Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf pathogene Viren und damit verbundene Mechanismen: eine Übersicht im Journal of Virology

Pathogene Virusinfektionen stellen weltweit ein großes Gesundheitsproblem dar. Viren können alle zellulären Organismen infizieren und Verletzungen und Schäden unterschiedlichen Ausmaßes verursachen, die zu Erkrankungen und sogar zum Tod führen können. Angesichts der Verbreitung hochpathogener Viren wie dem Coronavirus 2 des Schweren Akuten Respiratorischen Syndroms (SARS-CoV-2) besteht dringender Bedarf an der Entwicklung wirksamer und sicherer Methoden zur Inaktivierung pathogener Viren. Herkömmliche Methoden zur Inaktivierung pathogener Viren sind zwar praktikabel, weisen jedoch einige Einschränkungen auf. Aufgrund ihrer hohen Durchdringungskraft, der physikalischen Resonanz und der Schadstofffreiheit haben sich elektromagnetische Wellen zu einer potenziellen Strategie zur Inaktivierung pathogener Viren entwickelt und gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dieser Artikel bietet einen Überblick über aktuelle Veröffentlichungen zum Einfluss elektromagnetischer Wellen auf pathogene Viren und deren Mechanismen sowie zu den Perspektiven ihres Einsatzes zur Inaktivierung pathogener Viren und stellt neue Ideen und Methoden für eine solche Inaktivierung vor.
Viele Viren verbreiten sich schnell, überdauern lange, sind hochpathogen und können globale Epidemien und ernsthafte Gesundheitsrisiken auslösen. Prävention, Erkennung, Tests, Ausrottung und Behandlung sind wichtige Schritte, um die Ausbreitung des Virus zu stoppen. Die schnelle und effiziente Eliminierung pathogener Viren umfasst prophylaktische, protektive und quellenbeseitigende Maßnahmen. Die Inaktivierung pathogener Viren durch physiologische Zerstörung zur Verringerung ihrer Infektiosität, Pathogenität und Reproduktionsfähigkeit ist eine wirksame Methode zu ihrer Eliminierung. Traditionelle Methoden, darunter hohe Temperaturen, Chemikalien und ionisierende Strahlung, können pathogene Viren wirksam inaktivieren. Diese Methoden weisen jedoch noch einige Einschränkungen auf. Daher besteht weiterhin dringender Bedarf an der Entwicklung innovativer Strategien zur Inaktivierung pathogener Viren.
Die Emission elektromagnetischer Wellen bietet die Vorteile einer hohen Durchdringungskraft, einer schnellen und gleichmäßigen Erwärmung, der Resonanz mit Mikroorganismen und der Plasmafreisetzung und dürfte sich zu einer praktikablen Methode zur Inaktivierung pathogener Viren entwickeln [1,2,3]. Die Fähigkeit elektromagnetischer Wellen, pathogene Viren zu inaktivieren, wurde bereits im letzten Jahrhundert nachgewiesen [4]. In den letzten Jahren hat die Verwendung elektromagnetischer Wellen zur Inaktivierung pathogener Viren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dieser Artikel diskutiert die Wirkung elektromagnetischer Wellen auf pathogene Viren und ihre Mechanismen und kann als nützlicher Leitfaden für die Grundlagen- und angewandte Forschung dienen.
Die morphologischen Merkmale von Viren können Funktionen wie Überleben und Infektiosität widerspiegeln. Es wurde nachgewiesen, dass elektromagnetische Wellen, insbesondere elektromagnetische Wellen mit ultrahoher Frequenz (UHF) und ultrahoher Frequenz (EHF), die Morphologie von Viren stören können.
