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病原性ウイルス感染症は、世界中で主要な公衆衛生問題となっています。ウイルスはすべての細胞生物に感染し、さまざまな程度の傷害や損傷を引き起こし、病気や死に至ることさえあります。重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2 (SARS-CoV-2) などの高病原性ウイルスの蔓延により、病原性ウイルスを不活性化するための効果的かつ安全な方法を開発する緊急の必要性があります。病原性ウイルスを不活化する従来の方法は実用的ですが、いくつかの制限があります。電磁波は、高い浸透力、物理的な共鳴、および無公害という特徴を備えているため、病原性ウイルスの不活性化の潜在的な戦略となり、ますます注目を集めています。この記事では、病原性ウイルスとそのメカニズムに対する電磁波の影響に関する最近の出版物の概要、病原性ウイルスの不活性化のための電磁波の使用の見通し、およびそのような不活性化のための新しいアイデアと方法について説明します。
多くのウイルスは急速に拡散し、長期間持続し、病原性が高く、世界的な流行や深刻な健康リスクを引き起こす可能性があります。予防、検出、検査、根絶、および治療は、ウイルスの拡散を阻止するための重要なステップです。病原性ウイルスの迅速かつ効率的な除去には、予防的、防御的、および感染源の除去が含まれます。生理学的破壊による病原性ウイルスの不活化による感染性、病原性、および生殖能力の低下は、それらを排除する効果的な方法です。高温、化学薬品、電離放射線などの従来の方法は、病原性ウイルスを効果的に不活性化できます。ただし、これらの方法にはまだいくつかの制限があります。したがって、病原性ウイルスの不活性化のための革新的な戦略を開発する緊急の必要性が依然としてあります。
電磁波の放出は、高い浸透力、急速で均一な加熱、微生物との共鳴、プラズマ放出などの利点があり、病原性ウイルスを不活性化するための実用的な方法になると期待されています [1,2,3]。病原性ウイルスを不活性化する電磁波の能力は、前世紀に実証されました[4]。近年、病原性ウイルスの不活化に電磁波を利用することが注目されています。この記事では、病原性ウイルスに対する電磁波の影響とそのメカニズムについて説明します。これは、基礎研究および応用研究の有用なガイドとして役立ちます。
ウイルスの形態学的特徴は、生存や感染力などの機能を反映している可能性があります。電磁波、特に超高周波 (UHF) および超高周波 (EHF) 電磁波は、ウイルスの形態を乱す可能性があることが実証されています。
バクテリオファージ MS2 (MS2) は、消毒評価、動態モデリング (水系)、ウイルス分子の生物学的特性評価など、さまざまな研究分野でよく使用されます [5、6]。Wu は、2450 MHz および 700 W のマイクロ波が、1 分間の直接照射後に MS2 水生ファージの凝集と大幅な収縮を引き起こすことを発見しました [1]。さらに調査した結果、MS2 ファージの表面の切断も観察されました [7]。Kaczmarczyk [8] は、コロナウイルス 229E (CoV-229E) のサンプルの懸濁液を、周波数 95 GHz、電力密度 70 ～ 100 W/cm2 のミリ波に 0.1 秒間さらしました。ウイルスの粗い球形の殻には大きな穴があり、内容物が失われます。電磁波にさらされると、ウイルスの形態が破壊される可能性があります。ただし、電磁放射によるウイルスへの曝露後の形状、直径、表面の滑らかさなどの形態学的特性の変化は不明です。したがって、形態学的特徴と機能障害との関係を分析することが重要です。これは、ウイルスの不活化を評価するための貴重で便利な指標を提供できます [1]。
