4 λεπτά έκθεσης [15, 16]. Ο Elhafi [17] εξέθεσε απευθείας επιχρίσματα μολυσμένα με τον ιό της λοιμώδους βρογχίτιδας των πτηνών (IBV), τον πνευμοϊό των πτηνών (APV), τον ιό της νόσου του Newcastle (NDV) και τον ιό της γρίπης των πτηνών (AIV) σε φούρνο μικροκυμάτων 2450 MHz, 900 W. χάνουν τη μολυσματικότητά τους. Μεταξύ αυτών, οι APV και IBV ανιχνεύθηκαν επιπλέον σε καλλιέργειες τραχειακών οργάνων που ελήφθησαν από έμβρυα κοτόπουλου 5ης γενιάς. Αν και ο ιός δεν μπορούσε να απομονωθεί, το ιικό νουκλεϊκό οξύ εξακολουθούσε να ανιχνεύεται με RT-PCR. Ο Ben-Shoshan [18] εξέθεσε απευθείας ηλεκτρομαγνητικά κύματα 2450 MHz, 750 W σε 15 θετικά δείγματα μητρικού γάλακτος στον κυτταρομεγαλοϊό (CMV) για 30 δευτερόλεπτα. Η ανίχνευση αντιγόνου από το Shell-Vial έδειξε πλήρη αδρανοποίηση του CMV. Ωστόσο, στα 500 W, 2 από τα 15 δείγματα δεν πέτυχαν πλήρη αδρανοποίηση, γεγονός που υποδηλώνει θετική συσχέτιση μεταξύ της απόδοσης αδρανοποίησης και της ισχύος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι ο Yang [13] προέβλεψε τη συχνότητα συντονισμού μεταξύ ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και ιών με βάση καθιερωμένα φυσικά μοντέλα. Ένα εναιώρημα σωματιδίων ιού H3N2 με πυκνότητα 7,5 × 1014 m-3, που παρήχθη από ευαίσθητα στον ιό κύτταρα νεφρού σκύλου Madin Darby (MDCK), εκτέθηκε απευθείας σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε συχνότητα 8 GHz και ισχύ 820 W/m² για 15 λεπτά. Το επίπεδο αδρανοποίησης του ιού H3N2 φτάνει το 100%. Ωστόσο, σε ένα θεωρητικό όριο 82 W/m2, μόνο το 38% του ιού H3N2 απενεργοποιήθηκε, υποδηλώνοντας ότι η αποτελεσματικότητα της αδρανοποίησης του ιού με τη μεσολάβηση ΗΜ σχετίζεται στενά με την πυκνότητα ισχύος. Με βάση αυτή τη μελέτη, η Barbora [14] υπολόγισε το εύρος συχνοτήτων συντονισμού (8,5–20 GHz) μεταξύ ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και SARS-CoV-2 και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι 7,5 × 1014 m-3 του SARS-CoV-2 εκτέθηκαν σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα Ένα κύμα με συχνότητα ± 10-4 GHz και ισχύ 10-1 Το W/m2 για περίπου 15 λεπτά θα έχει ως αποτέλεσμα 100% απενεργοποίηση. Μια πρόσφατη μελέτη από τον Wang [19] έδειξε ότι οι συχνότητες συντονισμού του SARS-CoV-2 είναι 4 και 7,5 GHz, επιβεβαιώνοντας την ύπαρξη συχνοτήτων συντονισμού ανεξάρτητων από τον τίτλο του ιού.
Συμπερασματικά, μπορούμε να πούμε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να επηρεάσουν τα αερολύματα και τα εναιωρήματα, καθώς και τη δραστηριότητα των ιών στις επιφάνειες. Διαπιστώθηκε ότι η αποτελεσματικότητα της αδρανοποίησης σχετίζεται στενά με τη συχνότητα και την ισχύ των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και το μέσο που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη του ιού. Επιπλέον, οι ηλεκτρομαγνητικές συχνότητες που βασίζονται σε φυσικούς συντονισμούς είναι πολύ σημαντικές για την απενεργοποίηση του ιού [2, 13]. Μέχρι τώρα, η επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στη δραστηριότητα των παθογόνων ιών εστιαζόταν κυρίως στην αλλαγή της μολυσματικότητας. Λόγω του πολύπλοκου μηχανισμού, αρκετές μελέτες έχουν αναφέρει την επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην αντιγραφή και τη μεταγραφή παθογόνων ιών.
