Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf pathogene Viren und relevante Mechanismen: eine Übersicht

Virology Journal Band 19, Artikelnummer: 161 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Pathogene Virusinfektionen sind weltweit zu einem ernsten Problem der öffentlichen Gesundheit geworden. Viren können alle zellbasierten Organismen infizieren und unterschiedliche Verletzungen und Schäden verursachen, die zu Krankheiten oder sogar zum Tod führen können. Angesichts der Verbreitung hochpathogener Viren wie des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) ist es dringend erforderlich, effiziente und sichere Ansätze zur Inaktivierung pathogener Viren zu entwickeln. Herkömmliche Methoden zur Inaktivierung pathogener Viren sind praktisch, weisen jedoch einige Einschränkungen auf. Elektromagnetische Wellen mit hoher Durchdringungskapazität, physikalischer Resonanz und Nichtkontamination haben sich als potenzielle Strategie zur Inaktivierung pathogener Viren herausgestellt und erregen zunehmende Aufmerksamkeit. In diesem Artikel werden die aktuelle Literatur zu den Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf pathogene Viren und ihre Mechanismen sowie vielversprechende Anwendungen elektromagnetischer Wellen zur Inaktivierung pathogener Viren untersucht, um neue Ideen und Methoden für diese Inaktivierung bereitzustellen.

Viele Viren verbreiten sich schnell, sind langlebig und hochgradig pathogen und haben das Potenzial, globale Pandemien und schwere Gefahren für die menschliche Gesundheit auszulösen. Vorbeugung, Erkennung, Inspektion, Beseitigung und Behandlung sind entscheidende Schritte, um die Ausbreitung des Virus zu verhindern. Die schnelle und wirksame Eliminierung pathogener Viren umfasst vorbeugende, schützende und ortsnahe Eliminierung. Die Inaktivierung pathogener Viren durch physiologische Zerstörung, um ihre infektiösen, pathogenen und reproduktiven Fähigkeiten zu reduzieren, ist ein wirkungsvoller Ansatz zu ihrer Eliminierung. Herkömmliche Methoden, einschließlich hoher Temperaturen, chemischer Wirkstoffe und ionisierender Strahlung, können pathogene Viren wirksam inaktivieren. Diese Methoden unterliegen jedoch weiterhin mehreren Einschränkungen. Daher besteht nach wie vor ein dringender Bedarf an der Entwicklung innovativer Strategien zur Inaktivierung pathogener Viren.

Elektromagnetische Wellenstrahlung hat aufgrund ihrer hohen Durchdringungsfähigkeit, schnellen und homogenen Erwärmung, Resonanz mit Mikroorganismen und Plasmafreisetzung das Potenzial, krankheitserregende Viren praktisch zu inaktivieren [1,2,3]. Die Fähigkeit elektromagnetischer Wellen, pathogene Viren zu inaktivieren, wurde im letzten Jahrhundert nachgewiesen [4]. In den letzten Jahren haben die Anwendungen elektromagnetischer Wellen zur Inaktivierung pathogener Viren zunehmend Aufmerksamkeit erregt. In diesem Artikel werden die Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf pathogene Viren und ihre Mechanismen untersucht, was sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die angewandte Forschung hilfreiche Leitlinien sein könnte.

Die morphologischen Eigenschaften von Viren können Funktionen wie Überleben und Infektionsfähigkeit widerspiegeln. Es wurde nachgewiesen, dass elektromagnetische Wellen die Morphologie von Viren stören können, insbesondere ultrahochfrequente (UHF) und extrem hochfrequente (EHF) elektromagnetische Wellen.

