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効果：Journal of Virologyのレビュー

病原性ウイルス感染症は、世界中で主要な公衆衛生問題になっています。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、病気や死に至る可能性があります。重度の急性呼吸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有病率により、病原性ウイルスを不活性化するための効果的で安全な方法を開発する緊急の必要性があります。病原性ウイルスを不活性化するための従来の方法は実用的ですが、いくつかの制限があります。高浸透力、物理的共鳴、汚染のない特性により、電磁波は病原性ウイルスの不活性化の潜在的な戦略となり、注目を集めています。この記事では、病原性ウイルスとそのメカニズムに対する電磁波の影響に関する最近の出版物の概要、および病原性ウイルスの不活性化のための電磁波の使用、およびそのような不活性化のための新しいアイデアと方法についての概要を説明します。
多くのウイルスは急速に広がり、長い間持続し、非常に病原性があり、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、テスト、根絶、治療は、ウイルスの拡散を止め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、供給源が含まれます。感染性、病原性、生殖能力を低下させる生理学的破壊による病原性ウイルスの不活性化は、それらの排除の効果的な方法です。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性化する可能性があります。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、病原性ウイルスの不活性化のための革新的な戦略を開発する緊急の必要性がまだあります。
電磁波の放射は、高浸透力、迅速で均一な加熱、微生物との共鳴、血漿放出の共鳴の利点があり、病原性ウイルスを不活性化するための実用的な方法になると予想されます[1,2,3]。電磁波が病原性ウイルスを不活性化する能力が、前世紀に実証されました[4]。近年、病原性ウイルスの不活性化のために電磁波を使用することは、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効果とそのメカニズムについて説明します。これは、基本的な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性は、生存や感染性などの機能を反映できます。電磁波、特に超高周波（UHF）および超高周波（EHF）電磁波が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、運動モデリング（水）、ウイルス分子の生物学的特性化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と700 Wのマイクロ波が、1分間の直接照射の後に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]コロナウイルス229E（COV-229E）のサンプルのサンプルの懸濁液を露出して、周波数95 GHz、電力密度は70〜100 w/cm2で0.1秒のミリ波に露出しました。大きな穴は、ウイルスの粗い球状シェルにあり、その内容物の損失につながります。電磁波への曝露は、ウイルス形態を破壊する可能性があります。ただし、電磁放射を伴うウイルスへの曝露後の形状、直径、表面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、形態学的特徴と機能障害の関係を分析することが重要です。これは、ウイルスの不活性化を評価するための貴重で便利な指標を提供できます[1]。
ウイルス構造は通常、内部核酸（RNAまたはDNA）と外部カプシドで構成されています。核酸は、ウイルスの遺伝的および複製特性を決定します。カプシドは、定期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と抗原成分であり、核酸を保護します。ほとんどのウイルスには、脂質と糖タンパク質で構成されるエンベロープ構造があります。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。
研究では、電磁波、特にUHF電磁波が疾患原因となるウイルスのRNAを損傷す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2分間2450 MHzマイクロ波に直接曝露し、ゲル電気泳動および逆転写ポリメラーゼ鎖反応により、タンパク質A、カプシドタンパク質、レプリカゼタンパク質、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。 RT-PCR）。これらの遺伝子は、電力密度の増加とともに徐々に破壊され、最高の出力密度で消失しました。たとえば、タンパク質A遺伝子（934 bp）の発現は、119および385 Wの電力で電磁波への曝露後に有意に減少し、電力密度が700 Wに増加すると完全に消滅しました。これらのデータは、電磁波が用量に応じて、ウイルスの核酸構造を破壊す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効果は、主にメディエーターに対する間接的な熱効果と、核酸の破壊によるタンパク質合成に対する間接的な効果に基づいていることが示されています[1、3、8、9]。ただし、アテーマック効果は、ウイルスタンパク質の極性または構造も変化させる可能性があります[1、10、11]。