Espectroscopia de desativação eletromagnética do coronavírus humano 229E

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8886 (2023) Citar este artigo

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Uma investigação da desativação de patógenos usando ondas eletromagnéticas na região de microondas do espectro é realizada usando estruturas de guia de ondas 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 internos de propagação. Os guias de onda são cônicos para acomodar internamente uma amostra experimental com fluxo de ar circundante suficiente. A metodologia proposta permite o controle preciso das densidades de potência devido ao modo fundamental bem definido excitado em cada guia de ondas, além do controle da temperatura da amostra devido à exposição às microondas 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 nesta faixa, onde o dano não térmico à estrutura é ideal através do efeito de transferência de energia ressonante da estrutura.

A desativação de patógenos por meio de ondas eletromagnéticas (EM) na banda de micro-ondas está atraindo crescente interesse de pesquisa1,2,3,4,5,6,7,8,9. A natureza sem contacto da desativação de microondas é uma característica que torna o método particularmente útil no contexto das crises de saúde pública causadas pela recente e contínua pandemia de SARS-CoV-2. As microondas podem desativar um vírion 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 baseia-se na ideia de que vírus envelopados com geometrias esféricas simples ressoarão 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 tensão na estrutura do envelope, o que pode eventualmente causar sua ruptura. A modelagem atual de vibrações acústicas do 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, o que é apoiado por um crescente corpo 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 através do efeito SRET2. Nesse estudo, uma solução viral obteve uma redução de 3 log do vírus ativo após 15 minutos de iluminação de micro-ondas de uma antena tipo 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 baixas densidades de potência sugeridas necessárias2,3,4.

A esterilização por microondas de baixa potência sem aquecimento requer conhecimento da ressonância natural intrínseca do virião para transferir de forma mais eficiente a maior parte da energia limitada disponível. Estudar experimentalmente a espectroscopia de absorção de microondas de um vírus é tecnicamente desafiador, nomeadamente devido à sensibilidade necessária para detectar e distinguir razoavelmente uma resposta atribuída às partículas de pequeno tamanho. Os métodos propostos envolveram 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 medido primeiro tendo apenas o fluido transportador como referência e depois seguido por uma medição contendo alguma concentração de vírus. É então feita uma comparação relativa para identificar regimes onde se perde mais energia de microondas, indicando absorção pelo vírus. Esta metodologia tem sido utilizada para identificar ressonâncias de absorção de microondas do 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 interações eletromagnéticas com patógenos. O coronavírus humano HCoV-229E (229E) é selecionado para ser usado como modelo substituto de biossegurança para coronavírus mais altamente patogênicos. Sua geometria esférica e o arranjo da proteína spike são representativos 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, foi observada uma redução de 3 log do vírus ativo após apenas 7,5 minutos de exposição às microondas. São utilizados guias de onda retangulares projetados para acomodar uma amostra internamente, expondo a amostra a campos elétricos bem definidos. Isto possui a principal vantagem de ter controle preciso sobre a intensidade do campo e a densidade de potência exposta à amostra experimental. Grades de subcomprimento de onda são introduzidas nas paredes do guia de ondas para integrar um sistema de resfriamento de fluxo de ar sem perturbar os campos de propagação. Durante os experimentos, as amostras virais são continuamente resfriadas 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 potência 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 microondas para controle de transmissão, esterilização e tratamentos clínicos.