Der Bakteriophage MS2 (MS2) wird häufig in verschiedenen Forschungsbereichen verwendet, beispielsweise zur Bewertung von Desinfektionsmitteln, zur kinetischen Modellierung (wässrig) und zur biologischen Charakterisierung viraler Moleküle [5, 6]. Wu fand heraus, dass Mikrowellen bei 2450 MHz und 700 W nach 1 Minute direkter Bestrahlung eine Aggregation und signifikante Schrumpfung von MS2-Wasserphagen verursachten [1]. Bei weiteren Untersuchungen wurde zudem ein Bruch in der Oberfläche des MS2-Phagen beobachtet [7]. Kaczmarczyk [8] setzte Suspensionen von Proben des Coronavirus 229E (CoV-229E) 0,1 s lang Millimeterwellen mit einer Frequenz von 95 GHz und einer Leistungsdichte von 70 bis 100 W/cm2 aus. In der rauen, kugelförmigen Schale des Virus bilden sich große Löcher, die zum Verlust seines Inhalts führen. Die Einwirkung elektromagnetischer Wellen kann für virale Formen zerstörerisch sein. Veränderungen morphologischer Eigenschaften wie Form, Durchmesser und Oberflächenglätte nach Exposition des Virus gegenüber elektromagnetischer Strahlung sind jedoch nicht bekannt. Daher ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen morphologischen Merkmalen und Funktionsstörungen zu analysieren, da dies wertvolle und praktische Indikatoren für die Beurteilung der Virusinaktivierung liefern kann [1].
Die Virusstruktur besteht üblicherweise aus einer inneren Nukleinsäure (RNA oder DNA) und einem äußeren Kapsid. Nukleinsäuren bestimmen die genetischen und Replikationseigenschaften von Viren. Das Kapsid ist die äußere Schicht regelmäßig angeordneter Proteinuntereinheiten, das Grundgerüst und die antigene Komponente von Viruspartikeln und schützt zudem die Nukleinsäuren. Die meisten Viren besitzen eine Hüllstruktur aus Lipiden und Glykoproteinen. Hüllproteine ​​bestimmen zudem die Spezifität der Rezeptoren und dienen als Hauptantigene, die das Immunsystem des Wirtes erkennen kann. Die vollständige Struktur gewährleistet die Integrität und genetische Stabilität des Virus.
Untersuchungen haben gezeigt, dass elektromagnetische Wellen, insbesondere elektromagnetische UHF-Wellen, die RNA von krankheitserregenden Viren schädigen können. Wu [1] setzte die wässrige Umgebung des MS2-Virus 2 Minuten lang direkt 2450 MHz-Mikrowellen aus und analysierte die Gene, die für Protein A, Kapsidprotein, Replikaseprotein und Spaltprotein kodieren, mittels Gelelektrophorese und Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR). Diese Gene wurden mit zunehmender Leistungsdichte schrittweise zerstört und verschwanden bei der höchsten Leistungsdichte sogar. Beispielsweise nahm die Expression des Protein-A-Gens (934 bp) nach Exposition gegenüber elektromagnetischen Wellen mit einer Leistung von 119 und 385 W signifikant ab und verschwand vollständig, als die Leistungsdichte auf 700 W erhöht wurde. Diese Daten deuten darauf hin, dass elektromagnetische Wellen, abhängig von der Dosis, die Struktur der Nukleinsäuren von Viren zerstören können.
Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Wirkung elektromagnetischer Wellen auf pathogene virale Proteine ​​hauptsächlich auf ihrer indirekten thermischen Wirkung auf Mediatoren und ihrer indirekten Wirkung auf die Proteinsynthese durch die Zerstörung von Nukleinsäuren beruht [1, 3, 8, 9]. Athermische Effekte können jedoch auch die Polarität oder Struktur viraler Proteine ​​verändern [1, 10, 11]. Die direkte Wirkung elektromagnetischer Wellen auf grundlegende Struktur-/Nichtstrukturproteine ​​wie Kapsidproteine, Hüllproteine ​​oder Spike-Proteine ​​pathogener Viren muss noch weiter untersucht werden. Kürzlich wurde vorgeschlagen, dass 2 Minuten elektromagnetische Strahlung bei einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Leistung von 700 W durch rein elektromagnetische Effekte mit verschiedenen Anteilen von Proteinladungen durch die Bildung von Hotspots und oszillierenden elektrischen Feldern interagieren können [12].