カプシドタンパク質、エンベロープタンパク質、または病原性ウイルスの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効果には、さらなる研究が必要です。最近、700 Wの出力を持つ2.45 GHzの周波数で2分間の電磁放射が、純粋に電磁効果を介して熱スポットと振動電界の形成を介して、タンパク質電荷の異なる画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、病気に感染または原因となる能力と密接に関連しています。いくつかの研究では、UHFおよびマイクロ波電磁波が疾患を引き起こすウイルスの殻を破壊する可能性があることが報告されています。上記のように、70〜100 w/cm2の電力密度で95 GHzミリメートル波に0.1秒の曝露後、コロナウイルス229Eのウイルスエンベロープで異なる穴を検出できます[8]。電磁波の共振エネルギー移動の効果は、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。包囲されたウイルスの場合、エンベロープの破裂後、感染性または一部の活動は通常減少するか、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/m²および7 GHz、308 w/m²でマイクロ波に15分間曝露しました。電磁波と断片化されたモデルにさらされた病原性ウイルスのRNAシグナルを凍結し、すぐに液体窒素で数回のサイクルで解凍したことを比較するために、RT-PCRが実行されました。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、ウイルスの物理的構造が破壊され、マイクロ波放射にさらされた後に封筒構造が破壊されることを示しています。
ウイルスの活動は、感染し、複製し、転写する能力によって特徴付けられます。ウイルス感染または活性は通常、プラークアッセイ、組織培養中央値感染性線量（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り評価されます。しかし、生きているウイルスを分離するか、ウイルス抗原、ウイルス粒子密度、ウイルスの生存などを分析することにより、直接評価することもできます。
UHF、SHF、およびEHFの電磁波は、ウイルスエアロゾルまたは水媒介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、2450 MHzの周波数と1.7分間の700 Wの出力で、実験室噴霧剤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電磁波に露出させ、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、同じ用量の電磁波にさらされてから1.5分以内に水性MS2の91.3％が不活性化されました。さらに、MS2ウイルスを不活性化する電磁放射の能力は、電力密度と暴露時間と正の相関がありました。ただし、非アクティブ化効率が最大値に達すると、暴露時間を増やしたり、電力密度を増加させたりすることで、非アクティブ化効率を改善することはできません。たとえば、MS2ウイルスは、2450 MHzおよび700 Wの電磁波への曝露後、2.65％から4.37％の生存率が最小限であり、暴露時間の増加には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（HIV-1）を含む細胞培養懸濁液を照射し、2450 MHzの頻度で電磁波と360 Wの出力を照らしました。一緒に暴露した場合でもウイルス。 2450 MHz、90 Wまたは180 Wの頻度の低電力電磁波を備えたHCV細胞培養とHIV-1懸濁液を照射する場合、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の変化はなく、ウイルス感染の有意な変化が観察されました。 600 wと800 Wで1分間、両方のウイルスの感染性は有意に減少しませんでした。これは、電磁波放射の力と臨界温度曝露の時間に関連していると考えられています。
Kaczmarczyk [8]は、2021年に水媒介性病原性ウイルスに対するEHF電磁波の致死性を最初に示しました。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95 GHzの頻度で電磁波（PV）に露出し、70から100 w/CM2の電磁波に露出しました。 2つの病原性ウイルスの不活性効率は、それぞれ99.98％と99.375％でした。これは、EHF電磁波がウイルスの不活性化の分野で幅広いアプリケーションの見通しを持っていることを示しています。
ウイルスのUHF不活性化の有効性は、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（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2450 MHzの頻度で電磁放射と720ワットの電力で露出させました。彼らは、ADVおよびPV-1抗原のテストが陰性になり、HV-1、PIV-3、およびRHV力価がゼロに低下し、4分間の暴露後のすべてのウイルスの完全な不活性化を示すことを報告しました[15、16]。 Elhafi [17]は、鳥類の感染性気管支炎ウイルス（IBV）、鳥類肺炎（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2450 MHz、900 W Wavevave ovenに感染したスワブを直接暴露しました。感染性を失います。その中で、APVとIBVは、第5世代のニワトリ胚から得られた気管臓器の培養でさらに検出されました。ウイルスは分離することはできませんでしたが、ウイルス核酸は依然としてRT-PCRによって検出されました。 Ben-Shoshan [18]は、2450 MHz、750 W電磁波を15のサイトメガロウイルス（CMV）陽性母乳サンプルに30秒間直接露出させました。シェルバイアルによる抗原検出により、CMVの完全な不活性化が示されました。ただし、500 Wでは、15のサンプルのうち2つは完全な不活性化を実現しませんでした。これは、不活性化効率と電磁波の力との正の相関を示しています。