ウイルスの構造は通常、内部の核酸 (RNA または DNA) と外部のキャプシドで構成されています。核酸は、ウイルスの遺伝特性と複製特性を決定します。キャプシドは、規則的に配置されたタンパク質サブユニットの外層であり、ウイルス粒子の基本的な足場および抗原成分であり、核酸も保護します。ほとんどのウイルスは、脂質と糖タンパク質からなるエンベロープ構造を持っています。さらに、エンベロープタンパク質は受容体の特異性を決定し、宿主の免疫系が認識できる主要な抗原として機能します。完全な構造により、ウイルスの完全性と遺伝的安定性が保証されます。
電磁波、特にUHF電磁波が病気の原因となるウイルスのRNAに損傷を与える可能性があることが研究で示されています。Wu [1] は、MS2 ウイルスの水性環境を 2450 MHz のマイクロ波に 2 分間直接曝露し、ゲル電気泳動と逆転写ポリメラーゼ連鎖反応によって、プロテイン A、キャプシドタンパク質、レプリカーゼタンパク質、および切断タンパク質をコードする遺伝子を分析しました。RT-PCR）。これらの遺伝子は、電力密度の増加に伴って徐々に破壊され、最高の電力密度では消失さえしました。たとえば、プロテイン A 遺伝子 (934 bp) の発現は、119 W と 385 W の出力の電磁波にさらされた後に大幅に減少し、出力密度が 700 W に増加すると完全に消失しました。これらのデータは、電磁波が、投与量に応じて、ウイルスの核酸の構造を破壊します。
最近の研究では、病原性ウイルスタンパク質に対する電磁波の効果は、主にメディエーターに対する間接的な熱効果と、核酸の破壊によるタンパク質合成に対する間接的な効果に基づいていることが示されています [1、3、8、9]。しかし、アテルミック効果は、ウイルスタンパク質の極性または構造を変化させる可能性もあります [1、10、11]。カプシドタンパク質、エンベロープタンパク質、病原性ウイルスのスパイクタンパク質などの基本的な構造/非構造タンパク質に対する電磁波の直接的な影響については、さらなる研究が必要です。最近、2.45 GHz の周波数で 700 W の電力で 2 分間の電磁放射が、純粋な電磁効果によるホット スポットの形成と振動電場を通じて、タンパク質電荷のさまざまな部分と相互作用できることが示唆されています [12]。
病原性ウイルスのエンベロープは、感染または疾患の原因となるウイルスの能力と密接に関連しています。いくつかの研究では、UHF とマイクロ波の電磁波が病気の原因となるウイルスの殻を破壊できることが報告されています。前述のように、70 ～ 100 W/cm2 の電力密度で 95 GHz ミリ波に 0.1 秒間さらされた後、コロナウイルス 229E のウイルス エンベロープに明確な穴が検出されます [8]。電磁波の共鳴エネルギー伝達の効果は、ウイルスエンベロープの構造を破壊するのに十分なストレスを引き起こす可能性があります。エンベロープウイルスの場合、エンベロープの破裂後、感染性または何らかの活性が通常低下するか、完全に失われます [13、14]。Yang [13] は、H3N2 (H3N2) インフルエンザ ウイルスと H1N1 (H1N1) インフルエンザ ウイルスを、それぞれ 8.35 GHz、320 W/m² と 7 GHz、308 W/m² のマイクロ波に 15 分間さらしました。電磁波にさらされた病原性ウイルスの RNA シグナルと、液体窒素で数サイクル凍結してすぐに解凍した断片化モデルを比較するために、RT-PCR を実施しました。結果は、2 つのモデルの RNA シグナルが非常に一貫していることを示しました。これらの結果は、ウイルスの物理的構造が破壊され、マイクロ波放射への曝露後にエンベロープ構造が破壊されることを示しています。
ウイルスの活動は、感染、複製、および転写する能力によって特徴付けることができます。ウイルスの感染性または活性は、通常、プラークアッセイ、組織培養感染量中央値 (TCID50)、またはルシフェラーゼレポーター遺伝子活性を使用してウイルス力価を測定することによって評価されます。しかし、生きたウイルスを分離したり、ウイルス抗原、ウイルス粒子密度、ウイルス生存率などを分析したりすることによって、直接評価することもできます。