Die Hülle eines pathogenen Virus steht in engem Zusammenhang mit seiner Fähigkeit, zu infizieren oder Krankheiten zu verursachen. Mehrere Studien haben berichtet, dass elektromagnetische UHF- und Mikrowellenwellen die Hüllen krankheitserregender Viren zerstören können. Wie oben erwähnt, können nach 0,1 Sekunden Exposition gegenüber 95 GHz-Millimeterwellen bei einer Leistungsdichte von 70 bis 100 W/cm2 deutliche Löcher in der Virushülle des Coronavirus 229E festgestellt werden [8]. Der Effekt der resonanten Energieübertragung elektromagnetischer Wellen kann genügend Spannung verursachen, um die Struktur der Virushülle zu zerstören. Bei umhüllten Viren nimmt nach dem Aufreißen der Hülle normalerweise die Infektiosität oder ein Teil ihrer Aktivität ab oder geht vollständig verloren [13, 14]. Yang [13] setzte das Influenzavirus H3N2 (H3N2) und das Influenzavirus H1N1 (H1N1) 15 Minuten lang Mikrowellen von 8,35 GHz, 320 W/m² bzw. 7 GHz, 308 W/m² aus. Um die RNA-Signale pathogener Viren, die elektromagnetischen Wellen ausgesetzt waren, mit denen eines fragmentierten Modells zu vergleichen, das mehrere Zyklen lang in flüssigem Stickstoff eingefroren und sofort wieder aufgetaut wurde, wurde eine RT-PCR durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die RNA-Signale der beiden Modelle sehr konsistent sind. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die physikalische Struktur des Virus durch die Mikrowellenbestrahlung zerstört wird und die Hüllstruktur zerstört wird.
Die Aktivität eines Virus lässt sich anhand seiner Fähigkeit zur Infektion, Replikation und Transkription charakterisieren. Die virale Infektiosität oder Aktivität wird üblicherweise durch Messung des Virustiters mittels Plaque-Assays, der medianen Infektionsdosis (TCID50) in Gewebekulturen oder der Luciferase-Reportergenaktivität beurteilt. Sie kann aber auch direkt durch Isolierung lebender Viren oder durch Analyse des viralen Antigens, der Viruspartikeldichte, des Virusüberlebens usw. bestimmt werden.
Es wurde berichtet, dass elektromagnetische Wellen von UHF, SHF und EHF virale Aerosole oder durch Wasser übertragene Viren direkt inaktivieren können. Wu [1] setzte ein von einem Laborvernebler erzeugtes MS2-Bakteriophagen-Aerosol 1,7 Minuten lang elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von 2450 MHz und einer Leistung von 700 W aus, wobei die Überlebensrate der MS2-Bakteriophagen nur 8,66 % betrug. Ähnlich wie beim viralen MS2-Aerosol wurden 91,3 % des wässrigen MS2 innerhalb von 1,5 Minuten nach Exposition gegenüber der gleichen Dosis elektromagnetischer Wellen inaktiviert. Darüber hinaus korrelierte die Fähigkeit elektromagnetischer Strahlung, das MS2-Virus zu inaktivieren, positiv mit der Leistungsdichte und der Expositionsdauer. Wenn die Deaktivierungseffizienz jedoch ihren Maximalwert erreicht, kann sie nicht mehr durch eine Erhöhung der Expositionsdauer oder der Leistungsdichte verbessert werden. Das MS2-Virus beispielsweise hatte nach Exposition gegenüber elektromagnetischen Wellen von 2450 MHz und 700 W eine minimale Überlebensrate von 2,65 % bis 4,37 %, und mit zunehmender Expositionsdauer wurden keine signifikanten Veränderungen festgestellt. Siddharta [3] bestrahlte eine Zellkultursuspension mit dem Hepatitis C-Virus (HCV)/humanen Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1) mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 2450 MHz und einer Leistung von 360 W. Sie fanden heraus, dass die Virustiter nach 3-minütiger Exposition signifikant sanken, was darauf hindeutet, dass elektromagnetische Wellen wirksam gegen HCV- und HIV-1-Infektiosität sind und helfen, die Übertragung des Virus zu verhindern, selbst bei gleichzeitiger Exposition. Bei der Bestrahlung von HCV-Zellkulturen und HIV-1-Suspensionen mit elektromagnetischen Wellen geringer Leistung mit einer Frequenz von 2450 MHz, 90 W oder 180 W wurde keine Veränderung des Virustiters (bestimmt durch die Luciferase-Reporteraktivität) und eine signifikante Veränderung der viralen Infektiosität beobachtet. Bei 600 und 800 W für 1 Minute nahm die Infektiosität beider Viren nicht signifikant ab, was vermutlich mit der Stärke der elektromagnetischen Wellenstrahlung und der Zeit der kritischen Temperaturbelastung zusammenhängt.
