UV-Licht könnte die Welt vor dem Coronavirus schützen – und was auch immer als nächstes kommt

Betreten Sie das Büro in Cambridge, Ontariodes Gesundheitsgeräteherstellers PrescientX, und Sie würden wahrscheinlich nicht vermuten, dass Sie einen der hygienischsten Orte in Nordamerika betreten.

In dieser ansonsten gewöhnlichen Bürosuite im Großraum Toronto können Sie Ihre Schlüssel, Ihr Telefon und andere tragbare Geräte am UV-Sterilisationsstand im Empfangsbereich desinfizieren. In den kühleren Monaten wird die Atemluft in UV-sterilisierten Heizgeräten von Schimmel und Bakterien gereinigt und durch UV-Strahler in den Luftkanälen der Büros gereinigt, um Viren zu beseitigen. UV-Leuchten im Raum, die zur Decke gerichtet sind, desinfizieren die Luft, während andere UV-Leuchten, die sich nur einschalten, wenn sich niemand im Raum aufhält, Krankheitserreger auf Schreibtischen, Tastaturen und häufig berührten Oberflächen in Badezimmern und Arbeitsräumen vernichten.

Das Büro, sagt Barry Hunt, Gründer und CEO von PrescientX, stellt eine mögliche Zukunft dar, in der Pandemien wie COVID-19 häufiger auftreten – aber keimtötendes ultraviolettes Licht eine der wirksamsten Waffen ist, mit denen wir ihnen begegnen müssen.

Seit fast anderthalb Jahrhunderten untersuchen Wissenschaftler die tödliche Wirkung von ultraviolettem Licht auf Keime. In jüngster Zeit wurde UV-Strahlung als Desinfektionsmittel gegen tödliche Coronavirus-Partikel während des SARS-Ausbruchs im Jahr 2003 eingesetzt. Und als sich das neue Coronavirus Ende letzten Jahres in China ernsthaft auszubreiten begann, kehrte UV-Strahlung als potenziell wirksame Waffe zur Bekämpfung dieser neuen Geißel zurück . Während sich antivirale Medikamente und Impfstoffe darauf konzentrieren, Infektionen im Körper zu minimieren und abzuwehren, konzentrieren sich die eingesetzten UV-Systeme darauf, das Virus in der Umwelt abzutöten, bevor es die Chance hat, jemanden zu infizieren.

Fly Safe: Das UV-Kabinensystem von Dimer UVC und Honeywell ist darauf ausgelegt, ein ganzes Flugzeug in wenigen Minuten zu desinfizieren. Fotos: Honeywell Aerospace

Die keimtötende UV-Technologie wird jetzt zur Sterilisierung von Luft, Oberflächen und persönlicher Schutzausrüstung wie N95-Masken eingesetzt. Unterdessen widmen Experten auf diesem Gebiet einen Großteil ihrer Zeit der Aufklärung der Öffentlichkeit über die Wirksamkeit der Technologie gegen das Coronavirus – und zukünftige Ausbrüche und Pandemien. Die größte Hürde für keimtötende UV-Strahlung besteht laut Dean Saputa, Vizepräsident und Mitbegründer von UV Resources, einem UV-Technologieunternehmen mit Sitz in Santa Clarita, Kalifornien, darin, „den Mangel an … Verständnis für diese Technologie zu überwinden.“

Erstens weisen Experten darauf hin, dass nicht alle ultravioletten Strahlen gleich sind. Ultraviolettes Licht liegt in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums jenseits von Indigo und Violett. Jeder, der das Etikett auf einer Flasche Sonnenschutzmittel gelesen hat, weiß, dass die UV-Wellenlängen, die zu Sonnenbräune oder Sonnenbrand führen, UV-A (mit Wellenlängen zwischen 400 und 315 Nanometern) und UV-B (315 bis 280 nm) genannt werden. Die keimtötende UV-Technologie konzentriert sich auf kürzere, energiereichere UV-Wellenlängen, bekannt als UV-C, die zwischen 280 und 100 nm liegen. Die Ozonschicht der Erde verhindert, dass praktisch das gesamte UV-C-Licht zu uns gelangt. Mikroben und Viren (und eigentlich alles andere) haben sich also über Millionen und Abermilliarden von Jahren entwickelt, ohne jemals diesen Wellenlängen ausgesetzt zu sein.

Das änderte sich 1901 mit der Erfindung der Quecksilberdampflampe. Es erzeugt UV-C-Licht mit einer starken Wellenlänge von 254 nm, das sich als verheerend für fast jedes genetische Material auf seinem Weg erwiesen hat, einschließlich des eines Coronavirus oder eines Menschen.