Der Bakteriophage MS2 (MS2) wird häufig in verschiedenen Forschungsbereichen eingesetzt, beispielsweise bei der Desinfektionsbewertung, der kinetischen Modellierung (wässrig) und der biologischen Charakterisierung viraler Moleküle [5, 6]. Wu fand heraus, dass Mikrowellen mit 2450 MHz und 700 W eine Aggregation und eine signifikante Schrumpfung wasserbasierter MS2-Phagen nach einer Minute direkter Bestrahlung verursachten [1]. Nach weiteren Untersuchungen wurde auch ein Aufbrechen der Oberfläche des MS2-Phagen beobachtet [7]. Kaczmarczyk [8] setzte eine Probensuspension des Coronavirus 229E (CoV-229E) 0,1 s lang einer 95-GHz-Millimeterwelle mit einer Leistungsdichte zwischen 70 und 100 W/cm2 aus. In der rauen Kugelhülle des Virus konnten große Löcher festgestellt werden, die zum Verlust ihres Inhalts führten. Die Exposition gegenüber elektromagnetischen Wellen kann die Morphologie des Virus zerstören. Allerdings sind die Veränderungen der morphologischen Eigenschaften wie Form, Durchmesser und Oberflächenglätte nach der Exposition eines Virus gegenüber elektromagnetischer Strahlung noch nicht vollständig verstanden. Daher ist es wichtig, den Zusammenhang zwischen der Störung morphologischer Merkmale und Funktionen zu analysieren, was einen wertvollen und praktischen Indikator für die Bewertung der Virusinaktivierung liefern könnte [1].

Die Virusstruktur besteht im Allgemeinen aus der inneren Nukleinsäure (RNA oder DNA) und dem äußeren Kapsid. Die Nukleinsäure bestimmt die genetischen und Replikationseigenschaften des Virus. Das Kapsid, die äußere Schicht aus regelmäßig angeordneten Proteinuntereinheiten, ist die Hauptgerüststruktur und eine antigene Komponente des Viruspartikels und schützt die Nukleinsäuren. Die meisten Viren haben eine äußere Hüllenstruktur, die aus Lipiden und Glykoproteinen besteht. Darüber hinaus bestimmen Hüllproteine ​​die Rezeptorspezifität und fungieren als primäre Antigene, die das Immunsystem des Wirts erkennen kann. Eine intakte Struktur gewährleistet die Integrität und genetische Stabilität des Virus.

Studien haben gezeigt, dass elektromagnetische Wellen, insbesondere elektromagnetische UHF-Wellen, die RNA pathogener Viren zerstören können. Wu [1] setzte das durch Wasser übertragene MS2-Virus 2 Minuten lang direkt 2450-MHz-Mikrowellen aus und die kodierenden Gene von A-Protein, Kapsidprotein, Replikaseprotein und Lyseprotein wurden durch Gelelektrophorese und Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion analysiert ( RT‒PCR). Diese Gene wurden mit zunehmender Leistungsdichte nach und nach zerstört und verschwanden sogar bei der höchsten Leistungsdichte. Beispielsweise war die Expression des A-Protein-Gens (934 bp) nach der Exposition gegenüber elektromagnetischen Wellen von 119 und 385 W offensichtlich verringert, und die Expression wurde vollständig aufgehoben, als die Leistungsdichte auf 700 W eingestellt wurde. Diese Daten legen nahe, dass elektromagnetische Wellen dies können dosisabhängig die Nukleinsäurestruktur eines Virus schädigen.

Jüngste Studien legen nahe, dass die Wirkung elektromagnetischer Wellen auf pathogene virale Proteine ​​hauptsächlich auf ihren indirekten thermischen Auswirkungen auf das Medium und ihrem indirekten Einfluss auf die Proteinsynthese durch Zerstörung von Nukleinsäuren beruht [1, 3, 8, 9]. Nicht-thermische Effekte könnten jedoch auch die Polarität oder Struktur viraler Proteine ​​verändern [1, 10, 11]. Der direkte Einfluss elektromagnetischer Wellen auf wesentliche strukturelle/nichtstrukturelle Proteine, wie Kapsidproteine, Hüllproteine ​​oder Spike-Proteine ​​pathogener Viren, muss noch weiter untersucht werden. Kürzlich wurde vorgeschlagen, dass 2 Minuten elektromagnetischer Strahlung mit 2,45 GHz und 700 W das SARS-CoV-2-Spike-Protein, das für den Eintritt von SARS-CoV-2 in Wirtszellen entscheidend ist, durch die Bildung von Hot Spots denaturieren könnten die Wechselwirkung des oszillierenden elektrischen Feldes mit verschiedenen Teilen der Proteinladungen über einen rein elektromagnetischen Effekt [12].

