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病原性ウイルス感染は、世界中で大きな公衆衛生問題となっています。ウイルスはあらゆる細胞生物に感染し、さまざまな程度の傷害や損傷を引き起こし、病気や死に至ることもあります。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はありますが、限界もあります。高い浸透力、物理的共鳴、汚染がないという特徴を持つ電磁波は、病原性ウイルスの不活化のための潜在的な戦略となり、ますます注目を集めています。本稿では、電磁波が病原性ウイルスに与える影響とそのメカニズムに関する最近の論文の概要、病原性ウイルスの不活化における電磁波利用の展望、そして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解説します。
多くのウイルスは急速に蔓延し、長期間にわたって持続し、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排除には、予防、防御、発生源の除去が含まれます。病原性ウイルスを生理的に破壊し、感染性、病原性、および繁殖能力を低下させることで不活化することは、病原性ウイルスの効果的な排除方法です。高温、化学薬品、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。しかし、これらの方法には依然としていくつかの限界があります。そのため、病原性ウイルスの不活化のための革新的な戦略の開発が依然として急務となっています。
電磁波の放射は、高い透過力、迅速かつ均一な加熱、微生物との共鳴、プラズマ放出などの利点を有しており、病原性ウイルスの不活化に実用的な方法となることが期待されています[1,2,3]。電磁波による病原性ウイルスの不活化能力は、前世紀に実証されています[4]。近年、病原性ウイルスの不活化における電磁波の利用はますます注目を集めています。本稿では、電磁波が病原性ウイルスに及ぼす影響とそのメカニズムについて考察し、基礎研究および応用研究の有用な指針となることを期待します。
ウイルスの形態学的特徴は、生存性や感染性といった機能を反映する可能性がある。電磁波、特に極超短波（UHF）および極超短波（EHF）の電磁波は、ウイルスの形態を破壊できることが実証されている。
バクテリオファージMS2（MS2）は、消毒評価、運動モデル（水性）、ウイルス分子の生物学的特性評価など、さまざまな研究分野でよく使用されます[5, 6]。Wuは、2450MHzおよび700Wのマイクロ波が、1分間の直接照射後にMS2水性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]。さらに調査した後、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95GHz、電力密度70〜100W / cm2のミリ波に0.1秒間曝露しました。ウイルスの粗い球殻に大きな穴が見つかり、その内容物が失われます。電磁波への曝露はウイルスの形態を破壊する可能性があります。しかし、電磁波照射によるウイルスへの曝露後、形状、直径、表面平滑性といった形態学的特性がどのように変化するかは不明である。したがって、形態学的特徴と機能障害の関係を解析することが重要であり、これはウイルス不活化を評価するための有用かつ便利な指標となり得る[1]。
ウイルスの構造は通常、内部の核酸（RNAまたはDNA）と外部のカプシドから構成されます。核酸はウイルスの遺伝的特性と複製特性を決定します。カプシドは規則的に配列し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骨格と抗原成分であり、核酸を保護する役割も担っています。ほとんどのウイルスは、脂質と糖タンパク質からなるエンベロープ構造を有しています。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。この完全な構造によって、ウイルスの完全性と遺伝的安定性が確保されます。
研究により、電磁波、特にUHF電磁波は病原性ウイルスのRNAに損傷を与える可能性があることが示されています。Wu [1]は、MS2ウイルスの水性環境を2450MHzのマイクロ波に2分間直接さらし、ゲル電気泳動と逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）によって、タンパク質A、カプシドタンパク質、レプリカーゼタンパク質、および切断タンパク質をコードする遺伝子を分析しました。これらの遺伝子は、電力密度の増加に伴って徐々に破壊され、最高電力密度でも消失しました。たとえば、タンパク質A遺伝子（934bp）の発現は、119Wと385Wの電磁波に曝露された後に大幅に減少し、電力密度が700Wに増加すると完全に消失しました。これらのデータは、電磁波が線量に応じてウイルスの核酸の構造を破壊できることを示しています。
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への間接的な熱影響と、核酸の破壊によるタンパク質合成への間接的な影響に基づくことが示されています [1, 3, 8, 9]。ただし、無熱効果はウイルスタンパク質の極性や構造を変えることもできます [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、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、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、純粋に電磁効果によるホットスポットと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、感染力や疾患発症能力と密接に関連しています。