인간 코로나바이러스 229E의 전자기 비활성화 분광법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8886(2023) 이 기사 인용

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스펙트럼의 마이크로파 영역에서 전자기파를 사용하여 병원체를 비활성화하는 방법에 대한 조사는 맞춤형 도파관 구조를 사용하여 수행됩니다. 도파관에는 내부 전파장을 방해하지 않고 공기 냉각 시스템을 통합할 수 있는 하위 파장 격자가 있습니다. 도파관은 충분한 주변 공기 흐름과 함께 내부적으로 실험 샘플을 수용할 수 있도록 점점 가늘어집니다. 제안된 방법론은 시간에 따른 마이크로파 노출로 인한 샘플의 온도 제어 외에도 각 도파관에서 잘 정의된 기본 모드로 인해 전력 밀도를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 인간 코로나바이러스(HCoV-229E)는 0~40GHz 범위에서 조사되었으며, 15.0~19.5GHz 하위 대역에서 최대 3-로그 바이러스 감소가 관찰되었습니다. 우리는 HCoV-229E가 이 범위에서 본질적인 공명을 갖고 있으며, 여기서 비열적 구조 손상은 구조 공진 에너지 전달 효과를 통해 최적이라고 결론지었습니다.

마이크로파 대역의 전자기(EM)파를 사용하여 병원체를 비활성화하는 것은 점점 더 많은 연구 관심을 끌고 있습니다1,2,3,4,5,6,7,8,9. 전자레인지 비활성화의 비접촉 특성은 최근 진행 중인 SARS-CoV-2 전염병으로 인한 공중 보건 위기 상황에서 이 방법을 특히 유용하게 만드는 기능입니다. 전자레인지는 열 가열 또는 구조 공명 에너지 전달(SRET)이라는 프로세스를 통해 두 가지 방법 중 하나로 비리온을 비활성화할 수 있습니다. 후자는 단순한 구형 형상을 가진 외피 바이러스가 EM 파동2,3,4,5 존재 시 공명한다는 아이디어를 기반으로 합니다. 구형 바이러스 내에서 여기된 음향 진동의 진폭을 최대화하는 것은 봉투 구조에 가장 큰 변위와 응력을 유발하여 결국 파열을 일으킬 수 있다는 점에서 중요합니다. 구형 바이러스의 음향 쌍극 모드 진동에 대한 현재 모델링은 동일한 강도의 EM파에서 적용되는 가장 큰 응력이 마이크로파 영역에서 발생한다고 예측하며, 이는 점점 늘어나는 실험적 증거에 의해 뒷받침됩니다. 인플루엔자 A(H3N2) 바이러스의 비활성화는 SRET 효과2를 통해 바이러스 막이 파열되는 저전력 밀도 마이크로파를 사용하여 입증되었습니다. 해당 연구에서 바이러스 솔루션은 8.2GHz에서 작동하는 혼 안테나의 마이크로파 조명을 15분 동안 켠 후 활성 바이러스가 3로그 감소한 것으로 나타났습니다. SRET 효과의 적용은 제안된 낮은 전력 밀도로 인해 마이크로파 영역에서 본질적인 공명으로 유해한 병원체를 비활성화하는 유망한 비열적 수단입니다2,3,4.

저전력 비가열 마이크로파 멸균에서는 제한된 에너지를 최대한 효율적으로 전달하기 위해 비리온 고유의 자연 공명에 대한 지식이 필요합니다. 바이러스의 마이크로파 흡수 분광법을 실험적으로 연구하는 것은 기술적으로 어려운 일입니다. 즉, 작은 크기의 입자로 인한 반응을 합리적으로 감지하고 구별하는 데 필요한 민감도 때문입니다. 제안된 방법에는 구조물 내의 유도 마이크로파를 방해하기 위해 소량의 용액이 도입되는 마이크로파 전송 라인이 포함되었습니다. 센서는 먼저 기준으로 캐리어 유체만을 사용하여 측정한 다음 일정 농도의 바이러스를 포함하는 측정을 수행합니다. 그런 다음 더 많은 마이크로파 전력이 손실되는 방식을 식별하기 위해 상대적인 비교가 이루어지며 이는 바이러스에 의한 흡수를 나타냅니다. 이 방법론은 SARS-CoV-23, 인플루엔자 A(H3N2)2 및 백점 증후군 바이러스의 마이크로파 흡수 공명을 식별하는 데 사용되었습니다8.

이 보고서에서 우리는 병원체와의 전자기 상호 작용을 연구하기 위한 새로운 온도 제어 방법을 제시합니다. 인간 코로나바이러스 HCoV-229E(229E)는 보다 병원성이 높은 코로나바이러스에 대한 대리 생물안전 모델로 사용되도록 선택되었습니다. 구형 기하학과 스파이크 단백질 배열은 많은 외피 바이러스를 대표합니다. 우리의 방법론은 0.8-40 GHz를 포괄하는 229E의 SRET 기반 비활성화를 연구하고 15.0-19.5 GHz 영역 내에서 고유 공진을 식별함으로써 입증됩니다. 이 체제 내에서는 단 7.5분의 마이크로파 노출 후에 활성 바이러스의 3-로그 감소가 관찰되었습니다. 샘플을 내부적으로 수용하도록 설계된 직사각형 도파관이 사용되어 샘플을 잘 정의된 전기장에 노출시킵니다. 이는 실험 샘플에 노출된 전계 강도와 전력 밀도를 정밀하게 제어할 수 있다는 주요 이점을 가지고 있습니다. 전파장을 방해하지 않고 공기 흐름 냉각 시스템을 통합하기 위해 하위 파장 격자가 도파관 벽에 도입되었습니다. 실험 중에 바이러스 샘플은 지속적으로 냉각되어 관찰된 모든 비활성화가 캐리어 용액의 과도한 마이크로파 가열이 아닌 SRET 유도 음향 진동에 기인한다는 확신을 제공합니다. 이 방법론을 사용하면 최적의 주파수 체계와 예상되는 바이러스 비활성화 정도를 결정할 수 있도록 다양한 전력 밀도 및 시간 기준에 따라 바이러스를 연구할 수 있습니다. 이 정보는 전송 제어, 멸균 및 임상 치료를 위한 새로운 마이크로파 기반 기술 개발에 중요합니다.