Οι μηχανισμοί με τους οποίους τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα απενεργοποιούν τους ιούς σχετίζονται στενά με τον τύπο του ιού, τη συχνότητα και την ισχύ των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και το περιβάλλον ανάπτυξης του ιού, αλλά παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανεξερεύνητοι. Η πρόσφατη έρευνα έχει επικεντρωθεί στους μηχανισμούς μεταφοράς θερμικής, θερμικής και δομικής συντονιστικής ενέργειας.
Ως θερμική επίδραση νοείται η αύξηση της θερμοκρασίας που προκαλείται από περιστροφή υψηλής ταχύτητας, σύγκρουση και τριβή πολικών μορίων στους ιστούς υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Λόγω αυτής της ιδιότητας, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να ανεβάσουν τη θερμοκρασία του ιού πάνω από το όριο της φυσιολογικής ανοχής, προκαλώντας τον θάνατο του ιού. Ωστόσο, οι ιοί περιέχουν λίγα πολικά μόρια, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι άμεσες θερμικές επιδράσεις στους ιούς είναι σπάνιες [1]. Αντίθετα, υπάρχουν πολλά περισσότερα πολικά μόρια στο μέσο και στο περιβάλλον, όπως τα μόρια του νερού, τα οποία κινούνται σύμφωνα με το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο που διεγείρεται από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, δημιουργώντας θερμότητα μέσω της τριβής. Στη συνέχεια, η θερμότητα μεταφέρεται στον ιό για να αυξήσει τη θερμοκρασία του. Όταν ξεπεραστεί το όριο ανοχής, τα νουκλεϊκά οξέα και οι πρωτεΐνες καταστρέφονται, κάτι που τελικά μειώνει τη μολυσματικότητα και ακόμη και απενεργοποιεί τον ιό.
Αρκετές ομάδες έχουν αναφέρει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να μειώσουν τη μολυσματικότητα των ιών μέσω της θερμικής έκθεσης [1, 3, 8]. Ο Kaczmarczyk [8] εξέθεσε εναιωρήματα του κοροναϊού 229E σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε συχνότητα 95 GHz με πυκνότητα ισχύος 70 έως 100 W/cm² για 0,2-0,7 δευτερόλεπτα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μια αύξηση της θερμοκρασίας κατά 100°C κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας συνέβαλε στην καταστροφή της μορφολογίας του ιού και στη μείωση της δραστηριότητας του ιού. Αυτές οι θερμικές επιδράσεις μπορούν να εξηγηθούν από τη δράση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στα γύρω μόρια του νερού. Ο Siddharta [3] ακτινοβόλησε εναιωρήματα κυτταροκαλλιέργειας που περιέχουν HCV διαφορετικών γονότυπων, συμπεριλαμβανομένων των GT1a, GT2a, GT3a, GT4a, GT5a, GT6a και GT7a, με ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε συχνότητα 2450 MHz και ισχύ 3180 W, 60 W, 90 W, Τρίτη 800 Με αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου κυτταροκαλλιέργειας από 26°C σε 92°C, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μείωσε τη μολυσματικότητα του ιού ή απενεργοποίησε πλήρως τον ιό. Όμως ο HCV εκτέθηκε σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα για μικρό χρονικό διάστημα σε χαμηλή ισχύ (90 ή 180 W, 3 λεπτά) ή μεγαλύτερη ισχύ (600 ή 800 W, 1 λεπτό), ενώ δεν υπήρξε σημαντική αύξηση στη θερμοκρασία και σημαντική αλλαγή στον ιό δεν παρατηρήθηκε μολυσματικότητα ή δραστηριότητα.
Τα παραπάνω αποτελέσματα δείχνουν ότι η θερμική επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τη μολυσματικότητα ή τη δραστηριότητα των παθογόνων ιών. Επιπλέον, πολυάριθμες μελέτες έχουν δείξει ότι η θερμική επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας απενεργοποιεί τους παθογόνους ιούς πιο αποτελεσματικά από την UV-C και τη συμβατική θέρμανση [8, 20, 21, 22, 23, 24].
Εκτός από τις θερμικές επιδράσεις, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν επίσης να αλλάξουν την πολικότητα μορίων όπως οι μικροβιακές πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα, προκαλώντας τα μόρια να περιστρέφονται και να δονούνται, με αποτέλεσμα μειωμένη βιωσιμότητα ή ακόμα και θάνατο [10]. Πιστεύεται ότι η ταχεία εναλλαγή της πολικότητας των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων προκαλεί πόλωση πρωτεΐνης, η οποία οδηγεί σε συστροφή και καμπυλότητα της δομής της πρωτεΐνης και, τελικά, σε μετουσίωση της πρωτεΐνης [11].