いくつかの研究では、UHF帯およびマイクロ波帯の電磁波が病原性ウイルスの殻を破壊できることが報告されています。前述のように、コロナウイルス229Eのウイルスエンベロープには、70～100 W/cm2の電力密度で95GHzミリ波を0.1秒間照射すると、明確な穴が開くことが確認されています[8]。電磁波の共鳴エネルギー伝達効果は、ウイルスエンベロープの構造を破壊するのに十分なストレスを引き起こす可能性があります。エンベロープウイルスの場合、エンベロープが破裂すると、感染性または何らかの活性は通常、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8.35GHz、320W/m²、7GHz、308W/m²のマイクロ波に15分間曝露した。電磁波曝露された病原性ウイルスと、液体窒素中で数サイクル凍結・即時解凍した断片化モデルのRNA信号を比較するために、RT-PCRを実施した。その結果、2つのモデルのRNA信号は非常に一致していることが示された。これらの結果は、マイクロ波曝露後、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唆している。
ウイルスの活性は、感染、複製、転写能力によって特徴付けられます。ウイルスの感染性または活性は、通常、プラークアッセイ、組織培養による平均感染量（TCID50）、またはルシフェラーゼレポーター遺伝子活性を用いたウイルス力価の測定によって評価されます。また、生ウイルスを分離したり、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したりすることで直接評価することもできます。
UHF、SHF、EHFの電磁波は、ウイルスエアロゾルや水系ウイルスを直接不活化できることが報告されている。Wu [1]は、実験室用ネブライザーで生成されたMS2バクテリオファージエアロゾルを、周波数2450MHz、出力700Wの電磁波に1.7分間さらしたところ、MS2バクテリオファージの生存率はわずか8.66%だった。MS2ウイルスエアロゾルと同様に、同じ量の電磁波にさらしてから1.5分以内に、水性MS2の91.3%が不活化された。さらに、電磁放射がMS2ウイルスを不活化する能力は、電力密度および曝露時間と正の相関関係にあった。しかし、不活化効率が最大値に達すると、曝露時間の増加や電力密度の増加によって不活化効率を向上させることはできない。例えば、MS2ウイルスは2450MHzおよび700Wの電磁波に曝露された後、最小生存率が2.65%～4.37%であり、曝露時間の増加による有意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2450MHz、出力360Wの電磁波を照射しました。彼らは、曝露後3分後に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、電磁波照射がHCVおよびHIV-1の感染性に対して有効であり、一緒に曝露した場合でもウイルスの伝染を防ぐのに役立つことを示しています。HCV細胞培養およびHIV-1懸濁液に周波数2450MHz、90Wまたは180Wの低出力電磁波を照射した場合、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に変化はなく、ウイルスの感染性に有意な変化が観察されました。 600 Wと800 Wで1分間加熱したところ、両ウイルスの感染力は大きく低下しなかったが、これは電磁波の照射強度と臨界温度暴露時間に関係していると考えられる。
カチマルチク氏[8]は2021年に、水系病原ウイルスに対する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95GHz、電力密度70～100W/cm2の電磁波に2秒間照射しました。2つの病原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分野において幅広い応用の可能性を秘めていることを示しています。
UHFによるウイルス不活化の有効性は、母乳や家庭で一般的に使用される物質など、様々な媒体において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）、ライノウイルス（RHV）に汚染された麻酔マスクを、周波数2450MHz、出力720ワットの電磁波に曝露しました。その結果、ADVおよびPV-1抗原の検査結果は陰性となり、HV-1、PIV-3、RHVの力価はゼロに低下し、曝露4分後にはすべてのウイルスが完全に不活化されたことが報告されました[15, 16]。 Elhafi [17]は、鳥伝染性気管支炎ウイルス（IBV）、鳥ニューモウイルス（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）に感染したスワブを2450MHz、900Wの電子レンジに直接照射した。これらのウイルスは感染力を失い、その中でAPVとIBVは第5世代のニワトリ胚から採取した気管臓器の培養物でも追加で検出された。ウイルスを分離することはできなかったが、ウイルス核酸はRT-PCRで検出された。Ben-Shoshan [18]は、サイトメガロウイルス（CMV）陽性母乳サンプル15個に30秒間、2450MHz、750Wの電磁波を直接照射した。Shell-Vialによる抗原検出で、CMVが完全に不活化したことが確認された。しかし、500 W では 15 個のサンプルのうち 2 個は完全な不活化を達成しませんでした。これは、不活化効率と電磁波のパワーの間に正の相関関係があることを示しています。
