Determinar qué longitudes de onda de luz ultravioleta funcionan mejor para la desinfección del virus COVID-19

Para desinfectar una superficie, puede iluminarla con una ráfaga de luz ultravioleta (UV), que es más azul de lo que puede ver el ojo humano. Pero para inactivar específicamente el SARS-CoV-2, el virus que causa el COVID-19, ¿qué longitudes de onda son las mejores? ¿Y cuánta radiación es suficiente?

Responder a esas preguntas requiere que los científicos superen dos obstáculos principales. Primero, necesitan separar el virus por completo de las sustancias extrañas en el medio ambiente. En segundo lugar, deben iluminar el virus con una sola longitud de onda de luz ultravioleta a la vez, con cambios mínimos en la configuración experimental entre las pruebas.

Una colaboración reciente entre el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y el Centro Nacional de Análisis y Contramedidas de Biodefensa (NBACC), un laboratorio de la Dirección de Ciencia y Tecnología del Departamento de Seguridad Nacional de los EE. prueba alguna vez realizada de cómo varias longitudes de onda UV y visibles diferentes afectan al SARS-CoV-2.

En un nuevo artículo publicado esta semana en Óptica Aplicada, los colaboradores describen su novedoso sistema para proyectar una sola longitud de onda de luz a la vez sobre una muestra del virus COVID-19 en un laboratorio seguro. Clasificado como nivel de bioseguridad 3 (BSL-3), el laboratorio está diseñado para estudiar microbios que son potencialmente letales cuando se inhalan. Su experimento probó más longitudes de onda de luz ultravioleta y visible que cualquier otro estudio con el virus que causa COVID-19 hasta la fecha.

Entonces, ¿qué es la kryptonita del SARS-CoV-2? Resulta que nada especial: el virus es susceptible a las mismas longitudes de onda de la luz ultravioleta que otros virus, como los que causan la gripe. Las longitudes de onda más efectivas fueron las del rango «UVC» entre 222 y 280 nanómetros (nm). La luz UVC (rango completo de 200 a 280 nm) es más corta que las longitudes de onda UVB (280 a 315 nm) que causan quemaduras solares.

Los investigadores también demostraron que el entorno del virus puede tener un efecto protector sobre el virus. En el estudio, se necesitó una dosis de UV más pequeña para inactivar los virus cuando se colocaron en agua pura que cuando se colocaron en saliva simulada, que contiene sales, proteínas y otras sustancias que se encuentran en la saliva humana real. Suspender el virus en saliva simulada crea una situación similar a los escenarios del mundo real que involucran estornudos y tos. Esto puede hacer que los hallazgos sean más directamente informativos que los de estudios previos.

«Creo que una de las grandes contribuciones de este estudio es que pudimos mostrar que el tipo de resultados idealizados que vemos en la mayoría de los estudios no siempre predicen lo que sucede cuando hay un escenario más realista en juego», dijo Michael Schuit de NBACC. «Cuando tienes material como la saliva simulada alrededor del virus, eso puede reducir la eficacia de los enfoques de descontaminación UV».

Los fabricantes de dispositivos y reguladores de desinfección UV pueden usar estos resultados para ayudar a informar cuánto tiempo se deben irradiar las superficies en entornos médicos, aviones o incluso líquidos para lograr la inactivación del virus SARS-CoV-2.

«En este momento, hay un gran impulso para llevar la desinfección UVC a la atmósfera comercial», dijo el investigador del NIST, Cameron Miller. «A largo plazo, con suerte, este estudio conducirá a estándares y otras metodologías para medir la dosis de UV requerida para inactivar el SARS-CoV-2 y otros virus dañinos».

Este proyecto se basó en un trabajo anterior que el equipo del NIST realizó con otro colaborador sobre la inactivación de microorganismos en el agua.

arrojar un poco de luz

Dependiendo de la longitud de onda, la luz ultravioleta daña los patógenos de diferentes maneras. Algunas longitudes de onda pueden dañar el ARN o el ADN de los microbios, lo que hace que pierdan la capacidad de replicarse. Otras longitudes de onda pueden descomponer las proteínas y destruir el propio virus.

Aunque la gente conoce las capacidades de desinfección de la luz ultravioleta desde hace más de cien años, ha habido una explosión en la investigación de la desinfección ultravioleta en la última década. Una de las razones es que las fuentes tradicionales de luz ultravioleta a veces contienen materiales tóxicos como el mercurio. Recientemente, el uso de lámparas LED no tóxicas como fuente de luz ultravioleta ha mitigado algunas de estas preocupaciones.

Para este estudio, los colaboradores del NIST trabajaron con biólogos de NBACC, cuya investigación informa la planificación de biodefensa sobre amenazas biológicas como el ántrax y el virus del Ébola.