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振周波数を予測したことも注目に値します。密度7.5×1014 M-3のH3N2ウイルス粒子の懸濁液は、ウイルスに敏感なマディンダービー犬腎臓細胞（MDCK）によって生成され、8 GHzの周波数と820 w/m²の出力で15分間電磁波に直接さらされました。 H3N2ウイルスの不活性化のレベルは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％のみが不活性であり、EMを介したウイルスの不活性化の効率が電力密度に密接に関連していることを示唆しています。この研究に基づいて、Barbora [14]は、電磁波とSARS-COV-2の間の共振周波数範囲（8.5〜20 GHz）を計算し、電磁波にさらされたSARS-COV-2の7.5×1014 M-3が、10-17 GHzの周波数と14.5±1 w/m2の電力密度の波の波を計算しました。 Wang [19]の最近の研究では、SARS-Cov-2の共振周波数は4 GHzおよび7.5 GHzであり、ウイルス力価に関係なく共振周波数の存在を確認していることが示されました。
結論として、電磁波はエアロゾルや懸濁液、ならびに表面上のウイルスの活性に影響を与える可能性があると言えます。不活性化の有効性は、電磁波の頻度とパワー、およびウイルスの成長に使用される媒体に密接に関連していることがわかった。さらに、物理的共鳴に基づく電磁頻度は、ウイルスの不活性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性に対する電磁波の効果は、主に感染性の変化に焦点を合わせてきました。複雑なメカニズムのため、いくつかの研究が、病原性ウイルスの複製と転写に対する電磁波の効果を報告しています。
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、電磁波の頻度とパワー、およびウイルスの成長環境と密接に関連していますが、ほとんど未踏のままです。最近の研究では、熱、攻撃、および構造の共鳴エネルギー移動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、電磁波は生理学的耐性の閾値を超えてウイルスの温度を上げることができ、ウイルスの死を引き起こす可能性があります。しかし、ウイルスにはほとんど極性分子が含まれていないため、ウイルスに対する直接的な熱効果がまれであることを示唆しています[1]。それどころか、水分子や環境には、電磁波に励起され、摩擦によって熱を生成する交互の電界に従って移動する水分子など、より多くの極性分子があります。その後、熱はウイルスに移動して温度を上げます。耐性のしきい値を超えると、核酸とタンパク質が破壊され、最終的に感染性が低下し、ウイルスを不活性化します。
いくつかのグループは、電磁波が熱曝露を通じてウイルスの感染性を低下させることができると報告しています[1、3、8]。 Kaczmarczyk [8]コロナウイルス229Eの懸濁液を、0.2-0.7秒間、70〜100 W/cm²の出力密度で95 GHzの周波数で電磁波に曝露しました。結果は、このプロセス中の100°Cの温度上昇がウイルスの形態の破壊とウイルス活動の低下に寄与したことを示しました。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含有細胞培養懸濁液を照射しました。 26°Cから92°Cで、電磁放射はウイルスの感染性を低下させるか、ウイルスを完全に不活性化しました。しかし、HCVは低電力（90または180 W、3分）または高出力（600または800 W、1分）で短時間電磁波にさらされましたが、温度の有意な上昇はなく、ウイルスの大幅な変化は感染性または活性が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、多くの研究により、電磁放射の熱効果は、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示されています[8、20、21、22、23、24]。
熱効果に加えて、電磁波は微生物タンパク質や核酸などの分子の極性を変化させ、分子を回転および振動させ、生存率や死の低下を引き起こす可能性があります[10]。電磁波の極性の迅速な切り替えは、タンパク質偏光を引き起こすと考えられており、タンパク質構造のねじれと曲率、そして最終的にはタンパク質変性につながります[11]。
ウイルスの不活性化に対する電磁波の非熱効果は議論の余地のあるままですが、ほとんどの研究では肯定的な結果が示されています[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に直接浸透し、ウイルスの核酸を破壊することができます。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。水分子などの極性分子が少ないため、MS2ウイルスエアロゾルを取り巻く環境では、アタミック効果が電磁波媒介ウイルスの不活性化において重要な役割を果たす可能性があります[1]。