Die Hülle pathogener Viren ist eng mit der infektiösen bzw. pathogenen Fähigkeit verbunden. Mehrere Studien haben berichtet, dass elektromagnetische Wellen im UHF- und Superhochfrequenzbereich (SHF) die Hülle pathogener Viren zerstören können. Wie oben beschrieben konnten offensichtliche Löcher in der Virushülle des Coronavirus 229E nach Exposition gegenüber einer 95-GHz-Millimeterwelle bei einer Leistungsdichte zwischen 70 und 100 W/cm² für 0,1 s nachgewiesen werden [8]. Der resonante Energieübertragungseffekt elektromagnetischer Wellen könnte ausreichend Stress erzeugen, um die Struktur der Virushülle zu zerstören. Bei umhüllten Viren sind die Infektiosität oder bestimmte Aktivitäten nach der Zerstörung der Hülle in der Regel reduziert oder gehen vollständig verloren [13, 14]. Yang [13] setzte das Influenzavirus H3N2 (H3N2) und das Influenzavirus H1N1 (H1N1) 15 Minuten lang direkt Mikrowellen bei 8,35 GHz, 320 W/m² bzw. 7 GHz, 308 W/m² aus. RT‒PCR wurde durchgeführt, um das RNA-Signal des elektromagnetischen Wellen ausgesetzten pathogenen Virus und eines gebrochenen Modells zu vergleichen, das mehreren Zyklen des Einfrierens in flüssigem Stickstoff und sofortigem Auftauen unterzogen wurde. Die Ergebnisse zeigten eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den RNA-Signalen der beiden Modelle. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die physikalische Struktur des Virus zerstört und die Hüllenstruktur nach der Mikrowellenexposition zerstört wurde.

Die Aktivität eines Virus kann durch seine Fähigkeit zur Infektion, Replikation, Transkription usw. charakterisiert werden. Die Virusinfektiosität oder -aktivität wird üblicherweise durch Messung der Virustiter mittels quantitativer Plaque-Assay-Analyse, mittlerer infektiöser Gewebekulturdosis (TCID50) oder der Aktivität des Luciferase-Reportergens bewertet. Es kann jedoch auch direkt durch die Isolierung lebender Viren oder die Analyse viraler Antigene, Viruspartikeldichte, viraler Überlebensrate usw. ausgewertet werden.

Es wurde berichtet, dass elektromagnetische UHF-, SHF- und EHF-Wellen virale Aerosole oder durch Wasser übertragene Viren direkt inaktivieren können. Wu [1] setzte MS2-Phagenaerosole, die von einem Laborverneblergerät erzeugt wurden, 1,7 Minuten lang elektromagnetischen Wellen mit 2450 MHz und 700 W aus, und die Überlebensrate des MS2-Phagen betrug nur 8,66 %. Ähnlich wie bei MS2-Virus-Aerosolen wurden 91,3 % des wasserbasierten MS2 innerhalb von 1,5 Minuten nach der Exposition gegenüber elektromagnetischen Wellen in derselben Dosis inaktiviert. Darüber hinaus war die Fähigkeit elektromagnetischer Strahlung, das MS2-Virus zu inaktivieren, positiv mit der Leistungsdichte und der Expositionszeit verbunden. Als die Inaktivierungseffizienz jedoch ihr Maximum erreichte, konnte sie nicht durch eine Verlängerung der Einwirkzeit oder eine Erhöhung der Leistungsdichte verbessert werden. Beispielsweise lag die minimale Überlebensrate des MS2-Virus nach Exposition gegenüber elektromagnetischen Wellen mit 2450 MHz und 700 W zwischen 2,65 % und 4,37 %, und durch eine Verlängerung der Expositionsdauer konnte keine signifikante Veränderung festgestellt werden. Siddharta [3] bestrahlte Zellkultursuspensionen, die das Hepatitis-C-Virus (HCV)/humanes Immundefizienzvirus Typ 1 (HIV-1) enthielten, mit elektromagnetischen Wellen bei 2450 MHz und 360 W. Sie fanden heraus, dass die Virustiter nach 3-minütiger Exposition deutlich reduziert waren , was darauf hindeutet, dass elektromagnetische Wellenstrahlung wirksam gegen die Infektiosität von HCV und HIV-1 ist und zur Verhinderung der Virusübertragung beitragen könnte, selbst im Zusammenhang mit einer Koexposition. Wenn elektromagnetische Wellen geringer Leistung bei 2450 MHz, 90 W oder 180 W zur Bestrahlung von HCV-Zellkulturen und HIV-1-Suspensionen verwendet wurden, kam es zu keiner Veränderung des Virustiters, bestimmt durch die Aktivität des Luciferase-Reportergens, und zu keiner signifikanten Veränderung der Virusinfektiosität . Selbst bei 600 und 800 W für eine Minute kam es bei keinem der Viren zu einem signifikanten Verlust der Infektiosität, was vermutlich mit der Strahlungsleistung elektromagnetischer Wellen und der kritischen Temperatureinwirkungszeit zusammenhängt.