UHF、SHF、および EHF の電磁波は、ウイルスのエアロゾルや水に浮遊するウイルスを直接不活性化できることが報告されています。Wu [1] は、ラボのネブライザーで生成された MS2 バクテリオファージ エアロゾルを、周波数 2450 MHz、出力 700 W の電磁波に 1.7 分間曝露しましたが、MS2 バクテリオファージの生存率はわずか 8.66% でした。MS2 ウイルス エアロゾルと同様に、水性 MS2 の 91.3% は、同じ線量の電磁波への曝露後 1.5 分以内に不活化されました。さらに、MS2 ウイルスを不活化する電磁放射の能力は、電力密度と暴露時間と正の相関がありました。ただし、失活効率が最大値に達すると、露光時間を長くしたり、電力密度を上げたりしても、失活効率を改善することはできません。たとえば、MS2 ウイルスは、2450 MHz および 700 W の電磁波にさらされた後の最小生存率が 2.65% から 4.37% であり、さらされた時間が長くなっても有意な変化は見られませんでした。Siddharta [3] は、C 型肝炎ウイルス (HCV)/ヒト免疫不全ウイルス 1 型 (HIV-1) を含む細胞培養懸濁液に、周波数 2450 MHz、出力 360 W の電磁波を照射しました。彼らは、ウイルス力価が大幅に低下することを発見しました。これは、電磁波放射が HCV と HIV-1 の感染性に対して効果的であり、一緒にさらされた場合でもウイルスの伝染を防ぐのに役立つことを示しています。HCV細胞培養物およびHIV-1懸濁液に周波数2450 MHz、90 Wまたは180 Wの低出力電磁波を照射すると、ルシフェラーゼレポーター活性によって決定されるウイルス力価に変化はなく、ウイルス感染力に有意な変化が見られます観察されました。600 および 800 W で 1 分間、両方のウイルスの感染力は有意に低下しませんでした。
Kaczmarczyk [8] は、2021 年に水系病原性ウイルスに対する EHF 電磁波の致死性を初めて実証しました。彼らは、コロナウイルス 229E またはポリオウイルス (PV) のサンプルを、周波数 95 GHz、電力密度 70 ～ 100 W/cm2 の電磁波に曝露しました。 2 秒間押し続けます。2 つの病原性ウイルスの不活化効率は、それぞれ 99.98% と 99.375% でした。これは、EHF電磁波がウイルス不活性化の分野で幅広い応用の見通しを持っていることを示しています.
ウイルスのUHF不活性化の有効性は、母乳や家庭で一般的に使用されるいくつかの材料などのさまざまな媒体でも評価されています.研究者らは、アデノウイルス (ADV)、ポリオウイルス 1 型 (PV-1)、ヘルペスウイルス 1 (HV-1)、およびライノウイルス (RHV) で汚染された麻酔マスクを、周波数 2450 MHz、電力 720 ワットの電磁放射にさらしました。彼らは、ADV および PV-1 抗原の検査が陰性になり、HV-1、PIV-3、および RHV 力価がゼロに低下したことを報告しました。Elhafi [17] は、鳥伝染性気管支炎ウイルス (IBV)、鳥肺炎ウイルス (APV)、ニューカッスル病ウイルス (NDV)、および鳥インフルエンザ ウイルス (AIV) に感染した綿棒を、2450 MHz、900 W の電子レンジに直接曝露しました。感染力を失います。その中で、APV と IBV は、第 5 世代のニワトリ胚から得られた気管器官の培養でさらに検出されました。ウイルスは分離できませんでしたが、ウイルスの核酸はRT-PCRで検出されました。Ben-Shoshan [18] は、2450 MHz、750 W の電磁波を 15 のサイトメガロ ウイルス (CMV) 陽性の母乳サンプルに 30 秒間直接曝露しました。Shell-Vial による抗原検出は、CMV の完全な不活性化を示しました。しかし、500Wでは15サンプル中2サンプルが完全不活化に至らず、不活化効率と電磁波のパワーに正の相関が見られました。