共鳴の現象とは、物理的なシステムが、その固有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ある共鳴現象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振モードは、ますます注目を集めています。電磁波からウイルスの閉じた音響振動（CAV）への効率的な構造共鳴エネルギー移動（SRET）の効果は、コアキャプシド振動に対向するため、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、ウイルス粒子のサイズとpHがそれぞれ共振周波数とエネルギー吸収を決定する環境の性質に関連しています[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層膜に囲まれた包まれたウイルスの不活性化に重要な役割を果たします。研究者たちは、6 GHzの周波数と486 w/m²の電力密度を持つ電磁波によるH3N2の非活性化は、共鳴効果によるシェルの物理的破裂によって主に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分間の暴露後にわずか7°C増加しましたが、熱加熱によるヒトH3N2ウイルスの不活性化のために、55°Cを超える温度が必要です[9]。 SARS-COV-2やH3N1などのウイルスで同様の現象が観察されています[13、14]。さらに、電磁波によるウイルスの不活性化は、ウイルスRNAゲノムの分解につながりません[1,13,14]。したがって、H3N2ウイルスの不活性化は、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性化には、電気電子技術者研究所（IEEE）によって確立されたマイクロ波安全基準を下回る低用量パラメーターが必要です[2、13]。共振周波数と電力用量は、粒子のサイズや弾力性などのウイルスの物理的特性に依存し、共振周波数内のすべてのウイルスは、不活性化を効果的に標的とすることができます。浸透率が高いため、イオン化放射線の欠如、および良好な安全性により、CPETのアターマシック効果によって媒介されるウイルスの不活性化は、病原性ウイルスによって引き起こされるヒト悪性疾患の治療に有望です[14、26]。
液相およびさまざまな培地の表面でのウイルスの不活性化の実装に基づいて、電磁波はブレークスルーであり、ウイルスの伝達を制御し、社会におけるウイルスの伝播を防ぐために非常に重要なウイルスエアロゾルに効果的に対処できます。伝染病。さらに、電磁波の物理的共鳴特性の発見は、この分野で非常に重要です。特定のビリオンと電磁波の共振周波数がわかっている限り、創傷の共振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。これは、従来のウイルスの不活性化方法では達成できません[13,14,26]。ウイルスの電磁不活性化は、優れた研究と適用価値と可能性を備えた有望な研究です。
従来のウイルス殺害技術と比較して、電磁波は、そのユニークな物理的特性のためにウイルスを殺す際の単純で効果的な実用的な環境保護の特性を持っています[2、13]。ただし、多くの問題が残っています。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、電磁波の放出中のエネルギー利用のメカニズムは明らかにされていません[10、27]。ミリメートル波を含むマイクロ波は、ウイルスの不活性化とそのメカニズムの研究に広く使用されていますが、特に100 kHzから300 MHz、300 GHz〜10 Zの周波数での他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を殺すメカニズムは解明されておらず、球形および棒状のウイルスのみが研究されています[2]。さらに、ウイルス粒子は小さく、細胞がなく、容易に変異し、迅速に広がり、ウイルスの不活性化を防ぐことができます。電磁波技術は、不活性化病原性ウイルスのハードルを克服するために改善する必要があります。最後に、水分子などの培地内の極地分子による放射エネルギーの高い吸収は、エネルギー損失をもたらします。さらに、SRETの有効性は、ウイルスのいくつかの正体不明のメカニズムの影響を受ける可能性があります[28]。 SRET効果は、ウイルスを変更してその環境に適応することもでき、電磁波に対する耐性をもたらします[29]。
将来、電磁波を使用したウイルスの不活性化の技術をさらに改善する必要があります。基本的な科学的研究は、電磁波によるウイルスの不活性化のメカニズムを解明することを目的とするべきです。たとえば、電磁波にさらされたときにウイルスのエネルギーを使用するメカニズム、病原性ウイルスを殺す非熱作用の詳細なメカニズム、および電磁波とさまざまな種類のウイルスの間のSRET効果のメカニズムを体系的に解消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度の吸収を防ぎ、さまざまな病原性ウイルスに対する異なる周波数の電磁波の効果を研究する方法に焦点を当てる必要があり、病原性ウイルスの破壊における電磁波の非適時効果を研究する必要があります。
電磁波は、病原性ウイルスの不活性化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、高病原体ウイルスの不活性効率の利点があり、従来のウイルス剤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、ウイルスの不活性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。
電磁波放射の一定の用量は、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。ウイルスの不活性化の効率は、頻度、電力密度、および暴露時間に密接に関連しています。さらに、潜在的なメカニズムには、エネルギー移動の熱、アザーマル、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の不活性化は、シンプルさ、高効率、低汚染の利点があります。したがって、電磁波を介したウイルスの不活性化は、将来の用途にとって有望な抗ウイルス技術となっています。
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