Kaczmarczyk [8] zeigte erstmals im Jahr 2021 die Letalität elektromagnetischer EHF-Wellen gegen durch Wasser übertragene pathogene Viren. Sie setzten Proben des Coronavirus 229E oder des Poliovirus (PV) 2 s lang elektromagnetischen Wellen mit 95 GHz und Leistungsdichten zwischen 70 und 100 W/cm2 aus . Dort wurden zwei pathogene Viren mit einer Effizienz von 99,98 % bzw. 99,375 % inaktiviert, was darauf hindeutet, dass elektromagnetische EHF-Wellen im Bereich der Virusinaktivierung vielversprechend sind.

Die Effizienz der durch elektromagnetische UHF-Wellen vermittelten Virusinaktivierung wurde auch in verschiedenen Medien wie Muttermilch und einigen im Leben häufig verwendeten Materialien bewertet. Forscher setzten Anästhesiemasken, die mit Adenovirus (ADV), Poliovirus Typ 1 (PV-1), Herpesvirus 1 (HV-1) und Rhinovirus (RHV) kontaminiert waren, elektromagnetischer Strahlung bei 2450 MHz und 720 W aus. Sie berichteten, dass ADV und PV -1-Antigen-Nachweis änderte sich ins Negative und die Titer von HV-1, PIV-3 und RHV sanken auf Null, was darauf hindeutet, dass alle Viren nach einer Exposition von mehr als 4 Minuten vollständig inaktiviert waren [15, 16]. Elhafi [17] exponierte Abstriche, die mit dem aviären infektiösen Bronchitisvirus (IBV), dem aviären Pneumovirus (APV), dem Newcastle-Disease-Virus (NDV) und dem aviären Influenzavirus (AIV) kontaminiert waren, 20 s lang direkt bei 2450 MHz, 900 W Mikrowellen und so weiter dieser Viren verloren ihre Infektiosität. Unter anderem wurden APV und IBV in Trachealorgankulturen, die aus Hühnerembryonen nach fünf Passagen hergestellt wurden, weiter getestet. Obwohl das Virus nicht isoliert werden konnte, waren virale Nukleinsäuren dennoch mittels RT‒PCR nachweisbar. Ben-Shoshan [18] setzte 15 Cytomegalovirus (CMV)-Antigen-positive Muttermilchproben 30 Sekunden lang direkt elektromagnetischen Wellen bei 2450 MHz und 750 W aus. Der Antigennachweis mit der Shell-Vial-Methode zeigte eine vollständige Inaktivierung von CMV. Allerdings wurde bei 2 von 15 Proben bei 500 W keine vollständige Inaktivierung erreicht, was auf einen positiven Zusammenhang zwischen der Inaktivierungseffizienz und der Leistung der elektromagnetischen Wellen hinweist.

