Parámetros optimizados para un SARS eficaz

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 16664 (2022) Citar este artículo

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La propagación de las infecciones por SARS-CoV-2 y la gravedad de la pandemia de la enfermedad por coronavirus de 2019 (COVID-19) han dado lugar al rápido desarrollo de medicamentos, vacunas y contramedidas para reducir la transmisión viral. Aunque se dispone de nuevas estrategias de tratamiento para prevenir la infección por SARS-CoV-2, las mutaciones virales siguen siendo una grave amenaza para la comunidad sanitaria. Por lo tanto, se necesitan dispositivos médicos equipados con funciones de erradicación de virus para prevenir la transmisión viral. Los LED UV están ganando popularidad en el campo médico, ya que utilizan el espectro UVC más germicida, que actúa mediante la formación de fotoproductos. En este documento, desarrollamos un dispositivo médico portátil y recargable que puede desinfectar el SARS-CoV-2 en menos de 10 s en un 99,9%, con una duración de 6 h. Utilizando este dispositivo, investigamos el efecto antiviral de UVC-LED (275 nm) contra el SARS-CoV-2 en función de la distancia de irradiación y el tiempo de exposición. Se determinó que la distancia de irradiación de 10 a 20 cm, el tiempo de exposición <10 s y las dosis de UV de > 10 mJ/cm2 eran óptimas para la eliminación del SARS-CoV-2 (reducción viral ≥ 99,99 %). Los sistemas UVC-LED tienen ventajas como una rápida estabilización de la intensidad y la insensibilidad a la temperatura, y pueden contribuir al desarrollo de dispositivos médicos capaces de contener la infección por SARS-CoV-2. Al demostrar la inactivación del SARS-CoV-2 con irradiación UVC-LED a muy corto plazo, nuestro estudio puede sugerir pautas para garantizar un entorno médico más seguro.

La pandemia de la enfermedad por coronavirus de 2019 (COVID-19) se ha extendido por todo el mundo desde su brote inicial en 2019, provocando una morbilidad y mortalidad graves. Es causada por el SARS-CoV-2 (síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2), un virus altamente contagioso, detectado principalmente en muestras del tracto respiratorio y sitios nasofaríngeos en pacientes con COVID-191. Los informes indican transmisión entre humanos en un plazo de 2 a 10 días, lo que demuestra que el virus se propaga a través del contacto directo, como manos y superficies contaminadas, y por vía aérea2. En condiciones ambientales, el SARS-CoV-2 permanece viable en aerosoles hasta 3 h y es más estable en plástico y acero inoxidable (hasta 72 h) que en cobre (4 h) y cartón (24 h)3. La exposición a materiales ambientales contaminados se puede prevenir mediante muchas técnicas de control, incluida la esterilización por calor, la desinfección química, la desinfección por filtración de superficies y la irradiación ultravioleta (UV)4. Los posibles daños materiales causados por la esterilización por calor y la toxicidad de los desinfectantes químicos, y la escasez de filtros en el mercado suponen un gran desafío durante toda la pandemia, generando una alarmante demanda de sistemas de desinfección más sostenibles4. Dada la rápida transmisión del virus, es importante desarrollar medidas y tecnologías sostenibles que puedan inactivar el virus y limitar la transmisión.