また、Yang [13] が、確立された物理モデルに基づいて、電磁波とウイルスの間の共鳴周波数を予測したことも注目に値します。ウイルス感受性マディンダービー犬腎臓細胞 (MDCK) によって生成された密度 7.5 × 1014 m-3 の H3N2 ウイルス粒子の懸濁液を、周波数 8 GHz、出力 820 の電磁波に直接さらしました。 W/m² で 15 分間。H3N2 ウイルスの不活化レベルは 100% に達します。ただし、82 W/m2 の理論的しきい値では、H3N2 ウイルスの 38% のみが不活化され、EM を介したウイルス不活化の効率が電力密度と密接に関連していることを示唆しています。この研究に基づいて、Barbora [14] は、電磁波と SARS-CoV-2 の間の共振周波数範囲 (8.5 ～ 20 GHz) を計算し、7.5 × 1014 m-3 の SARS-CoV-2 が電磁波にさらされたと結論付けました。 10 ～ 17 GHz の周波数と 14.5 ± 1 W/m2 の電力密度で約 15 分間、100% の不活性化が発生します。Wang による最近の研究 [19] は、SARS-CoV-2 の共鳴周波数が 4 および 7.5 GHz であることを示し、ウイルス力価とは無関係の共鳴周波数の存在を確認しました。
結論として、電磁波はエアロゾルと懸濁液、および表面上のウイルスの活動に影響を与える可能性があると言えます。不活性化の有効性は、電磁波の周波数とパワー、およびウイルスの増殖に使用される媒体と密接に関連していることがわかりました。さらに、物理的な共鳴に基づく電磁周波数は、ウイルスの不活性化に非常に重要です [2、13]。これまで、病原性ウイルスの活動に対する電磁波の影響は、主に感染力の変化に焦点を当ててきました。複雑なメカニズムにより、病原性ウイルスの複製と転写に対する電磁波の影響がいくつかの研究で報告されています。
電磁波がウイルスを不活性化するメカニズムは、ウイルスの種類、電磁波の周波数とパワー、ウイルスの増殖環境と密接に関係していますが、ほとんど解明されていません。最近の研究は、熱的、非熱的、および構造的な共鳴エネルギー移動のメカニズムに焦点を当てています。
熱効果は、電磁波の影響下での組織内の極性分子の高速回転、衝突、および摩擦によって引き起こされる温度の上昇として理解されています。この特性により、電磁波はウイルスの温度を生理学的許容範囲のしきい値を超えて上昇させ、ウイルスの死を引き起こす可能性があります。ただし、ウイルスには極性分子がほとんど含まれていないため、ウイルスに対する直接的な熱の影響はまれであることが示唆されます [1]。それどころか、水の分子など、媒体や環境にはより多くの極性分子があり、それらは電磁波によって励起された交流電界に従って移動し、摩擦によって熱を発生します。その熱がウイルスに伝わり、ウイルスの温度が上昇します。許容閾値を超えると、核酸とタンパク質が破壊され、最終的に感染力が低下し、ウイルスが不活化されます。
いくつかのグループは、電磁波が熱曝露によってウイルスの感染力を低下させる可能性があることを報告しています [1、3、8]。Kaczmarczyk [8] は、コロナウイルス 229E の懸濁液を周波数 95 GHz の電磁波に 70 ～ 100 W/cm² の電力密度で 0.2 ～ 0.7 秒間曝露しました。結果は、このプロセス中の100°Cの温度上昇が、ウイルスの形態の破壊とウイルス活性の低下に寄与することを示しました。これらの熱効果は、周囲の水分子に対する電磁波の作用によって説明できます。Siddharta [3] は、GT1a、GT2a、GT3a、GT4a、GT5a、GT6a、および GT7a を含む異なる遺伝子型の HCV 含有細胞培養懸濁液に、周波数 2450 MHz、出力 90 W および 180 W の電磁波を照射しました。 W、600 W、および 800 Tue 細胞培養培地の温度が 26°C から 92°C に上昇すると、電磁放射がウイルスの感染性を低下させるか、ウイルスを完全に不活化しました。しかし、低電力（90または180 W、3分）または高電力（600または800 W、1分）でHCVを短時間電磁波にさらしても、温度の大幅な上昇はなく、ウイルスの感染性や活性は観察されませんでした。