Bemerkenswert ist auch, dass Yang [13] die Resonanzfrequenz zwischen elektromagnetischen Wellen und Viren anhand des etablierten physikalischen Modells vorhersagte. Eine Suspension von H3N2-Viruspartikeln mit einer Dichte von 7,5 × 1014 m− 3, erzeugt von virusanfälligen Madin-Darby-Hundenierenzellen (MDCK), wurde 15 Minuten lang direkt elektromagnetischen Wellen bei 8 GHz und 820 W/m² ausgesetzt. Die Inaktivierungsrate des H3N2-Virus betrug bis zu 100 %. Allerdings wurden nur 38 % des H3N2-Virus bei der theoretischen Schwelle von 82 W/m2 inaktiviert, was darauf hindeutet, dass die Effizienz der durch elektromagnetische Strahlung vermittelten Inaktivierung des Virus eng mit der Leistungsdichte zusammenhängt. Basierend auf dieser Studie berechnete Barbora [14] den Resonanzfrequenzbereich (8,5–20 GHz) zwischen elektromagnetischen Wellen und SARS-CoV-2 und folgerte daraus, dass die Exposition von 7,5 × 1014 m− 3 SARS-CoV-2-Viruspartikeln gegenüber elektromagnetischen Wellen Wellen mit Frequenzen von 10–17 GHz und einer Leistungsdichte von 14,5 ± 1 W/m2 für etwa 15 Minuten würden zu einer 100-prozentigen Inaktivierung führen. Eine aktuelle Studie von Wang [19] stellte klar, dass die Resonanzfrequenzen von SARS-CoV-2 bei 4 und 7,5 GHz liegen, was die Existenz von Resonanzfrequenzen unabhängig vom Virustiter bestätigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elektromagnetische Wellen die Virusaktivität sowohl in Aerosolen als auch in Suspensionen sowie auf der Oberfläche von Gegenständen beeinflussen können. Es wurde festgestellt, dass die Inaktivierungseffizienz eng mit der Frequenz und Stärke der elektromagnetischen Wellen sowie mit dem für das Viruswachstum verwendeten Medium zusammenhängt. Darüber hinaus spielen auf physikalischer Resonanz basierende elektromagnetische Frequenzen eine herausragende Rolle im Bereich der Virusinaktivierung [2, 13]. Bisher konzentrierten sich die Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf die Aktivität pathogener Viren hauptsächlich auf die Veränderung der Infektionsfähigkeit. Aufgrund der komplexen Mechanismen haben nur wenige Studien über die Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf die Replikation und Transkription pathogener Viren berichtet.

Die Mechanismen, die der Inaktivierung von Viren durch elektromagnetische Wellen zugrunde liegen und die eng mit der Art des Virus, der Frequenz und Stärke der elektromagnetischen Wellen sowie dem viralen Wachstumsmedium zusammenhängen, sind noch weitgehend unerforscht. Neuere Studien haben sich hauptsächlich auf die Mechanismen thermischer, nichtthermischer und struktureller Resonanzenergieübertragungseffekte konzentriert.

Der thermische Effekt bezieht sich auf den Temperaturanstieg, der durch die Hochgeschwindigkeitsrotation, Kollision und Reibung polarer Moleküle in Geweben unter elektromagnetischen Wellen hervorgerufen wird. Aufgrund dieser Eigenschaft können elektromagnetische Wellen die Temperatur des Virus über die physiologische Toleranzschwelle hinaus ansteigen lassen, was zum Tod des Virus führt. Allerdings enthalten Viren nur wenige polare Moleküle, was darauf hindeutet, dass direkte thermische Auswirkungen auf Viren selten sind [1]. Im Vergleich dazu gibt es im Medium und in der Umgebung viel mehr polare Moleküle, wie zum Beispiel Wassermoleküle, und sie bewegen sich entsprechend dem elektrischen Wechselfeld, das durch elektromagnetische Wellen angeregt wird, um durch Reibung Wärme zu erzeugen. Anschließend wird die Wärme auf das Virus übertragen, um dessen Temperatur zu erhöhen. Beim Überschreiten der Toleranzschwelle kommt es zur Zerstörung der Nukleinsäuren und Proteine, was letztendlich zu einer Verringerung der Infektiosität oder sogar zur Inaktivierung des Virus führt.

