紫外線はコロナウイルスと次に何が起こるとしても世界を守る可能性がある

オンタリオ州ケンブリッジのオフィスに入るヘルスケア機器会社 PrescientX の社員であれば、おそらく北米で最も衛生的な場所の 1 つに入ろうとしているとは思わないでしょう。

このトロント地区のごく普通のオフィス スイートでは、受付エリアの紫外線滅菌スタンドで鍵、電話、その他のポータブル機器を消毒できます。 涼しい季節には、UV 滅菌暖房ユニットで呼吸する空気からカビやバクテリアが除去されるほか、オフィスの空気ダクトにある UV 器具が吹き付けられてウイルスが除去されます。 天井に向けられた室内の UV 器具は空気を消毒しますが、部屋に誰もいないときにのみ点灯する他の UV ライトは、机、キーボード、バスルームや作業スペースの頻繁に触れる表面にある病原菌を除去します。

PrescientX の創設者兼 CEO のバリー・ハント氏は、このオフィスは、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) のようなパンデミックがより一般的になる可能性のある未来を表していると述べています。しかし、そのような状況では、殺菌性紫外線が、私たちがそれらに立ち向かうための最も強力な武器の 1 つとなっています。

科学者たちはほぼ 1 世紀半にわたり、細菌に対する紫外線の致命的な影響を研究してきました。 最近では、2003 年の SARS 発生時に、致死性のコロナウイルス粒子に対する消毒剤として UV が導入されました。そして、昨年末に中国で新型コロナウイルスが本格的に蔓延し始めるとすぐに、UV はこの新たな惨劇と戦うための潜在的に強力な武器として戻ってきました。 。 抗ウイルス薬やワクチンは体内の感染を最小限に抑えて撃退することに重点を置いていますが、導入されている紫外線システムは、誰かに感染する前に環境中のウイルスを殺すことに重点を置いています。

安全な飛行: Dimer UVC とハネウェルの UV キャビン システムは、数分で飛行機全体を消毒できるように設計されています。写真: Honeywell Aerospace

殺菌 UV 技術は現在、空気、表面、N95 マスクなどの個人用保護具の殺菌に使用されています。 一方、この分野の専門家は、コロナウイルス、そして今後起こる流行やパンデミックに対するこの技術の有効性について一般の人々を教育することに多くの時間を費やしている。 殺菌性 UV の主な障害は、カリフォルニア州サンタクラリタに本拠を置く UV 技術会社 UV Resources の副社長兼共同創設者であるディーン・サピュタ氏は、「この技術についての理解の欠如を克服することです」と述べています。

まず第一に、すべての紫外線が同じように生成されるわけではない、と専門家は指摘します。 紫外線は、藍と紫を超えた電磁スペクトルの領域にあります。 日焼け止めのボトルのラベルを読んだことがある人なら、日焼けや日焼けを引き起こす UV 波長が UV-A (波長 400 ～ 315 ナノメートル) と UV-B (315 ～ 280 ナノメートル) と呼ばれていることをご存知でしょう。 殺菌 UV 技術は、UV-C として知られる、280 ～ 100 nm のより短く、よりエネルギーの高い UV 波長に焦点を当てています。 地球のオゾン層は、事実上すべての UV-C 光が私たちに届くことを防ぎます。 したがって、微生物やウイルス (そして実際には他のすべてのもの) は、これらの波長に一度もさらされることなく、何百万年、何十億年も進化してきました。

1901 年に水銀灯が発明されたことで状況は変わりました。 それは強力な波長の UV-C 光 (254 nm) を生成し、コロナウイルスや人間の遺伝子を含む、その経路にあるほぼすべての遺伝物質に壊滅的な影響を与えることが証明されています。

病気の蔓延に対して殺菌性の紫外線を使用する秘訣の多くは、その光から人々を守る方法を見つけることにあります。 関係者はすでにその分野で多くの専門知識を蓄積していますが、新しいテクノロジーにより、占有空間での UV-C の使用作業が容易になる可能性があります。

UV-Cライトを照射しながらは 1 世紀以上にわたって細菌に対して効果的に使用されてきましたが、研究者がなぜこれほど成功しているのかを理解したのはつい最近のことです。 DNA の 4 文字アルファベットのヌクレオチドの中で、チミン (T) とシトシン (C) は特に UV の影響を受けやすいです。 UV は電子を 1 つ解き放ち、2 つの T 分子または 2 つの C 分子を結合させ、DNA の文字列にエラーを導入します。 人間には、p53 と呼ばれる分子を含む遺伝的自己修復機構があります。 このタンパク質 (「ゲノムの番人」とも呼ばれる) は DNA 鎖をパトロールし、まさにこの種のヌクレオチド損傷を探します。 しかし、p53 ができることには限界があります。 ダメージが大きすぎると癌を引き起こす可能性があります。