Η μη θερμική επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην απενεργοποίηση του ιού παραμένει αμφιλεγόμενη, αλλά οι περισσότερες μελέτες έχουν δείξει θετικά αποτελέσματα [1, 25]. Όπως αναφέραμε παραπάνω, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να διεισδύσουν άμεσα στην πρωτεΐνη περιβλήματος του ιού MS2 και να καταστρέψουν το νουκλεϊκό οξύ του ιού. Επιπλέον, τα αερολύματα του ιού MS2 είναι πολύ πιο ευαίσθητα στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα από τα υδατικά MS2. Λόγω των λιγότερο πολικών μορίων, όπως τα μόρια του νερού, στο περιβάλλον που περιβάλλει τα αερολύματα του ιού MS2, οι αθερικές επιδράσεις μπορεί να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στην αδρανοποίηση του ιού που προκαλείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα [1].
Το φαινόμενο του συντονισμού αναφέρεται στην τάση ενός φυσικού συστήματος να απορροφά περισσότερη ενέργεια από το περιβάλλον του στη φυσική του συχνότητα και μήκος κύματος. Η αντήχηση εμφανίζεται σε πολλά μέρη στη φύση. Είναι γνωστό ότι οι ιοί συντονίζονται με μικροκύματα της ίδιας συχνότητας σε περιορισμένο ακουστικό δίπολο, φαινόμενο συντονισμού [2, 13, 26]. Οι συντονισμένοι τρόποι αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος και ενός ιού προσελκύουν όλο και περισσότερη προσοχή. Η επίδραση της αποτελεσματικής μεταφοράς ενέργειας δομικού συντονισμού (SRET) από τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε κλειστές ακουστικές ταλαντώσεις (CAV) στους ιούς μπορεί να οδηγήσει σε ρήξη της ιικής μεμβράνης λόγω των αντίθετων δονήσεων πυρήνα-καψιδίου. Επιπλέον, η συνολική αποτελεσματικότητα του SRET σχετίζεται με τη φύση του περιβάλλοντος, όπου το μέγεθος και το pH του ιικού σωματιδίου καθορίζουν τη συχνότητα συντονισμού και την απορρόφηση ενέργειας, αντίστοιχα [2, 13, 19].
Η φυσική επίδραση του συντονισμού των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων παίζει βασικό ρόλο στην αδρανοποίηση των ιών με περίβλημα, οι οποίοι περιβάλλονται από μια μεμβράνη διπλής στιβάδας ενσωματωμένη σε πρωτεΐνες ιού. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η απενεργοποίηση του H3N2 από ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητα 6 GHz και πυκνότητα ισχύος 486 W/m² προκλήθηκε κυρίως από τη φυσική ρήξη του κελύφους λόγω του φαινομένου συντονισμού [13]. Η θερμοκρασία του εναιωρήματος H3N2 αυξήθηκε μόνο κατά 7°C μετά από 15 λεπτά έκθεσης, ωστόσο, για την απενεργοποίηση του ανθρώπινου ιού H3N2 με θερμική θέρμανση, απαιτείται θερμοκρασία πάνω από 55°C [9]. Παρόμοια φαινόμενα έχουν παρατηρηθεί για ιούς όπως ο SARS-CoV-2 και ο H3N1 [13, 14]. Επιπλέον, η αδρανοποίηση των ιών από ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν οδηγεί στην αποικοδόμηση των ιικών γονιδιωμάτων RNA [1,13,14]. Έτσι, η αδρανοποίηση του ιού H3N2 προωθήθηκε με φυσικό συντονισμό και όχι με θερμική έκθεση [13].