El crecimiento del mercado mundial de UVC (ultravioleta-C) se ha visto afectado positivamente por el brote de COVID-19. Durante la pandemia, la desinfección UV del aire y de las superficies atrajo la atención hacia los dispositivos UV y muchos productos estuvieron disponibles en el mercado4. Varios lugares públicos con diferentes niveles de aire y materiales ambientales contaminados comenzaron a utilizar sistemas de desinfección de superficies UV4. Los rayos UV se clasifican en tres tipos básicos según su longitud de onda: UVA (320–400 nm), UVB (280–320 nm) y UVC (100–280 nm)5. Varios centros de investigación y laboratorios están desarrollando productos basados en UVC para prevenir la propagación de infecciones. Los diodos emisores de luz ultravioleta (UV-LED) son dispositivos libres de mercurio que pueden utilizarse para operaciones bajo demanda6. Mientras que las lámparas de mercurio emiten luz sólo en una longitud de onda particular, los LED UV son capaces de emitir luz en múltiples longitudes de onda individuales5. Como medida de salud pública y seguridad ambiental, el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) prohibió los productos que contenían mercurio en 2013 y, a partir de 2020, las lámparas de mercurio de baja presión debían ser reemplazadas por nuevas fuentes emisoras de rayos UV7. La irradiación UV es un enfoque antimicrobiano emergente debido a su flexibilidad, disponibilidad y fácil control de los patrones de radiación8. Los dispositivos médicos equipados con LED UV están ganando popularidad en el campo médico, y la UVC, que actúa mediante la formación de fotoproductos, se considera la región germicida más eficaz dentro del espectro UV9. Además, un estudio reciente informó que la intensidad del LED UVC no se vio afectada por los cambios de temperatura o el tiempo de calentamiento10. Además, UVC-LED inactiva los patógenos a través de varios mecanismos, incluido el daño al ácido nucleico o las proteínas y la producción de radicales de oxígeno11,12. Un estudio reciente informó que la irradiación con UVC-LED a una longitud de onda de 280 ± 5 nm inactivó rápidamente el SARS-COV-2 aislado de un paciente con COVID-199. Además, otro estudio informó la eliminación del SARS-COV-2 tras el tratamiento con alta temperatura (> 56 °C) e irradiación UVC (100–280 nm)13. Varias tecnologías para desinfectar COVID-19 empleando UV incluyen la tecnología de oxidación fotoelectroquímica (PECO) utilizada en el desarrollo de un purificador de aire, en la que se utilizó luz UV-A para activar un catalizador en el filtro cubierto de nanopartículas para oxidar los contaminantes del aire14. De acuerdo con estos hallazgos, desarrollamos un dispositivo médico portátil y recargable para la desinfección del SARS-CoV-2, que se puede utilizar para esterilizar áreas o superficies de difícil acceso que se mancharán o reaccionarán de otro modo al contacto con productos químicos de limpieza. En el estudio actual, demostramos reducciones dependientes del tiempo de exposición y la distancia en SARS-COV-2 por UVC y nuestro objetivo es optimizar y validar el rendimiento del dispositivo UVC-LED desarrollado.

En el estudio actual se utilizó un dispositivo UVC portátil, fabricado por el Instituto de Investigación Ferroviaria de Corea (KRRI), que contiene un módulo LED de 1000 mW. El módulo también contenía un sistema de refrigeración y un sensor de detección humana, que se desechaban después de su uso para evitar riesgos de contaminación. Los experimentos de exposición a UVC se realizaron utilizando un sistema UV-LED con LED seleccionados obtenidos del Instituto Coreano de Iluminación y TIC (Bucheon, Corea). Los espectros UV de las longitudes de onda UV-LED utilizadas en este estudio se midieron utilizando un espectrorradiómetro de seguridad fotobiológica IDR300 (Bentham, Reading, Reino Unido).

El recurso SARS-CoV-2 (NCCP43326) utilizado en este estudio se obtuvo de la Colección Nacional de Cultivos para Patógenos del Centro de Corea para el Control y la Prevención de Enfermedades. Las células VeroE6 (línea celular de riñón de mono verde africano) se adquirieron del Korean Cell Line Bank (Seúl, Corea). Para estos experimentos, se colocaron 100 μL de la suspensión viral con un título de 3,16 × 106 TCID50 (dosis infectiva de cultivo de tejidos del 50%)/ml en una placa de Petri y se cubrieron con un cubreobjetos de cuarzo. La irradiancia UVC-LED producida para la erradicación del virus se midió a diferentes alturas (10, 20, 30 y 50 cm) durante diferentes tiempos (2 a 60 s). Después de la exposición a los rayos UV, el virus se recogió y se diluyó en serie diez veces y se infectó en las células Vero-E6. Las células infectadas se incubaron durante 3 días a 37 °C en una incubadora humidificada con CO2 al 5%, después de lo cual se evaluaron los efectos citotóxicos mediante tinción con una solución de cristal violeta.