死の光線: UV-C は、スペクトルの紫外線部分の遠端にあります。 ほとんどの UV-C 製品は、254 ナノメートルで輝く水銀蒸気ランプを使用しています。 科学者たちは、人間の周囲で使用するのがより安全である可能性があるため、別の波長である 222 nm を研究しています。出典: UV リソース

COVID-19 を引き起こすウイルスである SARS-CoV-2 には、そのような高度な自己修復メカニズムが欠如しており、その遺伝物質は DNA ではなく RNA で構成されています。 RNA にはチミンの代わりにウラシルが含まれていますが、UV-C の効果は本質的に同じで、遺伝子損傷が蓄積し、ウイルスが破壊されます。

254 nm 範囲の UV-C 光の主な問題は、人間の皮膚や目を透過し、皮膚がんや白内障を引き起こすことです。 したがって、UV-C の DNA 破壊効果は、それを使用するあらゆる消毒装置が、部屋に人がいないとき、または人が立ち入ることができない自己完結型の空間で動作するように設計されている必要があることを意味します。

研究者たちは何十年にもわたって、UV-C の利点と危険性のバランスをとろうと努力してきました。 1930 年代後半から 1940 年代初頭にかけて、米国の疫学者ウィリアム F. ウェルズは、浮遊細菌やウイルスを明らかにした彼の画期的な研究の続編として、麻疹の発生と戦うためにフィラデルフィアの学校に UV-C を放出する水銀蒸気ランプを設置しました。感染症を引き起こす可能性があります。 この器具は、学生や教職員を光線から守るために、部屋の上部のみに空気を照射するように設計されていました。 そして彼らは働きました。 空気消毒装置を設置していた学校では感染率が13.3％だったのに対し、一般人口では53.6％だった。

PrescientX のハント氏によると、今日のほとんどの商業および産業環境における殺菌 UV は依然として水銀蒸気ランプから来ているとのことです。 これらのデバイスには 254 nm にスペクトル ピークがあります。 この放出は、（通常は）アルゴンガスをイオン化し、液体水銀を蒸発させる電気アークの結果です。 ガラスは放射線を遮断するため、これらのランプは代わりに石英で作られています。

窒化アルミニウムの合金で作られた UV-C 放射 LED は非常に新しく、有毒な水銀を含まない、耐久性が高い、起動が速い、さまざまな波長で発光するなど、水銀ランプに比べて多くの潜在的な利点があります。それらの殺菌作用。 ただし、最も重要なのは、UV-C LED の理論上の効率向上の可能性です。 しかし、その可能性はまだ実現されていません。 ソウル半導体社の技術研究員兼副社長であるJae-hak Jeong氏はIEEE Spectrumに対し、今日の水銀ランプは、現在市販されているUV-C LEDよりも壁コンセント効率（入力電力対光出力）が高いと語った。 しかし、水銀ランプの優位性は長くは続かないと予想されており、研究者らは、青色 LED が照明分野で優位な地位を占めるまでに達成したのとほぼ同じ方法で UV-C LED も改善すると予測しているためです。 しかし今のところ、UV-C LED は少量の空気や近くの表面以上を殺菌できるほど強力ではありません。

最近の UV-C 光の経験は、ウェルズ氏が 1930 年代に発見したことを裏付けるものであり、254 nm の UV 光による空気消毒は「非常に効果的」であるとハント氏は言います。 部屋の上部の空気を直接照射すると、HVAC ユニット内の空気を照射するよりもスループットが向上すると彼は付け加えました。 Illumination Engineering Society によると、上空空間 1 立方メートルあたり 17 ミリワットの 254 nm ランプ放射線が、結核を制御するために開発された証拠に基づく線量です。 ただし、一部の細菌、ウイルス、その他の微生物は他の微生物よりも UV-C 光に対して耐性があります。

The Air Up There: ニューヨーク市のキングス郡病院センターの天井近くに設置された AeroMed Infinity 殺菌 UV-C 器具は、患者が待つ場所でエアロゾル化したコロナウイルス粒子が拡散するのを防ぐのに役立ちます。写真: AeroMed

