病原性ウイルスおよび関連メカニズムに対する電磁波の影響: Journal of Virology のレビュー

病原性ウイルス感染症は、世界中で大きな公衆衛生問題となっています。ウイルスはすべての細胞生物に感染し、さまざまな程度の損傷や損傷を引き起こし、病気や死につながる可能性があります。重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2 (SARS-CoV-2) などの高病原性ウイルスの蔓延に伴い、病原性ウイルスを不活化する効果的かつ安全な方法の開発が急務となっています。病原性ウイルスを不活化する従来の方法は実用的ですが、いくつかの制限があります。電磁波は、高い透過力、物理的共鳴、無公害という特徴から、病原性ウイルスを不活化する潜在的な戦略となり注目を集めています。この記事では、病原性ウイルスに対する電磁波の影響とそのメカニズムに関する最近の出版物の概要を説明するとともに、病原性ウイルスの不活化のための電磁波の利用の見通し、そのような不活化のための新しいアイデアと方法について説明します。
多くのウイルスは急速に広がり、長期間持続し、病原性が高く、世界的な流行や深刻な健康リスクを引き起こす可能性があります。予防、検出、検査、根絶、治療は、ウイルスの蔓延を阻止するための重要なステップです。病原性ウイルスの迅速かつ効率的な除去には、予防的、保護的、および感染源の除去が含まれます。病原性ウイルスを生理学的に破壊して不活化し、感染力、病原性、生殖能力を低下させることは、ウイルスを排除する効果的な方法です。高温、化学物質、電離放射線などの従来の方法は、病原性ウイルスを効果的に不活化できます。ただし、これらの方法にはまだいくつかの制限があります。したがって、病原性ウイルスを不活化するための革新的な戦略を開発することが依然として緊急に必要とされています。
電磁波の放射には、高い透過力、急速かつ均一な加熱、微生物との共鳴、血漿放出などの利点があり、病原性ウイルスを不活化する実用的な方法となることが期待されています[1,2,3]。電磁波が病原性ウイルスを不活化する能力は、前世紀に実証されました [4]。近年、病原性ウイルスの不活化に電磁波を利用することが注目を集めています。この記事では、病原性ウイルスに対する電磁波の影響とそのメカニズムについて説明します。これは、基礎研究および応用研究の有用なガイドとして役立ちます。
ウイルスの形態学的特徴は、生存や感染力などの機能を反映している可能性があります。電磁波、特に超短波 (UHF) および超短波 (EHF) の電磁波は、ウイルスの形態を破壊する可能性があることが実証されています。
バクテリオファージ MS2 (MS2) は、消毒評価、動態モデリング (水性)、ウイルス分子の生物学的特性評価などのさまざまな研究分野でよく使用されます [5、6]。 Wu は、2450 MHz および 700 W のマイクロ波が 1 分間の直接照射後に MS2 水生ファージの凝集と大幅な収縮を引き起こすことを発見しました [1]。さらなる調査の後、MS2 ファージの表面の破損も観察されました [7]。 Kaczmarczyk [8] は、コロナウイルス 229E (CoV-229E) のサンプルの懸濁液を、周波数 95 GHz、電力密度 70 ～ 100 W/cm2 のミリ波に 0.1 秒間曝露しました。ウイルスの粗い球状の殻には大きな穴があり、内容物の損失につながります。電磁波にさらされると、ウイルスが破壊される可能性があります。しかし、電磁放射によるウイルスへの曝露後の、形状、直径、表面の滑らかさなどの形態学的特性の変化は不明です。したがって、ウイルスの不活化を評価するための貴重で便利な指標を提供できる、形態学的特徴と機能障害との関係を分析することが重要です[1]。