Kaczmarczyk [8] demonstrierte 2021 erstmals die Letalität elektromagnetischer EHF-Wellen gegen durch Wasser übertragene pathogene Viren. Dazu setzten sie Proben des Coronavirus 229E bzw. des Poliovirus (PV) zwei Sekunden lang elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von 95 GHz und einer Leistungsdichte von 70 bis 100 W/cm² aus. Die Inaktivierungseffizienz der beiden pathogenen Viren lag bei 99,98 % bzw. 99,375 %, was darauf hindeutet, dass elektromagnetische EHF-Wellen breite Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Virusinaktivierung bieten.
Die Wirksamkeit der UHF-Inaktivierung von Viren wurde auch in verschiedenen Medien wie Muttermilch und einigen im Haushalt häufig verwendeten Materialien untersucht. Die Forscher setzten mit Adenovirus (ADV), Poliovirus Typ 1 (PV-1), Herpesvirus 1 (HV-1) und Rhinovirus (RHV) kontaminierte Anästhesiemasken einer elektromagnetischen Strahlung mit einer Frequenz von 2450 MHz und einer Leistung von 720 Watt aus. Sie berichteten, dass Tests auf ADV- und PV-1-Antigene negativ ausfielen und die Titer von HV-1, PIV-3 und RHV auf Null sanken, was auf eine vollständige Inaktivierung aller Viren nach 4-minütiger Exposition hindeutet [15, 16]. Elhafi [17] setzte mit dem Vogelgrippevirus der infektiösen Bronchitis (IBV), dem Vogelpneumovirus (APV), dem Newcastle-Disease-Virus (NDV) und dem Vogelgrippevirus (AIV) infizierte Abstriche direkt einer Mikrowelle mit 2450 MHz und 900 W aus. ihre Infektiosität verlieren. Unter ihnen wurden APV und IBV zusätzlich in Kulturen von Trachealorganen nachgewiesen, die aus Hühnerembryos der 5. Generation gewonnen wurden. Obwohl das Virus nicht isoliert werden konnte, wurde die virale Nukleinsäure dennoch mittels RT-PCR nachgewiesen. Ben-Shoshan [18] setzte 15 Cytomegalovirus (CMV)-positive Muttermilchproben 30 Sekunden lang elektromagnetischen Wellen von 2450 MHz und 750 W aus. Der Antigennachweis mittels Shell-Vial zeigte eine vollständige Inaktivierung von CMV. Bei 500 W erreichten jedoch 2 von 15 Proben keine vollständige Inaktivierung, was auf eine positive Korrelation zwischen der Inaktivierungseffizienz und der Leistung der elektromagnetischen Wellen hindeutet.