«Lo que NBACC pudo hacer fue hacer crecer el virus, concentrarlo y eliminar todo lo demás», dijo Miller. «Estábamos tratando de obtener un mensaje claro de cuánta luz necesitamos para inactivar solo el virus SARS-CoV-2».

En el estudio, el equipo probó el virus en diferentes suspensiones. Además de usar el imitador de saliva, los científicos también pusieron el virus en agua para ver qué pasaba en un ambiente «puro», sin componentes que pudieran protegerlo. Probaron sus suspensiones de virus tanto en forma líquida como en gotas secas sobre superficies de acero, lo que representaba algo que una persona infectada podría estornudar o toser.

El trabajo del NIST consistía en dirigir la luz ultravioleta de un láser a las muestras. Estaban buscando la dosis necesaria para matar el 90% del virus.

Con esta configuración, la colaboración pudo medir cómo respondió el virus a 16 longitudes de onda diferentes que van desde el extremo más bajo de la UVC, 222 nm, hasta la parte media del rango de longitud de onda visible, a 488 nm. Los investigadores incluyeron las longitudes de onda más largas porque se ha demostrado que parte de la luz azul tiene propiedades desinfectantes.

no es pan comido

Llevar la luz láser a las muestras en un laboratorio seguro no fue trivial. Los investigadores en un laboratorio BSL-3 usan batas y capuchas con respiradores. Salir del laboratorio requiere una larga ducha antes de volver a ponerse ropa de civil.

Equipos como el costoso láser del equipo habrían tenido que someterse a un procedimiento de esterilización considerablemente más severo.

«Es una especie de puerta de un solo sentido», dijo Miller. «Todo lo que salga de ese laboratorio tiene que ser incinerado, esterilizado en autoclave [heat-sterilized], o químicamente desinfectado con vapor de peróxido de hidrógeno. Entonces, tomar nuestro láser de $120,000 no era la opción que queríamos usar».

En cambio, los investigadores del NIST diseñaron un sistema en el que el láser y algunas de las ópticas estaban en un pasillo fuera del laboratorio. Canalizaron la luz a través de un cable de fibra óptica de 4 metros de largo que pasaba a través de un sello debajo de la puerta del laboratorio. La presión negativa mantuvo el flujo de aire desde el pasillo hacia el laboratorio y evitó que algo se filtrara hacia afuera.

El láser producía una sola longitud de onda a la vez y era completamente sintonizable para que los investigadores pudieran producir cualquier longitud de onda que quisieran. Pero debido a que la luz se dobla en diferentes ángulos según su longitud de onda, tuvieron que crear un sistema de prisma que cambiara el ángulo en el que la luz ingresaba a la fibra para que se alineara correctamente. Cambiar el ángulo de salida implicó girar manualmente una perilla que crearon para ajustar la posición de un prisma. Intentaron hacerlo todo lo más simple posible, con un número mínimo de piezas móviles.

«El dispositivo que ideó el equipo del NIST nos permitió probar rápidamente una gama muy amplia de diferentes longitudes de onda, todas en bandas de onda muy controladas y precisas», dijo Schuit. «Si tratáramos de hacer la misma cantidad de longitudes de onda sin ese sistema, habríamos tenido que hacer malabarismos con un montón de diferentes tipos de dispositivos, cada uno de los cuales habría producido bandas de onda de diferentes anchos. Habrían requerido diferentes configuraciones, y no Habría habido muchas variables adicionales en la mezcla».

Manipular la luz requería espejos y lentes, pero los investigadores lo diseñaron para usar la menor cantidad posible, porque cada uno conduce a una pérdida de intensidad de la luz ultravioleta.

Para los materiales que tuvieron que ingresar al laboratorio para proyectar la luz de la fibra sobre las muestras del virus COVID, el equipo intentó usar piezas económicas. «Imprimimos en 3D muchas cosas», dijo el físico del NIST Steve Grantham, un miembro clave del equipo junto con Thomas Larason del NIST. “Entonces, nada fue realmente costoso y si no lo usamos nunca más, no es un gran problema”.

Incluso la comunicación entre el área del láser y el interior del laboratorio era difícil porque las personas no podían entrar y salir cuando quisieran, por lo que emplearon un sistema de intercomunicación por cable.

A pesar de los desafíos, el sistema funcionó sorprendentemente bien, dijo Miller, especialmente dado que solo tuvieron meses para armarlo. «Hay un par de áreas en las que probablemente podríamos mejorar, pero creo que nuestras ganancias serían mínimas», dijo Miller.

El equipo del NIST planea usar este sistema para estudios futuros de otros virus y microorganismos que los biólogos de laboratorios de alta seguridad podrían querer realizar.

«Cuando aparezca el próximo virus, o cualquier patógeno que les interese, todo lo que tenemos que hacer es subir el sistema láser, empujar una fibra por debajo y lo conectarán a su sistema de proyección», dijo Miller. . «Así que ahora estamos listos para la próxima vez».