Mehrere Gruppen haben berichtet, dass elektromagnetische Wellen durch thermische Effekte die Infektiosität von Viren verringern können [1, 3, 8]. Kaczmarczyk [8] setzte Suspensionen des Coronavirus 229E für 0,2–0,7 s elektromagnetischen Wellen bei 95 GHz mit einer Leistungsdichte zwischen 70 und 100 W/cm² aus. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Temperaturanstieg von 100 °C während dieses Prozesses zur Zerstörung der Virusmorphologie und einer Verringerung der Virusaktivität beitrug. Diese thermischen Effekte könnten auf die Wirkung elektromagnetischer Wellen auf die sie umgebenden Wassermoleküle zurückzuführen sein. Siddharta [3] setzte HCV-haltige Zellkultursuspensionen mit verschiedenen Genotypen, darunter GT1a, GT2a, GT3a, GT4a, GT5a, GT6a und GT7a, elektromagnetischer Wellenstrahlung mit einer Frequenz von 2450 MHz und Leistungen von 90 W, 180 W aus. 360 W, 600 W und 800 W. Die Strahlung elektromagnetischer Wellen verringerte die Infektiosität des Virus oder inaktivierte das Virus vollständig, wenn die Temperatur des Zellkulturmediums von 26 °C auf 92 °C anstieg. Wenn HCV jedoch elektromagnetischen Wellen mit niedriger Leistung (90 oder 180 W für 3 Minuten) oder höherer Leistung für kurze Zeit (600 oder 800 W für 1 Minute) ausgesetzt wurde, trat kein offensichtlicher Temperaturanstieg und keine signifikante Veränderung auf Es wurde ein Anstieg der Virusinfektiosität oder -aktivität beobachtet.

Die obigen Ergebnisse zeigten, dass die thermische Wirkung elektromagnetischer Wellen ein entscheidender Faktor ist, der die Infektiosität oder Aktivität pathogener Viren beeinflusst. Darüber hinaus haben zahlreiche Studien gezeigt, dass der thermische Effekt der elektromagnetischen Exposition eine höhere Inaktivierungseffizienz bei pathogenen Viren bewirkt als UV-C und herkömmliche Erwärmung [8, 20, 21, 22, 23, 24].

Zusätzlich zu thermischen Effekten können elektromagnetische Wellen die Polarität von Molekülen wie mikrobiellen Proteinen und Nukleinsäuren verändern und die Rotation und Vibration von Molekülen verursachen, was zu einer verminderten Lebensfähigkeit oder sogar zum Tod führt [10]. Es wird angenommen, dass die schnelle Umwandlung der Polarität elektromagnetischer Wellen eine Proteinpolarisierung verursachen und zu einer Verdrehung und Biegung von Proteinstrukturen führen könnte, was letztendlich zu einer Proteindenaturierung führt [11].

Die nichtthermischen Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf die Inaktivierung von Viren sind immer noch umstritten, die meisten Studien kommen jedoch zu positiven Ergebnissen [1, 25]. Wir haben oben beschrieben, dass elektromagnetische Wellen direkt in das äußere Hüllenprotein des MS2-Virus eindringen und virale Nukleinsäuren zerstören können. Darüber hinaus reagieren MS2-Virusaerosole viel empfindlicher auf elektromagnetische Wellen als wassergetragenes MS2. Aufgrund der weniger polaren Moleküle, wie z. B. Wassermoleküle in der Umgebung von MS2-Virusaerosolen, könnten nichtthermische Effekte eine entscheidende Rolle bei der durch elektromagnetische Wellen vermittelten Inaktivierung von Viren spielen [1].

Das Resonanzphänomen bezieht sich auf die Tendenz eines physikalischen Systems, bei seiner natürlichen Schwingungsfrequenz und Wellenlänge mehr Energie aus seiner Umgebung zu absorbieren. Resonanz kommt in vielen Teilen der Natur vor. Es ist bekannt, dass Viren im begrenzten akustischen Dipolarmodus mit Mikrowellen derselben Frequenz schwingen, was ein Resonanzphänomen darstellt [2, 13, 26]. Der Resonanzmodus elektromagnetischer Wellen-Virus-Wechselwirkungen hat zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Der effiziente Strukturresonanz-Energieübertragungseffekt (SRET) von elektromagnetischen Wellen zu begrenzten akustischen Vibrationen (CAVs) in Viren könnte zum Bruch der Virusmembran durch entgegengesetzte Kern-Schale-Schwingungen führen. Darüber hinaus hängt die SRET-Gesamteffizienz von den Eigenschaften der Umgebung ab, wobei die Größe des Viruspartikels und der pH-Wert die Resonanzfrequenz bzw. die Energieabsorption bestimmen [2, 13, 19].