ウイルスの構造は通常、内部の核酸 (RNA または DNA) と外部のキャプシドで構成されます。核酸はウイルスの遺伝特性と複製特性を決定します。カプシドは規則的に配置されたタンパク質サブユニットの外層であり、ウイルス粒子の基本的な足場および抗原成分であり、核酸も保護します。ほとんどのウイルスは、脂質と糖タンパク質で構成されるエンベロープ構造を持っています。さらに、エンベロープタンパク質は受容体の特異性を決定し、宿主の免疫系が認識できる主要な抗原として機能します。完全な構造により、ウイルスの完全性と遺伝的安定性が保証されます。
研究によると、電磁波、特に UHF 電磁波は、病気の原因となるウイルスの RNA に損傷を与える可能性があります。 Wu [1] は、MS2 ウイルスの水性環境を 2450 MHz のマイクロ波に 2 分間直接曝露し、プロテイン A、カプシドタンパク質、レプリカーゼタンパク質、切断タンパク質をコードする遺伝子をゲル電気泳動と逆転写ポリメラーゼ連鎖反応によって分析しました。 RT-PCR）。これらの遺伝子は出力密度が増加するにつれて徐々に破壊され、最高の出力密度では消滅することさえありました。たとえば、プロテイン A 遺伝子 (934 bp) の発現は、119 W および 385 W の電力で電磁波にさらされた後に大幅に減少し、電力密度が 700 W に増加すると完全に消失しました。これらのデータは、電磁波が次のような可能性があることを示しています。用量に応じて、ウイルスの核酸の構造を破壊します。
最近の研究では、病原性ウイルスタンパク質に対する電磁波の影響は、主にメディエーターに対する間接的な熱影響と、核酸の破壊によるタンパク質合成に対する間接的な影響に基づいていることが示されています[1、3、8、9]。しかし、無体温効果はウイルスタンパク質の極性や構造を変化させる可能性もあります[1、10、11]。病原性ウイルスのカプシドタンパク質、エンベロープタンパク質、スパイクタンパク質などの基本的な構造/非構造タンパク質に対する電磁波の直接的な影響については、依然としてさらなる研究が必要です。最近、周波数 2.45 GHz、出力 700 W の電磁放射を 2 分間照射すると、純粋な電磁効果によるホット スポットの形成や振動電場の形成を通じて、タンパク質電荷のさまざまな部分と相互作用できることが示唆されています [12]。
病原性ウイルスのエンベロープは、感染力または病気を引き起こす能力に密接に関係しています。いくつかの研究では、UHF とマイクロ波の電磁波が病気の原因となるウイルスの殻を破壊できることが報告されています。前述したように、70 ～ 100 W/cm2 の電力密度で 95 GHz ミリ波に 0.1 秒曝露した後、コロナウイルス 229E のウイルスエンベロープで明確な穴が検出できます [8]。電磁波の共鳴エネルギー伝達の影響により、ウイルスのエンベロープの構造を破壊するのに十分なストレスが生じる可能性があります。エンベロープを持つウイルスの場合、エンベロープが破裂すると、通常、感染力または一部の活性が低下するか、完全に失われます [13、14]。 Yang [13] は、H3N2 (H3N2) インフルエンザ ウイルスと H1N1 (H1N1) インフルエンザ ウイルスを、それぞれ 8.35 GHz、320 W/m 2 と 7 GHz、308 W/m 2 のマイクロ波に 15 分間曝露しました。電磁波に曝露された病原性ウイルスの RNA シグナルと、液体窒素中で凍結および即時解凍を数サイクル行った断片化モデルとを比較するために、RT-PCR を実行しました。結果は、2 つのモデルの RNA シグナルが非常に一貫していることを示しました。これらの結果は、マイクロ波放射への曝露後にウイルスの物理的構造が破壊され、エンベロープ構造が破壊されることを示しています。
ウイルスの活性は、感染、複製、転写する能力によって特徴づけられます。ウイルスの感染力または活性は、通常、プラークアッセイ、組織培養感染量中央値（TCID50）、またはルシフェラーゼレポーター遺伝子活性を使用してウイルス力価を測定することによって評価されます。しかし、生きたウイルスを単離したり、ウイルス抗原、ウイルス粒子密度、ウイルス生存率などを分析することによって直接評価することもできます。