Σε σύγκριση με τη θερμική επίδραση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, η αδρανοποίηση των ιών με φυσικό συντονισμό απαιτεί παραμέτρους χαμηλότερης δόσης, οι οποίες είναι κάτω από τα πρότυπα ασφαλείας μικροκυμάτων που καθορίζονται από το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE) [2, 13]. Η συχνότητα συντονισμού και η δόση ισχύος εξαρτώνται από τις φυσικές ιδιότητες του ιού, όπως το μέγεθος και την ελαστικότητα των σωματιδίων, και όλοι οι ιοί εντός της συχνότητας συντονισμού μπορούν να στοχευθούν αποτελεσματικά για απενεργοποίηση. Λόγω του υψηλού ποσοστού διείσδυσης, της απουσίας ιοντίζουσας ακτινοβολίας και της καλής ασφάλειας, η απενεργοποίηση του ιού που προκαλείται από την αθερμική επίδραση του CPET είναι πολλά υποσχόμενη για τη θεραπεία ανθρώπινων κακοήθων ασθενειών που προκαλούνται από παθογόνους ιούς [14, 26].
Με βάση την εφαρμογή της αδρανοποίησης των ιών στην υγρή φάση και στην επιφάνεια διαφόρων μέσων, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να αντιμετωπίσουν αποτελεσματικά τα ιικά αερολύματα [1, 26], κάτι που αποτελεί σημαντική ανακάλυψη και έχει μεγάλη σημασία για τον έλεγχο της μετάδοσης του ιού και την πρόληψη της μετάδοσης του ιού στην κοινωνία. επιδημία. Επιπλέον, η ανακάλυψη των ιδιοτήτων φυσικού συντονισμού των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έχει μεγάλη σημασία σε αυτό το πεδίο. Εφόσον η συχνότητα συντονισμού ενός συγκεκριμένου ιού και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι γνωστά, όλοι οι ιοί εντός του εύρους συχνοτήτων συντονισμού του τραύματος μπορούν να στοχευθούν, κάτι που δεν μπορεί να επιτευχθεί με τις παραδοσιακές μεθόδους απενεργοποίησης του ιού [13,14,26]. Η ηλεκτρομαγνητική αδρανοποίηση ιών είναι μια πολλά υποσχόμενη έρευνα με μεγάλη ερευνητική και εφαρμοσμένη αξία και δυνατότητες.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή τεχνολογία εξόντωσης ιών, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν τα χαρακτηριστικά της απλής, αποτελεσματικής, πρακτικής προστασίας του περιβάλλοντος όταν σκοτώνουν ιούς λόγω των μοναδικών φυσικών τους ιδιοτήτων [2, 13]. Ωστόσο, παραμένουν πολλά προβλήματα. Πρώτον, η σύγχρονη γνώση περιορίζεται στις φυσικές ιδιότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και ο μηχανισμός χρήσης ενέργειας κατά την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων δεν έχει αποκαλυφθεί [10, 27]. Τα μικροκύματα, συμπεριλαμβανομένων των κυμάτων χιλιοστών, έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη μελέτη της αδρανοποίησης του ιού και των μηχανισμών του, ωστόσο, μελέτες ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε άλλες συχνότητες, ειδικά σε συχνότητες από 100 kHz έως 300 MHz και από 300 GHz έως 10 THz, δεν έχουν αναφερθεί. Δεύτερον, ο μηχανισμός θανάτωσης παθογόνων ιών με ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν έχει διευκρινιστεί και έχουν μελετηθεί μόνο σφαιρικοί και ραβδοειδείς ιοί [2]. Επιπλέον, τα σωματίδια του ιού είναι μικρά, χωρίς κύτταρα, μεταλλάσσονται εύκολα και εξαπλώνονται γρήγορα, γεγονός που μπορεί να αποτρέψει την απενεργοποίηση του ιού. Η τεχνολογία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων πρέπει ακόμη να βελτιωθεί για να ξεπεραστεί το εμπόδιο της αδρανοποίησης των παθογόνων ιών. Τέλος, η υψηλή απορρόφηση της ακτινοβολούμενης ενέργειας από πολικά μόρια στο μέσο, ​​όπως τα μόρια του νερού, έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια ενέργειας. Επιπλέον, η αποτελεσματικότητα του SRET μπορεί να επηρεαστεί από αρκετούς μη αναγνωρισμένους μηχανισμούς στους ιούς [28]. Το φαινόμενο SRET μπορεί επίσης να τροποποιήσει τον ιό ώστε να προσαρμοστεί στο περιβάλλον του, με αποτέλεσμα την αντίσταση στα ηλεκτρομαγνητικά κύματα [29].