Bemerkenswert ist auch, dass Yang [13] die Resonanzfrequenz zwischen elektromagnetischen Wellen und Viren auf der Grundlage etablierter physikalischer Modelle vorhersagte. Eine Suspension von H3N2-Viruspartikeln mit einer Dichte von 7,5 × 1014 m-3, produziert von virussensitiven Madin-Darby-Hundenierenzellen (MDCK), wurde 15 Minuten lang direkt elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von 8 GHz und einer Leistung von 820 W/m² ausgesetzt. Der Inaktivierungsgrad des H3N2-Virus erreichte 100 %. Bei einem theoretischen Schwellenwert von 82 W/m² wurden jedoch nur 38 % des H3N2-Virus inaktiviert. Dies legt nahe, dass die Effizienz der EM-vermittelten Virusinaktivierung eng mit der Leistungsdichte zusammenhängt. Basierend auf dieser Studie berechnete Barbora [14] den Resonanzfrequenzbereich (8,5–20 GHz) zwischen elektromagnetischen Wellen und SARS-CoV-2 und kam zu dem Schluss, dass 7,5 × 1014 m-3 SARS-CoV-2, die elektromagnetischen Wellen ausgesetzt sind, etwa 15 Minuten lang einer Welle mit einer Frequenz von 10–17 GHz und einer Leistungsdichte von 14,5 ± 1 W/m2 eine 100-prozentige Deaktivierung bewirken. Eine aktuelle Studie von Wang [19] zeigte, dass die Resonanzfrequenzen von SARS-CoV-2 bei 4 und 7,5 GHz liegen, was die Existenz von Resonanzfrequenzen unabhängig vom Virustiter bestätigt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elektromagnetische Wellen Aerosole und Suspensionen sowie die Aktivität von Viren auf Oberflächen beeinflussen können. Es wurde festgestellt, dass die Wirksamkeit der Inaktivierung eng mit der Frequenz und Leistung der elektromagnetischen Wellen sowie dem für das Viruswachstum verwendeten Medium zusammenhängt. Darüber hinaus sind elektromagnetische Frequenzen, die auf physikalischen Resonanzen basieren, für die Virusinaktivierung von großer Bedeutung [2, 13]. Bisher konzentrierte sich die Wirkung elektromagnetischer Wellen auf die Aktivität pathogener Viren hauptsächlich auf die Veränderung der Infektiosität. Aufgrund des komplexen Mechanismus wurde in mehreren Studien über die Wirkung elektromagnetischer Wellen auf die Replikation und Transkription pathogener Viren berichtet.
Die Mechanismen, durch die elektromagnetische Wellen Viren inaktivieren, hängen eng mit der Art des Virus, der Frequenz und Stärke der elektromagnetischen Wellen sowie der Wachstumsumgebung des Virus zusammen, sind aber noch weitgehend unerforscht. Neuere Forschungen konzentrieren sich auf die Mechanismen des thermischen, athermischen und strukturellen resonanten Energietransfers.
Unter dem thermischen Effekt versteht man einen Temperaturanstieg, der durch schnelle Rotation, Kollision und Reibung polarer Moleküle in Geweben unter dem Einfluss elektromagnetischer Wellen verursacht wird. Aufgrund dieser Eigenschaft können elektromagnetische Wellen die Temperatur des Virus über die physiologische Toleranzschwelle erhöhen und so zum Tod des Virus führen. Viren enthalten jedoch nur wenige polare Moleküle, was darauf hindeutet, dass direkte thermische Effekte auf Viren selten sind [1]. Im Gegenteil, es gibt im Medium und in der Umgebung viel mehr polare Moleküle, wie beispielsweise Wassermoleküle, die sich entsprechend dem durch elektromagnetische Wellen angeregten elektrischen Wechselfeld bewegen und durch Reibung Wärme erzeugen. Die Wärme wird dann auf das Virus übertragen, um dessen Temperatur zu erhöhen. Wenn die Toleranzschwelle überschritten wird, werden Nukleinsäuren und Proteine ​​zerstört, was letztendlich die Infektiosität verringert und das Virus sogar inaktiviert.