UHF、SHF、EHF の電磁波は、ウイルスのエアロゾルや水系ウイルスを直接不活性化できることが報告されています。 Wu [1] は、研究室のネブライザーによって生成された MS2 バクテリオファージ エアロゾルを、周波数 2450 MHz、電力 700 W の電磁波に 1.7 分間曝露しましたが、MS2 バクテリオファージの生存率はわずか 8.66% でした。 MS2 ウイルス エアロゾルと同様に、水性 MS2 の 91.3% は、同量の電磁波に曝露した後 1.5 分以内に不活化されました。さらに、MS2 ウイルスを不活化する電磁放射線の能力は、電力密度および曝露時間と正の相関関係がありました。しかし、失活効率が最大値に達すると、露光時間を長くしたり、パワー密度を上げたりしても失活効率を向上させることができなくなる。たとえば、MS2 ウイルスは、2450 MHz および 700 W の電磁波に曝露した後の最小生存率は 2.65% ～ 4.37% であり、曝露時間を増やしても大きな変化は見られませんでした。 Siddharta [3] は、C 型肝炎ウイルス (HCV)/ヒト免疫不全ウイルス 1 型 (HIV-1) を含む細胞培養懸濁液に、周波数 2450 MHz、電力 360 W の電磁波を照射しました。彼らは、ウイルス力価が大幅に低下することを発見しました。これは、電磁波放射が HCV と HIV-1 の感染力に対して有効であり、一緒に暴露された場合でもウイルスの感染を防ぐのに役立つことを示しています。 HCV 細胞培養物および HIV-1 懸濁液に周波数 2450 MHz、90 W または 180 W の低出力電磁波を照射すると、ルシフェラーゼ レポーター活性によって決定されるウイルス力価は変化せず、ウイルス感染力は大幅に変化します。が観察されました。 600 W と 800 W で 1 分間の加熱では、両方のウイルスの感染力は大幅に低下しませんでした。これは、電磁波放射のパワーと臨界温度にさらされた時間に関係していると考えられています。
Kaczmarczyk [8] は、2021 年に水系病原性ウイルスに対する EHF 電磁波の致死性を初めて実証しました。彼らは、コロナウイルス 229E またはポリオウイルス (PV) のサンプルを、周波数 95 GHz、出力密度 70 ～ 100 W/cm2 の電磁波に曝露しました。 2秒間。 2 つの病原性ウイルスの不活化効率は、それぞれ 99.98% と 99.375% でした。これは、EHF 電磁波がウイルス不活化の分野で幅広い応用の可能性があることを示しています。
ウイルスの UHF 不活化の有効性は、母乳や家庭で一般的に使用されるいくつかの材料などのさまざまな媒体でも評価されています。研究者らは、アデノウイルス (ADV)、ポリオウイルス 1 型 (PV-1)、ヘルペスウイルス 1 型 (HV-1)、およびライノウイルス (RHV) で汚染された麻酔マスクを、周波数 2450 MHz、電力 720 ワットの電磁放射線に曝露しました。彼らは、ADV および PV-1 抗原の検査が陰性になり、HV-1、PIV-3、および RHV 力価がゼロに低下し、4 分間の曝露後にすべてのウイルスが完全に不活化されたことを示したと報告しました [15、16]。 Elhafi [17] は、鳥伝染性気管支炎ウイルス (IBV)、鳥肺炎ウイルス (APV)、ニューカッスル病ウイルス (NDV)、および鳥インフルエンザウイルス (AIV) に感染した綿棒を 2450 MHz、900 W の電子レンジに直接曝露しました。感染力を失います。このうち、APV と IBV は、5 世代目のニワトリ胚から得られた気管器官の培養液からも検出されました。ウイルスは単離できなかったが、RT-PCR によりウイルス核酸は検出された。 Ben-Shoshan [18] は、15 個のサイトメガロウイルス (CMV) 陽性母乳サンプルに 2450 MHz、750 W の電磁波を 30 秒間直接曝露しました。 Shell-Vial による抗原検出により、CMV が完全に不活性化されたことが示されました。しかし、500 Wでは、15サンプル中2サンプルが完全な不活化を達成できなかった。これは、不活化効率と電磁波のパワーとの間に正の相関があることを示している。