ヤン[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間の共鳴周波数を予測したことも注目に値する。ウイルス感受性マディン・ダービー犬腎臓細胞（MDCK）によって生成された、密度7.5×1014 m-3のH3N2ウイルス粒子懸濁液を、周波数8GHz、出力820W/m²の電磁波に15分間直接曝露した。H3N2ウイルスの不活化率は100%に達した。しかし、理論上の閾値である82W/m²では、H3N2ウイルスの不活化率はわずか38%であった。これは、電磁波によるウイルス不活化の効率が出力密度と密接に関連していることを示唆している。この研究に基づき、Barbora [14]は電磁波とSARS-CoV-2の共鳴周波数範囲（8.5～20GHz）を計算し、7.5×1014m-3のSARS-CoV-2を電磁波に曝露した場合、周波数10～17GHz、電力密度14.5±1W/m2の電磁波に約15分間曝露すると、100%の不活性化が得られると結論付けました。Wang [19]による最近の研究では、SARS-CoV-2の共鳴周波数は4GHzと7.5GHzであることが示され、ウイルスの力価とは無関係に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、そして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。不活化の効果は、電磁波の周波数と出力、そしてウイルスの増殖に使用された媒体と密接に関連していることがわかりました。さらに、物理的な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、電磁波が病原性ウイルスの活動に及ぼす影響は、主に感染力の変化に焦点を当ててきました。その複雑なメカニズムのため、いくつかの研究では、電磁波が病原性ウイルスの複製と転写に及ぼす影響が報告されています。
電磁波がウイルスを不活性化するメカニズムは、ウイルスの種類、電磁波の周波数と出力、そしてウイルスの生育環境に密接に関連していますが、未だにほとんど解明されていません。近年の研究は、熱、無熱、そして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、電磁波の影響下にある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許容閾値以上に上昇させ、ウイルスを死滅させることができます。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、ウイルスへの直接的な熱効果はまれです[1]。それどころか、媒体や環境には水分子など、電磁波によって励起された交流電場に応じて運動し、摩擦によって熱を生成する極性分子がはるかに多く存在します。そして、その熱がウイルスに伝達され、ウイルスの温度が上昇します。許容閾値を超えると、核酸とタンパク質が破壊され、最終的に感染性が低下し、ウイルスは不活性化されます。
いくつかの研究グループが、電磁波が熱曝露によってウイルスの感染力を低下させる可能性があることを報告している[1, 3, 8]。Kaczmarczyk[8]は、コロナウイルス229Eの懸濁液を、周波数95GHz、電力密度70～100W/cm²の電磁波に0.2～0.7秒間曝露した。その結果、このプロセス中の100℃の温度上昇がウイルスの形態を破壊し、ウイルスの活性を低下させたことが示された。これらの熱効果は、電磁波が周囲の水分子に作用することで説明できる。シッダールタ[3]は、GT1a、GT2a、GT3a、GT4a、GT5a、GT6a、GT7aなどの異なる遺伝子のHCVを含む細胞培養懸濁液に、周波数2450MHz、出力90Wおよび180W、360W、600W、800Wの電磁波を照射しました。細胞培養培地の温度が26℃から92℃に上昇すると、電磁波によってウイルスの感染力が低下したり、完全に不活化したりしました。しかし、HCVは、低出力（90または180W、3分）または高出力（600または800W、1分）で短時間電磁波に曝露されましたが、温度の有意な上昇は見られず、ウイルスの感染力や活性にも有意な変化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性または活性に影響を与える重要な要因であることを示しています。さらに、多くの研究で、電磁波の熱効果はUV-Cや従来の加熱よりも病原性ウイルスをより効果的に不活化することが示されています[8, 20, 21, 22, 23, 24]。
電磁波は熱効果に加え、微生物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、生存率の低下や死に至ることもあります[10]。電磁波の極性の急激な変化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につながると考えられています[11]。
電磁波のウイルス不活化に対する非熱的効果については依然として議論の余地があるものの、ほとんどの研究で肯定的な結果が示されている[1, 25]。前述のように、電磁波はMS2ウイルスのエンベロープタンパク質に直接浸透し、ウイルスの核酸を破壊することができる。さらに、MS2ウイルスのエアロゾルは、水溶性MS2よりも電磁波に対してはるかに敏感である。MS2ウイルスのエアロゾルを取り囲む環境には、水分子などの極性の低い分子が存在するため、無熱効果が電磁波によるウイルス不活化において重要な役割を果たす可能性がある[1]。
共鳴現象とは、物理システムがその固有周波数と波長において、環境からより多くのエネルギーを吸収する傾向のことです。共鳴は自然界の多くの場所で発生します。ウイルスは限ら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おり、これは共鳴現象です [2、13、26]。電磁波とウイルス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鎖音響振動 (CAV) への効率的な構造共鳴エネルギー移動 (SRET) の効果は、反対のコアカプシド振動によるウイルス膜の破裂につながる可能性があります。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 によってそれぞれ共鳴周波数とエネルギー吸収が決まります [2、13、19]。