Se tiñeron las células Vero E6 infectadas con el virus post-irradiado y se calculó la TCID50 utilizando el método de Spearman-Karber. Los títulos virales y las tasas de reducción se determinaron según el tiempo de exposición y la distancia entre el dispositivo de radiación UV y las células infectadas por el virus. La reducción de virus se calculó según la siguiente ecuación:

La dosis de UV se estimó calculando la irradiancia UV en función del tiempo (s) de exposición y la distancia (cm) entre el LED UV y la superficie del virus. En este estudio se utilizó un dispositivo con una intensidad luminosa de 1000 mW, pero considerando la pérdida experimental, se utilizó un valor de 800 mW para calcular la dosis de UV según la ecuación. (2):

La distancia entre el dispositivo UVC-LED y el virus sembrado se fijó en 10, 20, 30 y 50 cm, y se utilizaron tiempos de exposición de 2, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 s. . El virus recubierto se cubrió con un cubreobjetos de cuarzo para una exposición uniforme a los rayos UV. Después de la exposición, el virus se recogió lavando el cubreobjetos de cuarzo con medio completo, luego se diluyó en serie diez veces y se usó para infectar células Vero-E6. Después de incubar durante 3 días, se midió la reducción del título viral tiñendo las células con una solución de cristal violeta.

Todas las medidas de varianza se presentan como el error estándar de la media (SEM). Las correlaciones de eficacia con la distancia y el tiempo de irradiación y la relación con la dosis de UV se analizaron mediante un análisis de varianza bidireccional (ANOVA) con una prueba post-hoc de Tukey utilizando Prism8 (GraphPad Software, San Diego, CA, EE. UU.).

La irradiancia UVC-LED generada para la erradicación de virus se midió a alturas de 10, 20, 30 y 50 cm. Medimos la irradiancia a una longitud de onda de 275 nm y confirmamos que la intensidad del pico de 275 nm disminuyó gradualmente en la muestra a medida que aumentaba la distancia desde la fuente (Fig. 1). En consecuencia, evaluamos la erradicación viral en varios puntos de tiempo y distancias de irradiación.

Irradiancia de LED UV en función de la longitud de onda. La luz ultravioleta corresponde al área de luz con longitudes de onda entre 100 y 400 nm; una longitud de onda de 275 nm mostró la irradiancia medida más alta en nuestro estudio.

Se fijó la distancia entre UVC-LED y el virus en placa (3,16 × 104 TCID50/mL, 100 µL) y se varió el tiempo de exposición. El virus se cubrió y se expuso a UVC, después de lo cual se recogió el virus para infectarlo en las células Vero-E6 (Fig. 2).

Representación esquemática de la prueba de irradiación UV contra el SARS-CoV-2. El virus estuvo expuesto a la radiación ultravioleta C (UVC) a distancias de 10, 20, 30 y 50 cm. El virus tratado en cada condición se diluyó en serie y se infectó en células Vero E6.

Después de la irradiación, la reducción viral se midió en función de la variación del tiempo y la distancia de exposición a los rayos UVC determinando el título viral (Fig. 3). Después de incubar durante 3 días, se evaluó la muerte celular inducida por la infección viral tiñendo las células con una solución de cristal violeta. Observamos que la viabilidad de las células infectadas con virus irradiados con UVC disminuyó gradualmente a medida que aumentaba el tiempo de exposición a UVC y una distancia más corta entre el virus y UVC-LED.

Tinción violeta cristal de células Vero E6 infectadas con SARS-CoV-2 irradiado con rayos UV. Se infectaron células Vero E6 con virus irradiados con luz ultravioleta y se incubaron durante 3 días. Luego se tiñeron las células con una solución de cristal violeta.

Después de teñir las células Vero E6 infectadas, se calculó la TCID50 utilizando el método de Spearman-Karber (Fig. 4). A 50 cm, se calculó que los títulos virales eran 3,2 × 103, 2,0 × 103, 6,8 × 102, 9,3 × 101, 7,8 × 101, 7,8 × 101 y 6,3 × 101 TCID50/mL en tiempos de irradiación de 5, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 s, respectivamente, lo que produjo los valores log TCID50/mL correspondientes de 3,468, 3,301, 2,801, 1,968, 1,884, 1,884 y 1,801. A partir de estos valores, se calculó una reducción viral de ≥ 99,99 % en comparación con las muestras virales no irradiadas (3,16 × 106 TCID50/mL, 6,500 log TCID50/mL) en tiempos de irradiación de > 30 s y una distancia de 50 cm. A 30 cm, se calculó que los títulos virales eran 1,1 × 103 TCID50/mL (3,031 log TCID50/mL), 2,2 × 102 TCID50/mL (2,301 log TCID50/mL) y 6,3 × 101 TCID50/mL (1,801 log TCID50 /mL) en tiempos de irradiación de 5, 10 y 20 s, respectivamente. A 20 cm, los títulos virales se calcularon como 8,96 × 102 TCID50/mL (2,884 log TCID50/mL), 6,32 × 101 TCID50/mL (1,801 log TCID50/mL) y 6,32 × 101 TCID50/mL (1,801 log TCID50/mL ) en tiempos de irradiación de 5, 10 y 20 s, respectivamente. En conjunto, estos datos confirman una tasa de reducción viral de > 99,99 % a 30 cm/20 s, 20 cm/10 s y 20 cm/20 s. A 10 cm, los títulos virales fueron 7,80 × 101 TCID50/mL (1,884 log TCID50/mL) y 6,32 × 101 TCID50/mL (1,801 log TCID50/mL) en tiempos de irradiación de 2 y 4 s, lo que se traduce en una tasa de reducción viral de > 99,99%.