また、Yang [13] が確立された物理モデルに基づいて電磁波とウイルスの間の共鳴周波数を予測したことも注目に値します。ウイルス感受性のMadin Darby犬腎臓細胞(MDCK)によって生成された密度7.5×1014m-3のH3N2ウイルス粒子の懸濁液を、周波数8GHz、電力820の電磁波に直接曝露した。 W/㎡で15分間。 H3N2 ウイルスの不活化レベルは 100% に達します。しかし、82 W/m2 の理論的閾値では、H3N2 ウイルスの 38% のみが不活化され、EM 媒介ウイルス不活化の効率が電力密度と密接に関係していることが示唆されました。この研究に基づいて、Barbora [14] は電磁波と SARS-CoV-2 の間の共鳴周波数範囲 (8.5 ～ 20 GHz) を計算し、7.5 × 1014 m-3 の SARS-CoV-2 が電磁波 A 波に曝露されたと結論付けました。周波数 10 ～ 17 GHz、電力密度 14.5 ± 1 W/m2 で約 15 分間使用すると、100% の結果が得られます。非アクティブ化。 Wang による最近の研究 [19] では、SARS-CoV-2 の共鳴周波数が 4 GHz と 7.5 GHz であることが示され、ウイルス力価に関係なく共鳴周波数が存在することが確認されました。
結論として、電磁波はエアロゾルや懸濁液、さらには表面上のウイルスの活動に影響を与える可能性があると言えます。不活化の有効性は、電磁波の周波数と出力、およびウイルスの増殖に使用される媒体と密接に関係していることが判明しました。さらに、物理的共鳴に基づく電磁周波数はウイルスの不活化にとって非常に重要です[2、13]。これまで、病原性ウイルスの活動に対する電磁波の影響は、主に感染力の変化に焦点が当てられてきました。複雑なメカニズムにより、病原性ウイルスの複製と転写に対する電磁波の影響がいくつかの研究で報告されています。
電磁波がウイルスを不活化する仕組みは、ウイルスの種類、電磁波の周波数や強さ、ウイルスの増殖環境などと密接に関係しているが、まだ解明されていない部分が多い。最近の研究は、熱、非熱、および構造共鳴エネルギー伝達のメカニズムに焦点を当てています。
熱効果は、電磁波の影響下での組織内の極性分子の高速回転、衝突、摩擦によって引き起こされる温度の上昇として理解されています。この特性により、電磁波はウイルスの温度を生理学的耐性の閾値を超えて上昇させ、ウイルスを死滅させる可能性があります。しかし、ウイルスには極性分子がほとんど含まれていないため、ウイルスに対する直接的な熱影響はまれであることが示唆されています [1]。それどころか、媒体や環境には、電磁波によって励起された交流電場に従って移動し、摩擦によって熱を発生する水分子など、より多くの極性分子が存在します。その後、熱がウイルスに伝わり、ウイルスの温度が上昇します。耐性閾値を超えると、核酸とタンパク質が破壊され、最終的には感染力が低下し、さらにはウイルスが不活化されます。
いくつかのグループは、電磁波が熱暴露を通じてウイルスの感染力を低下させる可能性があると報告しています[1、3、8]。 Kaczmarczyk [8] は、コロナウイルス 229E の懸濁液を、周波数 95 GHz、電力密度 70 ～ 100 W/cm² の電磁波に 0.2 ～ 0.7 秒間曝露しました。結果は、このプロセス中の100℃の温度上昇がウイルスの形態の破壊とウイルスの活性の低下に寄与することを示しました。これらの熱効果は、周囲の水分子に対する電磁波の作用によって説明できます。 