Mehrere Gruppen berichteten, dass elektromagnetische Wellen die Infektiosität von Viren durch thermische Einwirkung reduzieren können [1, 3, 8]. Kaczmarczyk [8] setzte Suspensionen des Coronavirus 229E elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz von 95 GHz und einer Leistungsdichte von 70 bis 100 W/cm² für 0,2–0,7 s aus. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Temperaturanstieg von 100 °C während dieses Prozesses zur Zerstörung der Virusmorphologie und zur Verringerung der Virusaktivität beitrug. Diese thermischen Effekte lassen sich durch die Einwirkung elektromagnetischer Wellen auf die umgebenden Wassermoleküle erklären. Siddharta [3] bestrahlte HCV-haltige Zellkultursuspensionen verschiedener Genotypen, darunter GT1a, GT2a, GT3a, GT4a, GT5a, GT6a und GT7a, mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 2450 MHz und einer Leistung von 90 W, 180 W, 360 W, 600 W und 800 W. Bei einer Erhöhung der Temperatur des Zellkulturmediums von 26°C auf 92°C verringerte die elektromagnetische Strahlung die Infektiosität des Virus oder inaktivierte das Virus vollständig. Wurde HCV jedoch kurzzeitig elektromagnetischen Wellen geringer Leistung (90 oder 180 W, 3 Minuten) oder höherer Leistung (600 oder 800 W, 1 Minute) ausgesetzt, kam es zu keinem signifikanten Temperaturanstieg und es wurde keine nennenswerte Veränderung der Infektiosität oder Aktivität des Virus beobachtet.
Die oben genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die thermische Wirkung elektromagnetischer Wellen ein Schlüsselfaktor ist, der die Infektiosität bzw. Aktivität pathogener Viren beeinflusst. Darüber hinaus haben zahlreiche Studien gezeigt, dass die thermische Wirkung elektromagnetischer Strahlung pathogene Viren effektiver inaktiviert als UV-C und konventionelle Heizung [8, 20, 21, 22, 23, 24].
Neben thermischen Effekten können elektromagnetische Wellen auch die Polarität von Molekülen wie mikrobiellen Proteinen und Nukleinsäuren verändern, wodurch die Moleküle rotieren und vibrieren, was zu verminderter Lebensfähigkeit oder sogar zum Tod führen kann [10]. Es wird angenommen, dass der schnelle Wechsel der Polarität elektromagnetischer Wellen eine Proteinpolarisation verursacht, die zu einer Verdrehung und Krümmung der Proteinstruktur und schließlich zur Denaturierung des Proteins führt [11].
Der nichtthermische Effekt elektromagnetischer Wellen auf die Virusinaktivierung bleibt umstritten, die meisten Studien zeigten jedoch positive Ergebnisse [1, 25]. Wie bereits erwähnt, können elektromagnetische Wellen das Hüllprotein des MS2-Virus direkt durchdringen und dessen Nukleinsäure zerstören. Zudem reagieren MS2-Virus-Aerosole deutlich empfindlicher auf elektromagnetische Wellen als wässriges MS2. Aufgrund weniger polarer Moleküle, wie beispielsweise Wassermoleküle, in der Umgebung von MS2-Virus-Aerosolen könnten athermische Effekte eine Schlüsselrolle bei der durch elektromagnetische Wellen vermittelten Virusinaktivierung spielen [1].