電磁波の物理的な共鳴効果は、ウイルスタンパク質に埋め込まれた二重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6GHz、電力密度486W/m²の電磁波によるH3N2の不活化は、主に共鳴効果による殻の物理的な破裂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分の曝露後わずか7℃上昇しましたが、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]。同様の現象は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]。このように、H3N2ウイルスの不活化は熱暴露ではなく物理的な共鳴によって促進された[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低い線量パラメータが必要です[2, 13]。共鳴周波数と電力線量は、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を効果的に不活化の対象とすることができます。高い浸透率、電離放射線の不在、そして優れた安全性により、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す[14, 26]。
液相および様々な媒体表面でのウイルス不活化の実施に基づき、電磁波はウイルスエアロゾルを効果的に処理することができ[1、26]、これは画期的なものであり、ウイルスの伝染を制御し、社会におけるウイルスの伝染を防ぐために非常に重要です。流行。さらに、この分野では電磁波の物理的共鳴特性の発見が非常に重要です。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とすることができます。これは、従来のウイルス不活化方法[13、14、26]では達成できません。ウイルスの電磁不活化は、研究と応用の価値と可能性が大きく、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簡単、効果的、実用的な環境保護という特徴を持っている[2、13]。しかし、多くの問題が残っている。第一に、現代の知識は電磁波の物理的特性に限られており、電磁波放射時のエネルギー利用のメカニズムは明らかにされていない[10、27]。ミリ波を含むマイクロ波は、ウイルス不活化とそのメカニズムの研究に広く使用されているが、他の周波数、特に100 kHz〜300 MHzおよび300 GHz〜10 THzの周波数での電磁波の研究は報告されていない。第二に、電磁波による病原性ウイルスの殺傷メカニズムは解明されておらず、球形および桿状の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、細胞を持たず、変異しやすく、急速に拡散するため、ウイルスの不活化を妨げる可能性がある。病原性ウイルスの不活化というハードルを乗り越えるには、電磁波技術の改良が依然として必要です。最後に、水分子などの媒体中の極性分子による放射エネルギーの吸収率が高いため、エネルギー損失が生じます。さらに、SRETの有効性は、ウイルスに存在するいくつかの未知の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、ウイルスを環境に適応させるために改変し、電磁波に対する耐性を獲得させる可能性もあります[29]。
今後、電磁波を用いたウイルス不活化技術のさらなる向上が求められています。基礎科学研究では、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す。例えば、ウイルスが電磁波に曝露された際にエネルギーを利用するメカニズム、病原性ウイルスを死滅させる非熱作用の詳細なメカニズム、電磁波と様々な種類のウイルスとの間のSRET効果のメカニズムなどを体系的に解明する必要があります。応用研究では、極性分子による放射エネルギーの過剰な吸収を防ぐ方法、異なる周波数の電磁波が様々な病原性ウイルスに与える影響の研究、病原性ウイルスの破壊における電磁波の非熱効果の研究に焦点を当てるべきです。
電磁波は病原性ウイルスの不活化に有望な手段となっている。電磁波技術は、低汚染、低コスト、そして病原性ウイルスの不活化効率の高さといった利点を有しており、従来のウイルス対策技術の限界を克服することができる。しかしながら、電磁波技術のパラメータを決定し、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ある。
一定量の電磁波照射は、多くの病原性ウイルスの構造と活性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、電力密度、および照射時間と密接に関連しています。さらに、潜在的なメカニズムとしては、エネルギー伝達における熱的、無熱的、および構造的共鳴効果などが挙げられます。従来の抗ウイルス技術と比較して、電磁波によるウイルス不活化は、簡便性、高効率、低汚染性などの利点があります。そのため、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ます。
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投稿日時: 2022年10月21日
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