UV Resources 社の Saputa 氏によると、その線量であれば、上空の器具はランプの直接視線にある細菌を「ほんの数秒で」破壊できるという。 人間の安全を守るために、通常、それぞれ数千ドルかかる照明器具は 2 メートル以上の高さに設置され、無反射バッフルが紫外線エネルギーを上方と外側に向けます。 (UV-C はほとんどの表面であまり反射されないため、天井やその他の設備から反射する光線による暴露の危険はほとんどありません。ただし、設置者は UV-C メーターを使用して確認する必要があります。) このような設置はさまざまな環境で使用できます。 、病室、待合室、ロビー、階段の吹き抜け、緊急治療室の入り口と廊下が含まれます。

空気だけではないパンデミックの間、病院の UV 照射ロボットや飛行機や地下鉄の車内の UV 細菌除去装置が、表面を消毒するために展開されている多数の技術に加わりました。

これらのシステムと UV 空気滅菌器の主な違いは、前者は人がいるときは動作できないため、エリアを継続的にウイルスのない状態に保つことができないことです。 「設計エンジニアは、消毒は人々が病院のベッドに置かれるか、飛行機の座席に座るまでしか続かないことを念頭に置く必要があります」とサピュタ氏は言う。

しかし、まったく消毒しないよりは、散発的に消毒する方が望ましいです。 カリフォルニア州カールスバッドに本拠を置く Cleanbox Technology は、今年以前から、仮想現実および拡張現実のヘッドセットを滅菌するための UV-C LED ボックスを開発していました。 Cleanbox の最高技術責任者で共同創設者の David Georgeson 氏は、同社のシステムは N95 マスクの滅菌にすぐに適応できたと述べています。

その結果、Clean Defense N95 消毒ライト ボックスは一度に 4 枚のマスクを収納できるようになりました。 このボックスは持ち運び可能で、壁またはバッテリーバンクから電力を供給できるため、救急車や飛行機などの移動環境だけでなく、医療現場、レストラン、ショッピングセンターでも使用できます。

この技術やその他のタイプの UV 消毒の課題は、「[RNA] を破壊して不活化するには、実際に放射線をウイルスに当てなければならないことです」と、レンセラー工科大学照明対応システム & アプリケーション センター所長のロバート カーリチェク氏は言います。 、ニューヨーク州トロイにて 「ウイルス粒子が土の後ろにあったり、別の繊維で覆われている場合、十分な殺傷率を達成する前に、大量の光を散乱する必要があるでしょう。」

使用、滅菌、繰り返し: Prescient X のシステム (上) で N95 保護マスクの表面に UV 光が照射されるため、マスクは再利用できます。 レンセラー工科大学の滅菌器 (中央) は、マスクの両面を一度に UV にさらします。 Cleanbox Technology のシステム (下) は、VR ギアを無菌化するシステムを応用したものです。 写真、上から: PrescientX。 ロバート・カーリチェック/RPI; クリーンボックステクノロジー

この問題は、いわゆる「峡谷の壁」効果によって説明されます。 細菌やウイルスにとって、一般的な表面のテクスチャー特徴は、私たちにとって深さ 100 メートルの峡谷に似ています。 ミリメートル以下のテクスチャーを持つ表面を使った実験では、黄色ブドウ球菌に対する UV-C の殺菌率は、水銀灯の光が当たる角度に応じて 500 倍も変化しました。

アリゾナ大学の公衆衛生学の助教授、マーク・ヴァーハウグストラエテ氏によると、この角度依存性が、病室の消毒に通常 3 台の UV システムが必要な理由だという。 それでもまだ露光されていない部分が残っています。 したがって、その用途では、UV-C 表面消毒剤は、日常的な表面消毒、手指衛生、空気処理を含むシステムの一部である必要がある、と彼は言います。

N95 マスクを再利用するために消毒するには、複数の角度から十分な量を摂取することが重要です。 カルリチェック氏と彼のチームは、水銀灯 N95 マスク滅菌器を開発し、ニューヨーク市のマウント サイナイ病院でテストされました。 2組のUVランプを使用してマスクの表裏を同時に照射します。 PrescientX は、Terminator CoV と呼ばれる UV-C ライトボックスで N95 マスク滅菌ビジネスにも参入しています。 他にもさまざまな開発および商品化段階にあるシステムがあります。