Das Phänomen der Resonanz beschreibt die Tendenz eines physikalischen Systems, bei seiner natürlichen Frequenz und Wellenlänge mehr Energie aus seiner Umgebung zu absorbieren. Resonanz tritt in der Natur vielerorts auf. Es ist bekannt, dass Viren mit Mikrowellen der gleichen Frequenz in einem begrenzten akustischen Dipolmodus in Resonanz treten, einem Resonanzphänomen [2, 13, 26]. Resonanzartige Wechselwirkungen zwischen einer elektromagnetischen Welle und einem Virus gewinnen zunehmend an Aufmerksamkeit. Der Effekt des effizienten strukturellen Resonanzenergietransfers (SRET) von elektromagnetischen Wellen auf geschlossene akustische Schwingungen (CAV) in Viren kann aufgrund entgegengesetzter Kern-Kapsid-Vibrationen zum Bruch der Virusmembran führen. Darüber hinaus hängt die Gesamtwirksamkeit des SRET von der Beschaffenheit der Umgebung ab, wobei Größe und pH-Wert des Viruspartikels die Resonanzfrequenz bzw. die Energieabsorption bestimmen [2, 13, 19].
Der physikalische Resonanzeffekt elektromagnetischer Wellen spielt eine Schlüsselrolle bei der Inaktivierung behüllter Viren, die von einer in virale Proteine ​​eingebetteten Doppelschichtmembran umgeben sind. Die Forscher fanden heraus, dass die Deaktivierung von H3N2 durch elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 6 GHz und einer Leistungsdichte von 486 W/m² hauptsächlich durch das physikalische Aufbrechen der Hülle aufgrund des Resonanzeffekts verursacht wurde [13]. Die Temperatur der H3N2-Suspension stieg nach 15-minütiger Einwirkung lediglich um 7 °C an, für die Inaktivierung des menschlichen H3N2-Virus durch thermische Erhitzung ist jedoch eine Temperatur über 55 °C erforderlich [9]. Ähnliche Phänomene wurden bei Viren wie SARS-CoV-2 und H3N1 beobachtet [13, 14]. Darüber hinaus führt die Inaktivierung von Viren durch elektromagnetische Wellen nicht zum Abbau viraler RNA-Genome [1,13,14]. Somit wurde die Inaktivierung des H3N2-Virus eher durch physikalische Resonanz als durch thermische Einwirkung gefördert [13].
Im Vergleich zum thermischen Effekt elektromagnetischer Wellen erfordert die Inaktivierung von Viren durch physikalische Resonanz niedrigere Dosisparameter, die unterhalb der vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) festgelegten Mikrowellen-Sicherheitsstandards liegen [2, 13]. Resonanzfrequenz und Leistungsdosis hängen von den physikalischen Eigenschaften des Virus ab, wie z. B. Partikelgröße und Elastizität. Alle Viren innerhalb der Resonanzfrequenz können effektiv inaktiviert werden. Aufgrund der hohen Penetrationsrate, des Fehlens ionisierender Strahlung und der guten Sicherheit ist die durch den athermischen Effekt der CPET vermittelte Virusinaktivierung vielversprechend für die Behandlung von malignen Erkrankungen des Menschen, die durch pathogene Viren verursacht werden [14, 26].
Basierend auf der Inaktivierung von Viren in der Flüssigphase und auf der Oberfläche verschiedener Medien können elektromagnetische Wellen virale Aerosole wirksam bekämpfen [1, 26]. Dies stellt einen Durchbruch dar und ist von großer Bedeutung für die Kontrolle der Virusübertragung und die Verhinderung der Ausbreitung von Viren in der Gesellschaft. Darüber hinaus ist die Entdeckung der physikalischen Resonanzeigenschaften elektromagnetischer Wellen in diesem Bereich von großer Bedeutung. Solange die Resonanzfrequenz eines bestimmten Virions und der elektromagnetischen Wellen bekannt ist, können alle Viren innerhalb des Resonanzfrequenzbereichs der Wunde gezielt bekämpft werden, was mit herkömmlichen Methoden der Virusinaktivierung nicht möglich ist [13,14,26]. Die elektromagnetische Inaktivierung von Viren ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet mit großem Forschungs- und Anwendungswert und Potenzial.