Der physikalische Resonanzeffekt elektromagnetischer Wellen hat eine entscheidende Rolle bei der Inaktivierung umhüllter Viren gespielt, die von einer Doppelschichtmembran umgeben sind, in die virale Proteine ​​eingebettet sind. Forscher fanden heraus, dass die Inaktivierung von H3N2 durch elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 6 GHz und einer Leistungsdichte von 486 W/m² hauptsächlich durch das physikalische Aufbrechen der Hülle durch den Resonanzeffekt verursacht wurde [13]. Die Temperatur der H3N2-Suspension stieg nach 15-minütiger Einwirkung nur um 7 °C; Allerdings erfordert die Inaktivierung des menschlichen H3N2-Virus durch thermisches Erhitzen eine Temperatur über 55 °C [9]. Ein ähnliches Phänomen wurde auch bei Viren wie SARS-CoV-2 und H3N1 beobachtet [13, 14]. Darüber hinaus führte die Inaktivierung von Viren durch elektromagnetische Wellen nicht zu einem Abbau des viralen RNA-Genoms [1, 13, 14]. Daher trugen physikalische Resonanz, nicht aber thermische Effekte zur Inaktivierung des H3N2-Virus bei [13].

Im Vergleich zur thermischen Wirkung elektromagnetischer Wellen erfordert die Inaktivierung von Viren durch physikalische Resonanz niedrigere Dosisparameter, die unter den vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) festgelegten Mikrowellensicherheitsstandards liegen [2, 13]. Die Resonanzfrequenz und die Leistungsdosis wurden durch die physikalischen Eigenschaften des Virus, wie etwa die Partikelgröße und Elastizität, bestimmt und alle in der Resonanzfrequenz befindlichen Viren konnten effizient gezielt angegriffen und inaktiviert werden. Aufgrund der hohen Penetration, des Fehlens ionisierender Strahlung und der guten Sicherheit ist die durch den nichtthermischen SRET-Effekt vermittelte Inaktivierung von Viren vielversprechend bei der Behandlung von bösartigen Erkrankungen des Menschen, die durch pathogene Viren verursacht werden [14, 26].

Elektromagnetische Wellen sind hochwirksam gegen Virusaerosole, basierend auf der Realisierung der Virusinaktivierung in der flüssigen Phase und auf den Oberflächen verschiedener Medien [1, 26], was einen Durchbruch darstellt und von großer Bedeutung für die Kontrolle der Virusübertragung und die Prävention sozialer Infektionen ist Epidemien. Darüber hinaus ist die Entdeckung der physikalischen Resonanzeigenschaften elektromagnetischer Wellen auf diesem Gebiet von großer Bedeutung. Solange die Resonanzfrequenz zwischen einem bestimmten Viruskörper und elektromagnetischen Wellen bekannt ist, können alle Viren innerhalb des Resonanzfrequenzbereichs der Wunde bekämpft werden, was mit herkömmlichen Virusinaktivierungstechniken nicht möglich ist [13, 14, 26]. Die elektromagnetische Inaktivierung von Viren ist eine prospektive Studie mit großem Forschungs- und Anwendungspotenzial.

Im Vergleich zur herkömmlichen Viruseliminierungstechnologie zeigen elektromagnetische Wellen die Einfachheit, hohe Effizienz, Praktikabilität und Umweltfreundlichkeit der Abtötung von Viren mit ihren eigenen einzigartigen physikalischen Eigenschaften [2, 13]. Allerdings gibt es noch viele Herausforderungen. Erstens beschränkt sich das aktuelle Wissen auf die physikalischen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen, während die Mechanismen der Energienutzung bei der Strahlung elektromagnetischer Wellen nicht aufgeklärt wurden [10, 27]. Mikrowellen, einschließlich Millimeterwellen, werden häufig zur Untersuchung der Virusinaktivierung und ihrer Mechanismen eingesetzt. Es wurde jedoch nicht über Untersuchungen elektromagnetischer Wellen bei anderen Frequenzen berichtet, insbesondere im Frequenzbereich von 100 kHz bis 300 MHz und 300 GHz bis 10 THz. Zweitens sind die Mechanismen, die der durch elektromagnetische Wellen vermittelten Abtötung pathogener Viren zugrunde liegen, nicht genau definiert, und SRET wurde nur an kugelförmigen und stäbchenförmigen Viren untersucht [2]. Darüber hinaus könnten die Eigenschaften von Viren, wie die geringe Größe der Viruspartikel, das Fehlen einer Zellstruktur, die einfache Mutation und die schnelle Vermehrung, die Inaktivierung von Viren verhindern. Die Technologien elektromagnetischer Wellen müssen noch verbessert werden, um die Hindernisse bei der Inaktivierung pathogener Viren zu überwinden. Schließlich führt die hohe Absorption von Strahlungsenergie durch polare Moleküle im Medium, wie beispielsweise Wassermoleküle, zu Energieverschwendung. Darüber hinaus könnte die Effizienz von SRET durch mehrere undefinierte Mechanismen bei Viren beeinträchtigt werden [28]. Der SRET-Effekt könnte auch dazu führen, dass sich die Viren an die Umgebung anpassen und so zu einer Resistenz gegen elektromagnetische Wellen führen [29].