Verificación de la reducción del SARS-CoV-2 en función del tiempo y la distancia de exposición al ultravioleta C (UVC). Después de teñir las células Vero E6 con cristal violeta, se calculó la dosis infectiva del cultivo de tejidos del 50% (TCID50) utilizando el método de Spearman-Karber. (A) Determinación del título viral en tiempo de exposición a radiación variable y distancia entre el diodo emisor de luz UV (UV-LED) y el virus en placas. (B) Determinación de la tasa de reducción viral a lo largo del tiempo a diferentes distancias de irradiación UV (*p ≤ 0,05, **p ≤ 0,005, ***p ≤ 0,0005 frente a la condición de 50 cm).

Las dosis de UV a diferentes distancias y tiempos de exposición se calcularon utilizando la ecuación. (2) y una potencia de 800 mW en lugar de los 1000 mW reales para tener en cuenta la pérdida experimental (Tabla 1). Cuatro condiciones (fuente roja) dieron como resultado una reducción viral ≥ 99,99%: 30 s de UV a 50 cm, 20 s de UV a 30 cm, 10 s de UV a 20 cm y 2 s de UV a 10 cm.

Además, verificamos el título y la reducción viral del SARS-CoV-2 en función de la radiación UVC (Fig. 5, Tabla 2). Curiosamente, una característica común extraída de estos experimentos es que las dosis de UV > 10 mJ/cm2 produjeron una reducción viral del 99,99%. En el caso de la condición de 20 cm/5 s, la dosis calculada de 10 mJ/cm2, que es la misma determinada para la condición de 50 cm/30 s, mostró una reducción viral ≥ 99,96 %, que es ligeramente inferior al 99,99 %. reducción estándar. Por lo tanto, concluimos que se requiere una dosis de UV de > 10 mJ/cm2 para una reducción viral estable de > 99,99%.

Verificación de la reducción del título de SARS-CoV-2 a diferentes dosis de radiación ultravioleta C (UVC). La irradiancia ultravioleta se dedujo en función del tiempo de exposición y la distancia entre el diodo emisor de luz ultravioleta (UV-LED) y el virus. (A) La varianza del título viral debido a la irradiación UV. (B) Evaluación de la tasa de reducción de virus mediante irradiación UV. Como control negativo se utilizó el título de virus no irradiado. ***p ≤ 0,0005.

La propagación de la infección por SARS-CoV-2 y la gravedad de la pandemia de COVID-19 han generado preocupación en todo el mundo y han potenciado el rápido desarrollo de medicamentos, vacunas y contramedidas para contener la transmisión viral. En este estudio, investigamos los efectos antivirales de UVC-LED contra el SARS-CoV-2 en una longitud de onda de 275 nm a diferentes distancias y tiempos de exposición. La novedad de nuestro estudio es que presenta las condiciones optimizadas de desactivación del SARS-CoV-2 empleando UVC-LED a una longitud de onda de 275 nm. Confirmamos una tasa de reducción viral de ≥ 99,99% a 50 cm con irradiación durante> 30 s, 30 cm con irradiación de 20 s, 20 cm con irradiación de 10 s y 10 cm con irradiación de 2 s. En conjunto, estos resultados revelan que una distancia de 10 a 20 cm es ideal para una erradicación viral rápida (<10 s). Según nuestros cálculos, una dosis de UV de > 10 mJ/cm2 resultó en una reducción del virus del 99,99%. En general, llegamos a la conclusión de que la distancia de 10 a 20 cm entre la fuente de UVC y la superficie contaminada con el virus, un tiempo de exposición de < 10 s y una dosis de UV de > 10 mJ/cm2 son las condiciones ideales para una detección eficaz del SARS-CoV. 2 erradicación.