Im Vergleich zu herkömmlichen Technologien zur Virenabtötung bieten elektromagnetische Wellen aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften einen einfachen, effektiven und praktischen Schutz vor Viren [2, 13]. Es bestehen jedoch weiterhin viele Probleme. Erstens beschränkt sich das heutige Wissen auf die physikalischen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen, und der Mechanismus der Energienutzung bei der Emission elektromagnetischer Wellen ist noch nicht geklärt [10, 27]. Mikrowellen, einschließlich Millimeterwellen, werden häufig zur Untersuchung der Virusinaktivierung und ihrer Mechanismen eingesetzt. Studien zu elektromagnetischen Wellen bei anderen Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen von 100 kHz bis 300 MHz und von 300 GHz bis 10 THz, liegen jedoch nicht vor. Zweitens ist der Mechanismus der Abtötung pathogener Viren durch elektromagnetische Wellen noch nicht geklärt, und es wurden bisher nur kugel- und stäbchenförmige Viren untersucht [2]. Darüber hinaus sind Viruspartikel klein, zellfrei, mutieren leicht und verbreiten sich schnell, was eine Virusinaktivierung verhindern kann. Die Technologie elektromagnetischer Wellen muss noch verbessert werden, um die Hürde der Inaktivierung pathogener Viren zu überwinden. Schließlich führt eine hohe Absorption von Strahlungsenergie durch polare Moleküle im Medium, wie beispielsweise Wassermoleküle, zu Energieverlusten. Darüber hinaus kann die Wirksamkeit von SRET durch verschiedene, noch nicht identifizierte Mechanismen in Viren beeinträchtigt werden [28]. Der SRET-Effekt kann das Virus zudem so verändern, dass es sich an seine Umgebung anpasst, was zu einer Resistenz gegen elektromagnetische Wellen führt [29].
Die Technologie zur Virusinaktivierung mittels elektromagnetischer Wellen muss künftig weiter verbessert werden. Grundlagenforschung sollte sich auf die Aufklärung des Mechanismus der Virusinaktivierung durch elektromagnetische Wellen konzentrieren. So sollten beispielsweise der Mechanismus der Energienutzung von Viren bei Einwirkung elektromagnetischer Wellen, der detaillierte Mechanismus der nichtthermischen Wirkung zur Abtötung pathogener Viren und der Mechanismus des SRET-Effekts zwischen elektromagnetischen Wellen und verschiedenen Virenarten systematisch erforscht werden. Die angewandte Forschung sollte sich darauf konzentrieren, wie die übermäßige Absorption von Strahlungsenergie durch polare Moleküle verhindert werden kann, die Wirkung elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenzen auf verschiedene pathogene Viren untersucht und die nichtthermischen Effekte elektromagnetischer Wellen bei der Abtötung pathogener Viren erforscht werden.
Elektromagnetische Wellen haben sich zu einer vielversprechenden Methode zur Inaktivierung pathogener Viren entwickelt. Die elektromagnetische Wellentechnologie bietet die Vorteile geringer Umweltverschmutzung, niedriger Kosten und einer hohen Effizienz bei der Inaktivierung pathogener Viren, wodurch die Einschränkungen herkömmlicher Antivirentechnologien überwunden werden können. Weitere Forschung ist jedoch erforderlich, um die Parameter der elektromagnetischen Wellentechnologie zu bestimmen und den Mechanismus der Virusinaktivierung aufzuklären.
Eine bestimmte Dosis elektromagnetischer Wellen kann die Struktur und Aktivität vieler pathogener Viren zerstören. Die Effizienz der Virusinaktivierung hängt eng mit Frequenz, Leistungsdichte und Einwirkungsdauer zusammen. Mögliche Mechanismen sind zudem thermische, athermische und strukturelle Resonanzeffekte der Energieübertragung. Im Vergleich zu herkömmlichen antiviralen Technologien bietet die Virusinaktivierung auf Basis elektromagnetischer Wellen die Vorteile der Einfachheit, hohen Effizienz und geringen Umweltbelastung. Daher ist die Virusinaktivierung auf Basis elektromagnetischer Wellen eine vielversprechende antivirale Technik für zukünftige Anwendungen.
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