上記の結果は、電磁波の熱効果が病原性ウイルスの感染力または活性に影響を与える重要な要因であることを示しています。さらに、電磁放射の熱効果が、UV-C や従来の加熱よりも効果的に病原性ウイルスを不活性化することが、多数の研究で示されています [8、20、21、22、23、24]。
熱効果に加えて、電磁波は微生物タンパク質や核酸などの分子の極性を変化させ、分子の回転や振動を引き起こし、生存率の低下や死に至ることさえあります [10]。電磁波の極性の急速な切り替えがタンパク質の分極を引き起こし、それがタンパク質構造のねじれと湾曲を引き起こし、最終的にタンパク質の変性を引き起こすと考えられています [11]。
ウイルスの不活化に対する電磁波の非熱的効果については議論の余地がありますが、ほとんどの研究で肯定的な結果が示されています [1, 25]。前述のように、電磁波は MS2 ウイルスのエンベロープ タンパク質を直接貫通し、ウイルスの核酸を破壊する可能性があります。さらに、MS2 ウイルスのエアロゾルは、水性の MS2 よりもはるかに電磁波に敏感です。MS2 ウイルス エアロゾルの周囲の環境では、水分子などの極性分子が少ないため、電磁波によるウイルスの不活性化において、アテルミック効果が重要な役割を果たしている可能性があります [1]。
共振現象とは、物理システムがその固有の周波数と波長で環境からより多くのエネルギーを吸収する傾向を指します。共振は自然界の多くの場所で発生します。ウイルスは、限られた音響双極子モードで同じ周波数のマイクロ波と共鳴することが知られています。これは共鳴現象です [2、13、26]。電磁波とウイルスとの間の相互作用の共鳴モードは、ますます注目を集めています。ウイルスにおける電磁波から閉鎖音響振動 (CAV) への効率的な構造共鳴エネルギー移動 (SRET) の効果は、反対のコア - キャプシド振動によるウイルス膜の破裂につながる可能性があります。さらに、SRET の全体的な有効性は、ウイルス粒子のサイズと pH がそれぞれ共鳴周波数とエネルギー吸収を決定する環境の性質に関連しています [2、13、19]。
電磁波の物理的共鳴効果は、ウイルスタンパク質に埋め込まれた二重膜に囲まれたエンベロープウイルスの不活性化に重要な役割を果たします。研究者らは、周波数 6 GHz、電力密度 486 W/m² の電磁波による H3N2 の不活性化は、主に共鳴効果によるシェルの物理的破裂によって引き起こされることを発見しました [13]。H3N2 懸濁液の温度は、15 分間の曝露後にわずか 7°C しか上昇しませんでしたが、加熱によるヒト H3N2 ウイルスの不活性化には、55°C を超える温度が必要です [9]。同様の現象は、SARS-CoV-2 や H3N1 などのウイルスでも観察されています [13, 14]。さらに、電磁波によるウイルスの不活化は、ウイルスの RNA ゲノムの分解にはつながりません [1,13,14]。したがって、H3N2 ウイルスの不活性化は、熱暴露ではなく、物理的共鳴によって促進された [13]。
電磁波の熱効果と比較して、物理的共鳴によるウイルスの不活性化には、電気電子技術者協会 (IEEE) によって確立されたマイクロ波安全基準を下回る、より低い線量パラメーターが必要です [2、13]。共振周波数と電力量は、粒子サイズや弾力性などのウイルスの物理的特性に依存し、共振周波数内のすべてのウイルスを効果的に不活化の対象にすることができます。浸透率が高く、電離放射線がなく、安全性が高いため、CPET のアテルミック効果によって媒介されるウイルスの不活性化は、病原性ウイルスによって引き起こされるヒトの悪性疾患の治療に有望である [14、26]。