Tanto los entornos comunitarios como los de atención sanitaria son vulnerables a la propagación del SARS-CoV-2, y la estabilidad del SARS-CoV-2 probablemente será una amenaza en ambos entornos3. Aunque actualmente hay varios ensayos clínicos y vacunas disponibles para el tratamiento y la prevención del SARS-CoV-2, las mutaciones virales siguen siendo una grave amenaza para nuestra comunidad sanitaria. Por lo tanto, se requieren dispositivos médicos equipados con funciones de erradicación de virus para prevenir la transmisión viral en entornos sanitarios.

Los dispositivos equipados con LED UV están ganando popularidad en el campo médico9. Dentro del espectro UV, se considera que la UVC tiene los efectos germicidas más potentes, inactivando diversos microorganismos como virus, bacterias, protozoos y hongos, entre otros, mediante la formación de dímeros de pirimidina en el ADN y el ARN9,15. En consecuencia, los dímeros de pirimidina se consideran fotoproductos que alteran la replicación y transcripción del ADN, provocando la muerte celular16. Shin et al. informaron una inactivación efectiva de Escherichia coli O157:H7, Salmonella typhimurium y Listeria monocytogenes en superficies medianas utilizando UVC-LED a una longitud de onda de 275 nm y en sistemas de agua a 278 nm en diversas condiciones10. Además, otro estudio que comparó diferentes espectros de UVA, UVB y UVC contra el virus de la influenza reveló que la irradiación LED UVB y UVC fueron altamente efectivas para inactivar el virus5. Al demostrar la inactivación del SARS-CoV-2 con irradiación UVC-LED a muy corto plazo y determinar las distancias de irradiación y los tiempos de exposición óptimos, nuestro estudio sugiere pautas para garantizar un entorno médico más seguro. Considerando las ventajas del UVC-LED, como la rápida estabilización de la intensidad y la insensibilidad a la temperatura10, este sistema puede contribuir al desarrollo de dispositivos médicos capaces de prevenir la infección por SARS-CoV-2.

Los conjuntos de datos generados durante el estudio actual están disponibles a través de solicitud razonable del autor correspondiente ([email protected]).

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Descargar referencias

Esta investigación fue apoyada por el Instituto de Investigación Ferroviaria de Corea y el Ministerio de Salud y Bienestar (subvención No. HQ21C0264), el Proyecto de Investigación y Desarrollo de Tecnología Sanitaria de Corea a través del Instituto de Desarrollo de la Industria de la Salud de Corea (KHIDI) financiado por el Ministerio de Salud y Bienestar de la República. de Corea (subvención n.º HQ21C0264, HV22C0263) y el Ministerio de Seguridad de Alimentos y Medicamentos (subvención n.º 22183MFDS443) en 2022.

Estos autores contribuyeron igualmente: Cheulkyu Lee y Ki Hoon Park.

Equipo de Investigación Ambiental del Transporte, Instituto de Investigación Ferroviaria de Corea, 176, Cheoldobangmulgwan-ro, Uiwang-si, Gyeonggi-do, República de Corea

Cheulkyu Lee

Departamento de Ingeniería y Ciencias Biomédicas, Instituto de Ciencia y Tecnología de Convergencia de KU, Universidad Konkuk, Seúl, 05029, República de Corea

Parque Ki Hoon, Minjee Kim y Young Bong Kim

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Conceptualización, CL; metodología y validación, KP; validación y curación de datos, CL y KP; preparación y supervisión del borrador original, MK; redacción, revisión y edición del manuscrito, y adquisición de financiación, YBK Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito. CL y KP son los primeros coautores y MK e YBK son los coautores correspondientes.

Correspondencia a Minjee Kim o Young Bong Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lee, C., Park, KH, Kim, M. et al. Parámetros optimizados para la inactivación eficaz del SARS-CoV-2 mediante UVC-LED a 275 nm. Informe científico 12, 16664 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20813-4

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Recibido: 11 de abril de 2022

Aceptado: 19 de septiembre de 2022

Publicado: 05 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20813-4

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