Στο μέλλον, η τεχνολογία αδρανοποίησης του ιού με χρήση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων πρέπει να βελτιωθεί περαιτέρω. Η θεμελιώδης επιστημονική έρευνα θα πρέπει να στοχεύει στην αποσαφήνιση του μηχανισμού αδρανοποίησης του ιού από ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Για παράδειγμα, ο μηχανισμός χρήσης της ενέργειας των ιών όταν εκτίθενται σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ο λεπτομερής μηχανισμός της μη θερμικής δράσης που σκοτώνει τους παθογόνους ιούς και ο μηχανισμός της επίδρασης SRET μεταξύ ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και διαφόρων τύπων ιών θα πρέπει να διευκρινίζονται συστηματικά. Η εφαρμοσμένη έρευνα πρέπει να επικεντρωθεί στον τρόπο πρόληψης της υπερβολικής απορρόφησης ενέργειας ακτινοβολίας από πολικά μόρια, να μελετήσει την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων διαφορετικών συχνοτήτων σε διάφορους παθογόνους ιούς και να μελετήσει τις μη θερμικές επιδράσεις των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην καταστροφή παθογόνων ιών.
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν γίνει μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος για την αδρανοποίηση παθογόνων ιών. Η τεχνολογία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έχει τα πλεονεκτήματα της χαμηλής ρύπανσης, του χαμηλού κόστους και της υψηλής απόδοσης απενεργοποίησης του ιού των παθογόνων, η οποία μπορεί να ξεπεράσει τους περιορισμούς της παραδοσιακής τεχνολογίας κατά των ιών. Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τον προσδιορισμό των παραμέτρων της τεχνολογίας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και την αποσαφήνιση του μηχανισμού αδρανοποίησης του ιού.
Μια ορισμένη δόση ακτινοβολίας ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μπορεί να καταστρέψει τη δομή και τη δραστηριότητα πολλών παθογόνων ιών. Η αποτελεσματικότητα της απενεργοποίησης του ιού σχετίζεται στενά με τη συχνότητα, την πυκνότητα ισχύος και τον χρόνο έκθεσης. Επιπλέον, οι πιθανοί μηχανισμοί περιλαμβάνουν θερμικές, θερμικές και δομικές επιδράσεις συντονισμού της μεταφοράς ενέργειας. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές τεχνολογίες κατά των ιών, η απενεργοποίηση του ιού με βάση ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχει τα πλεονεκτήματα της απλότητας, της υψηλής απόδοσης και της χαμηλής ρύπανσης. Ως εκ τούτου, η αδρανοποίηση του ιού που προκαλείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχει γίνει μια πολλά υποσχόμενη αντιική τεχνική για μελλοντικές εφαρμογές.
U Yu. Επίδραση της ακτινοβολίας μικροκυμάτων και του ψυχρού πλάσματος στη δραστηριότητα βιοαεροζόλ και σχετικούς μηχανισμούς. Πανεπιστήμιο του Πεκίνου. έτος 2013.
Sun CK, Tsai YC, Chen Ye, Liu TM, Chen HY, Wang HC et al. Συντονιστική διπολική σύζευξη μικροκυμάτων και περιορισμένες ακουστικές ταλαντώσεις σε βακουλοϊούς. Επιστημονική έκθεση 2017; 7(1):4611.
Siddharta A, Pfaender S, Malassa A, Doerrbecker J, Anggakusuma, Engelmann Μ, et al. Απενεργοποίηση μικροκυμάτων του HCV και του HIV: μια νέα προσέγγιση για την πρόληψη της μετάδοσης του ιού στους χρήστες ενέσιμων ναρκωτικών. Επιστημονική έκθεση 2016; 6:36619.
Yan SX, Wang RN, Cai YJ, Song YL, Qv HL. Διερεύνηση και Πειραματική Παρατήρηση Μόλυνσης Νοσοκομειακών Εγγράφων από Απολύμανση Μικροκυμάτων [J] Chinese Medical Journal. 1987; 4:221-2.
Sun Wei Προκαταρκτική μελέτη του μηχανισμού αδρανοποίησης και της αποτελεσματικότητας του διχλωροϊσοκυανικού νατρίου έναντι του βακτηριοφάγου MS2. Πανεπιστήμιο Σιτσουάν. 2007.
Yang Li Προκαταρκτική μελέτη της επίδρασης αδρανοποίησης και του μηχανισμού δράσης της ο-φθαλαλδεΰδης στον βακτηριοφάγο MS2. Πανεπιστήμιο Σιτσουάν. 2007.
Γου Γιε, κυρία Γιάο. Απενεργοποίηση ενός αερομεταφερόμενου ιού in situ από ακτινοβολία μικροκυμάτων. Κινεζικό Δελτίο Επιστημών. 2014;59(13):1438-45.