Zukünftig müssen die Technologien der durch elektromagnetische Wellen vermittelten Inaktivierung von Viren weiter verbessert werden. Die Grundlagenforschung sollte darauf abzielen, die Mechanismen aufzuklären, die der durch elektromagnetische Wellen vermittelten Inaktivierung von Viren zugrunde liegen. Beispielsweise sollten die Mechanismen der Energienutzung bei der Exposition von Viren gegenüber elektromagnetischen Wellen, die detaillierten Mechanismen nichtthermischer Effekte bei der Abtötung pathogener Viren und die Mechanismen des SRET-Effekts zwischen elektromagnetischen Wellen und verschiedenen Virentypen systematisch aufgeklärt werden. Anwendungsstudien sollten sich darauf konzentrieren, wie die übermäßige Absorption von Strahlungsenergie durch polare Moleküle verhindert werden kann, die Auswirkungen elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenz auf die verschiedenen pathogenen Viren untersuchen und die nichtthermische Wirkung elektromagnetischer Wellen bei der Abtötung pathogener Viren untersuchen.

Elektromagnetische Wellen haben sich als vielversprechender Ansatz zur Inaktivierung pathogener Viren herausgestellt. Die elektromagnetische Wellentechnologie könnte aufgrund ihrer hervorragenden Vorteile, darunter geringe Kontamination, niedrige Kosten und hohe Effizienz bei der Inaktivierung pathogener Viren, die Einschränkungen der herkömmlichen Antivirentechnologie überwinden. Es sollten jedoch weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um die Parameter der elektromagnetischen Wellentechnologie zu definieren und die Mechanismen der Virusinaktivierung zu klären.

Elektromagnetische Wellenstrahlung in einer bestimmten Dosis kann die Struktur und Aktivität mehrerer pathogener Viren zerstören. Die Effizienz der Virusinaktivierung hängt eng mit der Häufigkeit, Leistungsdichte und Einwirkzeit zusammen. Darüber hinaus umfassen die zugrunde liegenden Mechanismen thermische Effekte, nichtthermische Effekte und strukturelle Resonanzenergieübertragungseffekte. Im Vergleich zu herkömmlichen antiviralen Technologien bietet die Virusinaktivierung auf der Basis elektromagnetischer Wellen mehrere Vorteile, wie z. B. Einfachheit, hohe Effizienz und geringe Umweltverschmutzung. Daher hat sich die durch elektromagnetische Wellen vermittelte Virusinaktivierung als vielversprechende antivirale Technologie für zukünftige Anwendungen herausgestellt.

Unzutreffend.

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Unzutreffend.

Die Autoren machen keine Angaben zur Finanzierung.

Beijing Institute of Radiation Medicine, Yard 27, Taiping Road, 100850, Peking, VR China

Yi Xiao, Li Zhao & Ruiyun Peng

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YX schrieb den Haupttext des Manuskripts und LZ und RYP überarbeiteten das Manuskript. Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Li Zhao oder Ruiyun Peng.

Unzutreffend.

Unzutreffend.

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xiao, Y., Zhao, L. & Peng, R. Auswirkungen elektromagnetischer Wellen auf pathogene Viren und relevante Mechanismen: eine Übersicht. Virol J 19, 161 (2022). https://doi.org/10.1186/s12985-022-01889-w

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Eingegangen: 29. Juni 2022

Überarbeitet: 19. September 2022

Angenommen: 25. September 2022

Veröffentlicht: 12. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1186/s12985-022-01889-w

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