SARS-CoV-2 ウイルス粒子を不活化するために必要な正確な UV-C 線量はまだ決定されていない、と PrescientX の CEO ハント氏は述べています。 しかし、査読済みの多くの研究では、H5N1型とH1N1型のインフルエンザ、そしてMERSやSARSを含むこれまでのコロナウイルスの流行におけるUV-C線量が検討されていると同氏は付け加えた。 専門家らは、同量のエネルギーが新型コロナウイルス感染症（ＣＯＶＩＤ－１９）の原因となるコロナウイルスを不活化すると考えるのが合理的だと考えている。

これらの研究はすべて、1平方センチメートル当たり1～2ジュールのUV-Cエネルギーをマスクに照射することで、マスク上のウイルス粒子の99.9～99.99パーセントを不活化するのに十分であることを発見した。 とはいえ、コロナウイルス粒子の除去は単なる数字勝負ではありません。 滅菌ユニットがマスクに影を落とすと、そのマスクは完全には消毒されません。 そのため、これらのシステムはマスクを伸ばして影を最小限に抑えるファスナーとフックを備えて設計されています。

「ウイルスを除去するには強度と形状が必要です」とハント氏は言う。

254 nm UV-C の有害な影響を考慮して、科学者は、遠紫外領域のより高エネルギーの波長 222 nm を研究しています。 この波長はウイルスや細菌を殺すことがわかっており、初期の研究では 254 nm 範囲の光子よりも実質的に安全であることが示されています。 実際、遠紫外線は、人がいる場合でも部屋全体を安全に殺菌光を浴びることができる可能性があります。

222nmの遠紫外光は「皮膚の外層をほとんど透過しない」とボルチモア近郊の陸軍公衆衛生センターで米陸軍レーザー・光放射線プログラムの退役マネージャーを務めるデビッド・スライニー氏は言う。 「タンパク質に多く吸収されます。しかし、他の紫外線よりも浮遊ウイルスに対してさらに効果的である可能性があるという証拠がいくつかあります。」 この波長は目を覆う涙の層よりも深く浸透しないため、目にも安全であると考えられます。 日本で行われたアルビノラットの2019年の研究では、長期の遠紫外線曝露によって皮膚や目に損傷が引き起こされないことが判明した。

現在、遠紫外光はクリプトン塩素エキシマランプによって生成されています。 (「エキシマー」は「励起」と「ダイマー」のかばん語で、2 つの部分からなる分子の励起状態を意味します。) このようなランプの密閉された石英ガラス室内では、クリプトンと塩素が放電によって加熱され、そのエネルギーはKrCl エキシマーを瞬間的に生成するには十分な量で、再び解離する前に 222 nm のスペクトル線を吐き出します。

ただし、これらの光源は遠紫外光を発するだけではありません。 「エキシマランプは222nmでピークを生成しますが、[より長い]波長の光も生成します」と、ニューヨーク市にあるコロンビア大学放射線医学研究センター所長のデビッド・ブレナー氏は説明する。 「222nmの保護特性がないため、これは有害です。[皮膚]を貫通してDNAに損傷を与える可能性があります。」

フィルターを使えば不要な波長を除去できますが、より良い解決策は 222 nm の狭いスペクトルプロファイルを備えた遠紫外 LED ランプであるとブレナー氏は言います。 このような LED はまだ存在しません。 「LED の波長は長い間下がってきています」と彼は言います。 「250、240、230 [nm] を下回ると、効率は劇的に低下します。まるで崖のようです。」

したがって、短期的にはエキシマランプが最も期待されます。 ブレナー氏は、このようなランプは今年末か2021年初めまでに市場に出るだろうと予想している。

これにもかかわらず UV-C LED、水銀灯、KrCl エキシマランプなどの紫外線技術の宝庫ですが、世界が大きな影響を与えるほど広範囲に殺菌 UV を展開する前に、現在のパンデミックが去ったり去ったりする可能性があります。 そのため、専門家たちはすでに次の危険な病原体について計画を立てており、それが出現したら、病院、空港、公共交通機関、オフィス、学校、養護施設、店舗、レストランにUV空気清浄機と表面殺菌装置を多数配備してこれを迎え撃つことを期待している。 、エレベーターなど。 UV技術の普及により、アウトブレイクの蔓延がはるかに困難になり、おそらく致命的な伝染病がパンデミックになるのを防ぐことができるでしょう。

この記事は、2020 年 10 月の印刷号に「紫外線犯罪」として掲載されています。