液相およびさまざまな媒体の表面でのウイルスの不活性化の実装に基づいて、電磁波はウイルス エアロゾルを効果的に処理できます [1、26]。ウイルスと社会におけるウイルスの伝染を防ぐ。伝染病。さらに、電磁波の物理的共鳴特性の発見は、この分野で非常に重要です。特定のビリオンと電磁波の共鳴周波数が知られている限り、創傷の共鳴周波数範囲内のすべてのウイルスを標的にすることができますが、これは従来のウイルス不活性化方法では達成できません [13,14,26]。ウイルスの電磁的不活化は、優れた研究と応用価値と可能性を備えた有望な研究です。
従来のウイルス殺傷技術と比較して、電磁波はその独特の物理的特性により、ウイルスを殺す際にシンプルで効果的で実用的な環境保護の特徴を持っています [2, 13]。しかし、多くの問題が残っています。第一に、現代の知識は電磁波の物理的性質に限定されており、電磁波の放射中のエネルギー利用のメカニズムは明らかにされていません [10, 27]。ミリ波を含むマイクロ波は、ウイルスの不活性化とそのメカニズムを研究するために広く使用されてきましたが、他の周波数、特に 100 kHz から 300 MHz および 300 GHz から 10 THz の周波数での電磁波の研究は報告されていません。第二に、電磁波による病原性ウイルスの殺傷メカニズムは解明されておらず、球状および棒状のウイルスのみが研究されています[2]。さらに、ウイルス粒子は小さく、無細胞であり、容易に変異し、急速に拡散するため、ウイルスの不活性化を防ぐことができます。電磁波技術は、病原性ウイルスの不活性化というハードルを克服するために、さらに改善する必要があります。最後に、水分子などの媒質中の極性分子による放射エネルギーの高い吸収は、エネルギー損失をもたらします。さらに、SRET の有効性は、ウイルスのいくつかの未確認のメカニズムによって影響を受ける可能性があります [28]。SRET 効果は、ウイルスをその環境に適応するように変更することもでき、電磁波に対する耐性をもたらします [29]。
今後、電磁波を利用したウイルス不活化技術をさらに向上させる必要があります。電磁波によるウイルス不活化のメカニズムを解明するための基礎科学研究を目指すべきである。例えば、電磁波にさらされたときにウイルスのエネルギーを利用するメカニズム、病原性ウイルスを殺す非熱作用の詳細なメカニズム、電磁波とさまざまな種類のウイルスとの間の SRET 効果のメカニズムを体系的に解明する必要があります。応用研究では、極性分子による放射エネルギーの過剰な吸収を防ぐ方法、さまざまな病原性ウイルスに対するさまざまな周波数の電磁波の影響の研究、および病原性ウイルスの破壊における電磁波の非熱効果の研究に焦点を当てる必要があります。
電磁波は、病原性ウイルスの不活性化のための有望な方法になっています。電磁波技術には、低汚染、低コスト、および病原体ウイルスの不活性化効率が高いという利点があり、従来のウイルス対策技術の限界を克服できます。ただし、電磁波技術のパラメーターを決定し、ウイルス不活性化のメカニズムを解明するには、さらなる研究が必要です。
一定量の電磁波放射は、多くの病原性ウイルスの構造と活動を破壊する可能性があります。ウイルス不活化の効率は、頻度、電力密度、および曝露時間と密接に関係しています。さらに、潜在的なメカニズムには、エネルギー移動の熱的、非熱的、および構造的共鳴効果が含まれます。従来の抗ウイルス技術と比較して、電磁波ベースのウイルス不活性化には、シンプルさ、高効率、および低汚染という利点があります。したがって、電磁波を介したウイルスの不活化は、将来のアプリケーションのための有望な抗ウイルス技術となっています。
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投稿時間: 2022 年 10 月 21 日