Siddharta [3] は、GT1a、GT2a、GT3a、GT4a、GT5a、GT6a、GT7a を含むさまざまな遺伝子型の HCV を含む細胞培養懸濁液に、周波数 2450 MHz、電力 90 W および 180 W の電磁波を照射しました。 W、600 W、800 火から細胞培養液の温度が上昇すると、 26°C ～ 92°C の電磁放射線はウイルスの感染力を低下させるか、ウイルスを完全に不活化します。しかし、HCV を低出力 (90 または 180 W、3 分) または高出力 (600 または 800 W、1 分) で短時間電磁波に曝露しても、顕著な温度上昇や顕著な変化は見られませんでした。ウイルスの感染性や活性は観察されませんでした。
上記の結果は、電磁波の熱効果が病原性ウイルスの感染力や活性に影響を与える重要な要素であることを示しています。さらに、電磁放射の熱効果が、UV-C や従来の加熱よりも効果的に病原性ウイルスを不活性化することが多くの研究で示されています [8、20、21、22、23、24]。
熱の影響に加えて、電磁波は微生物のタンパク質や核酸などの分子の極性を変化させ、分子の回転や振動を引き起こし、その結果生存率が低下したり、場合によっては死に至ることもあります[10]。電磁波の極性の急速な切り替えはタンパク質の分極を引き起こし、タンパク質構造のねじれや湾曲、そして最終的にはタンパク質の変性を引き起こすと考えられています [11]。
ウイルスの不活化に対する電磁波の非熱的影響については依然として議論の余地があるが、ほとんどの研究で肯定的な結果が示されている[1、25]。上で述べたように、電磁波は MS2 ウイルスのエンベロープタンパク質を直接透過し、ウイルスの核酸を破壊する可能性があります。さらに、MS2 ウイルス エアロゾルは、水性 MS2 よりも電磁波に対してはるかに敏感です。 MS2 ウイルス エアロゾルを取り巻く環境には水分子などの極性の低い分子が存在するため、電磁波を介したウイルスの不活化において無熱効果が重要な役割を果たしている可能性があります [1]。
共鳴現象は、物理システムがその固有の周波数と波長で環境からより多くのエネルギーを吸収する傾向を指します。共鳴は自然界のさまざまな場所で発生します。ウイルスは、共鳴現象である限定された音響双極子モードで同じ周波数のマイクロ波と共鳴することが知られています[2、13、26]。電磁波とウイルスの間の相互作用の共鳴モードはますます注目を集めています。ウイルスにおける電磁波から閉音響振動（CAV）への効率的な構造共鳴エネルギー移動（SRET）の影響は、コアとキャプシドの反対の振動によりウイルス膜の破裂を引き起こす可能性があります。さらに、SRET の全体的な有効性は環境の性質に関連しており、ウイルス粒子のサイズと pH がそれぞれ共鳴周波数とエネルギー吸収を決定します [2、13、19]。
電磁波の物理的共鳴効果は、ウイルスタンパク質に埋め込まれた二重層膜に囲まれたエンベロープウイルスの不活化に重要な役割を果たします。研究者らは、周波数 6 GHz、出力密度 486 W/m² の電磁波による H3N2 の不活性化が、主に共鳴効果による殻の物理的破壊によって引き起こされることを発見しました [13]。 H3N2 懸濁液の温度は 15 分間の曝露後にわずか 7℃しか上昇しませんでしたが、加熱によるヒト H3N2 ウイルスの不活化には 55℃以上の温度が必要です [9]。同様の現象が SARS-CoV-2 や H3N1 などのウイルスでも観察されています [13、14]。さらに、電磁波によるウイルスの不活化はウイルス RNA ゲノムの分解にはつながりません [1、13、14]。したがって、H3N2 ウイルスの不活化は、熱暴露ではなく物理的共鳴によって促進されました [13]。
電磁波の熱効果と比較して、物理的共鳴によるウイルスの不活化には、電気電子学会 (IEEE) が定めたマイクロ波安全基準を下回る、より低い線量パラメータが必要です [2、13]。共鳴周波数と出力量は粒子サイズや弾性などのウイルスの物理的特性に依存し、共鳴周波数内のすべてのウイルスが効果的に不活化の対象となります。高い浸透率、電離放射線がないこと、安全性が高いことから、CPETの無熱効果によるウイルス不活化は、病原性ウイルスによって引き起こされるヒトの悪性疾患の治療に有望である[14、26]。
