Spettroscopia di disattivazione elettromagnetica del coronavirus umano 229E

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8886 (2023) Citare questo articolo

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L'indagine sulla disattivazione degli agenti patogeni mediante onde elettromagnetiche nella regione delle microonde dello spettro viene effettuata utilizzando strutture di guida d'onda personalizzate. Le guide d'onda sono dotate di reticoli sub-lunghezza d'onda per consentire l'integrazione di un sistema di raffreddamento ad aria senza disturbare i campi di propagazione interni. Le guide d'onda sono rastremate per accogliere internamente un campione sperimentale con un flusso d'aria circostante sufficiente. La metodologia proposta consente un controllo preciso sulle densità di potenza grazie alla modalità fondamentale ben definita eccitata in ciascuna guida d'onda, oltre al controllo della temperatura del campione dovuto all'esposizione alle microonde nel tempo. Il coronavirus umano (HCoV-229E) viene studiato nella gamma 0–40 GHz, dove si osserva una riduzione virale di picco di 3 log nella sottobanda 15,0–19,5 GHz. Concludiamo che HCoV-229E ha una risonanza intrinseca in questo intervallo, dove il danno alla struttura non termica è ottimale attraverso l’effetto di trasferimento di energia risonante della struttura.

La disattivazione degli agenti patogeni mediante onde elettromagnetiche (EM) nella banda delle microonde sta attirando un crescente interesse di ricerca1,2,3,4,5,6,7,8,9. La natura senza contatto della disattivazione delle microonde è una caratteristica che rende il metodo particolarmente utile nel contesto delle crisi di sanità pubblica causate dalla recente e in corso pandemia di SARS-CoV-2. Le microonde possono disattivare un virione in due modi: attraverso il riscaldamento termico o attraverso un processo noto come trasferimento di energia risonante della struttura (SRET). Quest'ultimo si basa sull'idea che i virus avvolti con semplici geometrie sferiche risuoneranno in presenza di un'onda EM2,3,4,5. Massimizzare l’ampiezza delle vibrazioni acustiche eccitate all’interno di un virus sferico è importante per causare il massimo spostamento e stress sulla struttura dell’involucro, che potrebbe eventualmente causarne la rottura. L'attuale modellizzazione delle vibrazioni acustiche in modalità dipolare nei virus sferici prevede che lo stress maggiore applicato da onde EM di uguale intensità si verifichi nel regime delle microonde2,4,10, il che è supportato da un numero crescente di prove sperimentali2,3,5. La disattivazione del virus dell'influenza A (H3N2) è stata dimostrata utilizzando microonde a bassa densità di potenza, in cui la membrana del virus viene rotta attraverso l'effetto SRET2. In quello studio, una soluzione virale ha visto una riduzione di 3 log del virus attivo dopo 15 minuti di illuminazione a microonde da un’antenna a tromba operante a 8,2 GHz. L'applicazione dell'effetto SRET è un promettente mezzo non termico per disattivare gli agenti patogeni dannosi con risonanze intrinseche nel regime delle microonde a causa delle basse densità di potenza suggerite richieste2,3,4.

La sterilizzazione a microonde senza riscaldamento a bassa potenza richiede la conoscenza della risonanza naturale intrinseca del virione per trasferire in modo più efficiente la maggior parte dell'energia limitata disponibile. Lo studio sperimentale della spettroscopia di assorbimento delle microonde di un virus è tecnicamente impegnativo, in particolare a causa della sensibilità richiesta per rilevare e distinguere ragionevolmente una risposta attribuita alle particelle di piccole dimensioni. I metodi proposti hanno coinvolto linee di trasmissione a microonde in cui vengono introdotti piccoli volumi di soluzione per disturbare le microonde guidate all'interno della struttura2,3,5,8. Il sensore viene prima misurato prendendo come riferimento solo il fluido vettore, quindi seguito da una misurazione contenente una certa concentrazione di virus. Viene quindi effettuato un confronto relativo per identificare i regimi in cui si perde più potenza delle microonde, indicando l’assorbimento da parte del virus. Questa metodologia è stata utilizzata per identificare le risonanze di assorbimento delle microonde del virus SARS-CoV-23, dell’influenza A (H3N2)2 e della sindrome dei punti bianchi8.

In questo rapporto presentiamo una nuova metodologia a temperatura controllata per studiare le interazioni elettromagnetiche con gli agenti patogeni. Il coronavirus umano HCoV-229E (229E) è selezionato per essere utilizzato come modello surrogato di biosicurezza per i coronavirus più altamente patogeni. La sua geometria sferica e la disposizione delle proteine ​​dei picchi sono rappresentative di molti virus avvolti. La nostra metodologia è dimostrata studiando la disattivazione basata su SRET di 229E che copre 0,8–40 GHz e identificando una risonanza intrinseca all'interno del regime 15,0–19,5 GHz. All’interno di questo regime, è stata osservata una riduzione di 3 log del virus attivo dopo soli 7,5 minuti di esposizione alle microonde. Vengono utilizzate guide d'onda rettangolari progettate per accogliere un campione internamente, esponendo il campione a campi elettrici ben definiti. Ciò possiede il vantaggio principale di avere un controllo preciso sull'intensità del campo e sulla densità di potenza esposta al campione sperimentale. Reticoli sub-lunghezza d'onda vengono introdotti nelle pareti della guida d'onda per integrare un sistema di raffreddamento del flusso d'aria senza disturbare i campi di propagazione. Durante gli esperimenti, i campioni virali vengono continuamente raffreddati per garantire che qualsiasi disattivazione osservata sia attribuita alle vibrazioni acustiche indotte da SRET, piuttosto che all'eccessivo riscaldamento a microonde della soluzione portante. Utilizzando questa metodologia, i virus possono essere studiati con diversi criteri di densità di potenza e di tempo, in modo tale da poter determinare i regimi di frequenza ottimali e il grado previsto di disattivazione del virus. Queste informazioni sono fondamentali per lo sviluppo di nuove tecnologie basate sulle microonde per il controllo della trasmissione, la sterilizzazione e i trattamenti clinici.