Espectroscopia de desativação eletromagnética do coronavírus humano 229E

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8886 (2023) Citar este artigo

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Uma investigação da desativação de patógenos usando ondas eletromagnéticas na região de micro-ondas do espectro é realizada usando estruturas de guia de onda personalizadas. Os guias de onda apresentam grades de subcomprimento de onda para permitir a integração de um sistema de resfriamento de ar sem perturbar os campos de propagação internos. Os guias de onda são afilados para acomodar uma amostra experimental internamente com fluxo de ar circundante suficiente. A metodologia proposta permite um controle preciso das densidades de potência devido ao modo fundamental bem definido excitado em cada guia de onda, além do controle da temperatura da amostra devido à exposição às micro-ondas ao longo do tempo. O coronavírus humano (HCoV-229E) é investigado na faixa de 0 a 40 GHz, onde uma redução viral de pico de 3 log é observada na subfaixa de 15,0 a 19,5 GHz. Concluímos que o HCoV-229E tem uma ressonância intrínseca nessa faixa, onde o dano à estrutura não térmica é ideal por meio do efeito de transferência de energia ressonante da estrutura.

A desativação de patógenos por meio de ondas eletromagnéticas (EM) na faixa de micro-ondas vem atraindo crescente interesse de pesquisa1,2,3,4,5,6,7,8,9. A natureza sem contato da desativação de micro-ondas é um recurso que torna o método particularmente útil no contexto das crises de saúde pública causadas pela recente e contínua pandemia de SARS-CoV-2. As micro-ondas podem desativar um virion de duas maneiras: por meio de aquecimento térmico ou por meio de um processo conhecido como transferência de energia ressonante de estrutura (SRET). Este último é baseado na ideia de que vírus envelopados com geometrias esféricas simples irão ressoar na presença de uma onda EM2,3,4,5. Maximizar a amplitude das vibrações acústicas excitadas dentro de um vírus esférico é importante para causar o maior deslocamento e estresse na estrutura do envelope, o que pode eventualmente causar sua ruptura. A modelagem atual de vibrações acústicas de modo dipolar em vírus esféricos prevê que o maior estresse aplicado a partir de ondas EM de igual intensidade ocorre no regime de micro-ondas2,4,10, que é apoiado por um corpo crescente de evidências experimentais2,3,5. A desativação do vírus Influenza A (H3N2) foi demonstrada usando microondas de baixa densidade de potência, nas quais a membrana do vírus é rompida pelo efeito SRET2. Nesse estudo, uma solução viral obteve uma redução de 3 log de vírus ativos após 15 minutos de iluminação por micro-ondas de uma antena de corneta operando a 8,2 GHz. A aplicação do efeito SRET é um meio não térmico promissor para desativar patógenos nocivos com ressonâncias intrínsecas no regime de micro-ondas devido às densidades de baixa potência sugeridas necessárias2,3,4.

A esterilização por micro-ondas sem aquecimento e baixa potência requer conhecimento da ressonância natural intrínseca do virion para transferir com mais eficiência o máximo possível da energia limitada disponível. Estudar experimentalmente a espectroscopia de absorção de micro-ondas de um vírus é tecnicamente desafiador, principalmente devido à sensibilidade necessária para detectar e distinguir razoavelmente uma resposta atribuída às partículas de tamanho pequeno. Os métodos propostos envolvem linhas de transmissão de micro-ondas nas quais pequenos volumes de solução são introduzidos para perturbar as micro-ondas guiadas dentro da estrutura2,3,5,8. O sensor é primeiro medido apenas com o fluido transportador como referência e, em seguida, seguido por uma medição contendo alguma concentração de vírus. Uma comparação relativa é então feita para identificar regimes onde mais energia de micro-ondas é perdida, indicando absorção pelo vírus. Essa metodologia tem sido usada para identificar ressonâncias de absorção de micro-ondas de SARS-CoV-23, Influenza A (H3N2)2 e vírus da síndrome da mancha branca8.

Neste relatório, apresentamos uma nova metodologia de temperatura controlada para estudar as interações eletromagnéticas com patógenos. O coronavírus humano HCoV-229E (229E) é selecionado para ser usado como um modelo substituto de biossegurança para coronavírus mais altamente patogênicos. Sua geometria esférica e arranjo de proteína spike é representativo de muitos vírus envelopados. Nossa metodologia é demonstrada estudando a desativação baseada em SRET de 229E cobrindo 0,8–40 GHz e identificando uma ressonância intrínseca dentro do regime de 15,0–19,5 GHz. Dentro deste regime, uma redução de 3 log do vírus ativo foi observada após apenas 7,5 minutos de exposição à micro-ondas. São usados ​​guias de onda retangulares que são projetados para acomodar uma amostra internamente, expondo a amostra a campos elétricos bem definidos. Isso possui a principal vantagem de ter um controle preciso sobre a intensidade do campo e a densidade de potência exposta à amostra experimental. Grades de sub-comprimento de onda são introduzidas nas paredes do guia de onda para integrar um sistema de resfriamento de fluxo de ar sem perturbar os campos de propagação. Durante os experimentos, as amostras virais são resfriadas continuamente para fornecer confiança de que qualquer desativação observada é atribuída às vibrações acústicas induzidas pelo SRET, em vez do excesso de aquecimento por micro-ondas da solução transportadora. Usando esta metodologia, os vírus podem ser estudados sob diferentes densidades de energia e critérios de tempo, de modo que os regimes de frequência ideais e o grau esperado de desativação do vírus possam ser determinados. Esta informação é crítica para o desenvolvimento de novas tecnologias baseadas em micro-ondas para controle de transmissão, esterilização e tratamentos clínicos.