液相およびさまざまな媒体の表面でのウイルスの不活化の実装に基づいて、電磁波はウイルスエアロゾルに効果的に対処できます [1, 26]。これは画期的であり、ウイルスの感染を制御する上で非常に重要です。ウイルスを除去し、社会へのウイルスの伝播を防ぎます。伝染病。さらに、電磁波の物理的共鳴特性の発見は、この分野において非常に重要である。特定のウイルス粒子と電磁波の共鳴周波数がわかっている限り、創傷の共鳴周波数範囲内のすべてのウイルスを標的にすることができますが、これは従来のウイルス不活化法では達成できません[13、14、26]。ウイルスの電磁的不活化は、優れた研究成果と応用価値と可能性を備えた有望な研究です。
従来のウイルス殺傷技術と比較して、電磁波はその独特の物理的特性により、ウイルスを殺す際にシンプルで効果的かつ実用的な環境保護という特徴を持っています[2、13]。しかしながら、多くの問題が残されている。第一に、現代の知識は電磁波の物理的特性に限定されており、電磁波の放射中のエネルギー利用のメカニズムは開示されていません[10、27]。ミリ波を含むマイクロ波は、ウイルスの不活化とそのメカニズムを研究するために広く使用されていますが、他の周波数、特に100 kHzから300 MHzおよび300 GHzから10 THzの周波数での電磁波の研究は報告されていません。第二に、電磁波による病原性ウイルスの死滅機構は解明されておらず、球状ウイルスや棒状ウイルスのみが研究されている[2]。さらに、ウイルス粒子は小さく、無細胞で、容易に変異し、急速に拡散するため、ウイルスの不活化を防ぐことができます。病原性ウイルスを不活化するというハードルを克服するには、電磁波技術をさらに改善する必要があります。最後に、媒体中の水分子などの極性分子による放射エネルギーの大量吸収により、エネルギー損失が発生します。さらに、SRET の有効性は、ウイルスのいくつかの未確認メカニズムによって影響を受ける可能性があります [28]。 SRET 効果は、環境に適応するようにウイルスを改変し、電磁波に対する耐性をもたらすこともあります [29]。
今後、電磁波を利用したウイルス不活化技術の更なる向上が必要である。基礎科学研究は、電磁波によるウイルス不活化のメカニズムの解明を目指すべきである。例えば、電磁波照射によりウイルスのエネルギーが利用される仕組み、病原性ウイルスを死滅させる非熱作用の詳細な機構、電磁波と各種ウイルス間のSRET効果の仕組みなどを体系的に解明する必要がある。応用研究では、極性分子による放射線エネルギーの過度の吸収を防ぐ方法、さまざまな病原性ウイルスに対するさまざまな周波数の電磁波の影響の研究、病原性ウイルスの破壊における電磁波の非熱的影響の研究に焦点を当てる必要があります。
電磁波は病原性ウイルスを不活化するための有望な方法となっています。電磁波技術には、低汚染、低コスト、病原体ウイルスの不活化効率が高いという利点があり、従来のウイルス対策技術の限界を克服できます。ただし、電磁波技術のパラメーターを決定し、ウイルス不活化のメカニズムを解明するには、さらなる研究が必要です。
一定量の電磁波放射は、多くの病原性ウイルスの構造と活動を破壊する可能性があります。ウイルス不活化の効率は、周波数、出力密度、および曝露時間と密接に関係しています。さらに、潜在的なメカニズムには、エネルギー移動の熱、非熱、および構造共鳴効果が含まれます。従来の抗ウイルス技術と比較して、電磁波ベースのウイルス不活化には、シンプル、高効率、低汚染という利点があります。したがって、電磁波を介したウイルス不活化は、将来の応用において有望な抗ウイルス技術となっている。
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