Kachmarchik LS, Marsai KS, Shevchenko S., Pilosof M., Levy N., Einat M. et al. Οι κοροναϊοί και οι ιοί της πολιομυελίτιδας είναι ευαίσθητοι σε βραχείς παλμούς ακτινοβολίας κυκλοτρονίων ζώνης W. Επιστολή για την περιβαλλοντική χημεία. 2021;19(6):3967-72.
Yonges M, Liu VM, van der Vries E, Jacobi R, Pronk I, Boog S, et al. Απενεργοποίηση του ιού της γρίπης για μελέτες αντιγονικότητας και δοκιμές αντοχής σε φαινοτυπικούς αναστολείς νευραμινιδάσης. Journal of Clinical Microbiology. 2010;48(3):928-40.
Zou Xinzhi, Zhang Lijia, Liu Yujia, Li Yu, Zhang Jia, Lin Fujia, et al. Επισκόπηση της αποστείρωσης σε φούρνο μικροκυμάτων. Επιστήμη των μικροθρεπτικών στοιχείων του Γκουανγκντόνγκ. 2013; 20 (6): 67-70.
Λι Τζίζι. Μη θερμικές βιολογικές επιδράσεις των μικροκυμάτων σε μικροοργανισμούς τροφίμων και τεχνολογία αποστείρωσης με μικροκύματα [JJ Southwestern Nationalities University (Natural Science Edition). 2006; 6:1219–22.
Afagi P, Lapolla MA, Gandhi K. Μετουσίωσης πρωτεΐνης ακίδας SARS-CoV-2 κατά την ακτινοβολία θερμικού μικροκυμάτων. Επιστημονική έκθεση 2021; 11(1):23373.
Yang SC, Lin HC, Liu TM, Lu JT, Hong WT, Huang YR, et al. Αποτελεσματική δομική μεταφορά ενέργειας συντονισμού από τα μικροκύματα σε περιορισμένες ακουστικές ταλαντώσεις σε ιούς. Επιστημονική έκθεση 2015; 5:18030.
Barbora A, Minnes R. Στοχευμένη αντιική θεραπεία με χρήση θεραπείας μη ιονίζουσας ακτινοβολίας για τον SARS-CoV-2 και προετοιμασία για πανδημία ιού: μέθοδοι, μέθοδοι και σημειώσεις πρακτικής για κλινική εφαρμογή. PLOS One. 2021;16(5):e0251780.
Γιανγκ Χουίμινγκ. Αποστείρωση με μικροκύματα και παράγοντες που την επηρεάζουν. Κινεζικό Ιατρικό Περιοδικό. 1993; (04): 246-51.
Σελίδα WJ, Martin WG Επιβίωση μικροβίων σε φούρνους μικροκυμάτων. Μπορείτε να J Μικροοργανισμοί. 1978, 24(11):1431-3.
Elhafi G., Naylor SJ, Savage KE, Jones RS Η θεραπεία με μικροκύματα ή σε αυτόκλειστο καταστρέφει τη μολυσματικότητα του ιού της λοιμώδους βρογχίτιδας και του πνευμοϊού των πτηνών, αλλά επιτρέπει την ανίχνευσή τους χρησιμοποιώντας αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης της αντίστροφης μεταγραφάσης. ασθένεια των πουλερικών. 2004; 33 (3): 303-6.
Ben-Shoshan M., Mandel D., Lubezki R., Dollberg S., Mimouni FB Microwave eradication of cytomegalovirus from μητρικό γάλα: μια πιλοτική μελέτη. φάρμακο θηλασμού. 2016; 11:186-7.
Wang PJ, Pang YH, Huang SY, Fang JT, Chang SY, Shih SR, et al. Απορρόφηση συντονισμού μικροκυμάτων του ιού SARS-CoV-2. Επιστημονική Έκθεση 2022; 12(1): 12596.
Sabino CP, Sellera FP, Sales-Medina DF, Machado RRG, Durigon EL, Freitas-Junior LH, κ.λπ. UV-C (254 nm) θανατηφόρα δόση SARS-CoV-2. Διαγνωστικά φωτός Photodyne Ther. 2020; 32:101995.
Storm N, McKay LGA, Downs SN, Johnson RI, Birru D, de Samber M, κ.λπ. Ταχεία και πλήρης απενεργοποίηση του SARS-CoV-2 από την UV-C. Επιστημονική Έκθεση 2020; 10(1):22421.