Der Trick beim Einsatz von keimtötendem UV-Licht gegen die Ausbreitung von Krankheiten besteht größtenteils darin, einen Weg zu finden, die Menschen vor diesem Licht zu schützen. Die Beteiligten haben in diesem Bereich bereits viel Fachwissen aufgebaut, doch neue Technologien könnten den Einsatz von UV-C in Aufenthaltsräumen erleichtern.

Während UV-C-Licht Obwohl es seit mehr als einem Jahrhundert erfolgreich gegen Keime eingesetzt wird, haben Forscher erst vor kurzem verstanden, warum es so erfolgreich ist. Im aus vier Buchstaben bestehenden Nukleotidalphabet der DNA sind Thymin (T) und Cytosin (C) besonders anfällig für UV-Strahlung. Die UV-Strahlung löst ein Elektron aus und führt dazu, dass sich zwei T-Moleküle oder zwei C-Moleküle miteinander verbinden, was zu einem Fehler in einer DNA-Kette führt. Der Mensch verfügt über genetische Selbstreparaturmechanismen, darunter ein Molekül namens p53. Dieses Protein (manchmal auch als „Wächter des Genoms“ bezeichnet) patrouilliert DNA-Stränge und sucht nach genau dieser Art von Nukleotidschäden. Aber p53 kann nur eine begrenzte Menge. Zu viel Schaden überwältigt es und kann zu Krebs führen.

Todesstrahlen: UV-C befindet sich am anderen Ende des ultravioletten Teils des Spektrums. Die meisten UV-C-Produkte verwenden Quecksilberdampflampen, die mit 254 Nanometern leuchten. Wissenschaftler erforschen eine andere Wellenlänge, 222 nm, da diese für die Verwendung in der Nähe von Menschen möglicherweise sicherer ist.Quelle: UV Resources

SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, verfügt nicht über solch ausgefeilte Selbstreparaturmechanismen und sein genetisches Material besteht aus RNA und nicht aus DNA. RNA enthält Uracil anstelle von Thymin, aber die Wirkung von UV-C ist im Wesentlichen die gleiche: Genetische Schäden häufen sich an und das Virus wird zerstört.

Der größte Nachteil von UV-C-Licht im 254-nm-Bereich besteht darin, dass es in die menschliche Haut und in die Augen eindringt und zu Hautkrebs und grauem Star führt. Die DNA-zerstörende Wirkung von UV-C bedeutet also, dass jedes Desinfektionsgerät, das es verwendet, so konzipiert sein muss, dass es funktioniert, wenn sich niemand im Raum befindet oder in einem abgeschlossenen Raum, in den sich Menschen nicht begeben können.

Forscher versuchen seit Jahrzehnten, die Vorteile und Gefahren von UV-C abzuwägen. In den späten 1930er und frühen 1940er Jahren installierte der US-Epidemiologe William F. Wells UV-C-emittierende Quecksilberdampflampen in Schulen in Philadelphia, um einen Masernausbruch zu bekämpfen, als Folge seiner bahnbrechenden Arbeit, die in der Luft befindliche Bakterien und Viren zeigte könnte eine Infektion verursachen. Die Leuchten wurden so konzipiert, dass sie die Luft nur im oberen Teil des Raums bestrahlen, um Studenten und Mitarbeiter vor der Strahlenexposition zu schützen. Und sie haben funktioniert. Schulen, die über Luftdesinfektionsgeräte verfügten, verzeichneten eine Infektionsrate von 13,3 Prozent, verglichen mit 53,6 Prozent in der Gesamtbevölkerung.

Laut Hunt von PrescientX wird keimtötendes UV-Licht in den meisten kommerziellen und industriellen Umgebungen auch heute noch von Quecksilberdampflampen verursacht. Diese Geräte haben einen spektralen Peak bei 254 nm. Diese Emission ist das Ergebnis eines Lichtbogens, der (typischerweise) Argongas ionisiert und flüssiges Quecksilber verdampft. Glas würde die Strahlung blockieren, daher bestehen diese Lampen stattdessen aus Quarz.

UV-C-emittierende LEDs, die aus Aluminiumnitridlegierungen hergestellt werden, sind viel neuer und bieten gegenüber Quecksilberlampen eine Reihe potenzieller Vorteile: kein giftiges Quecksilber, längere Haltbarkeit, schnellerer Start und Emission bei einer Vielzahl von Wellenlängen, was hilfreich sein kann ihre keimtötende Wirkung. Am wichtigsten ist jedoch das theoretische Potenzial von UV-C-LEDs für eine höhere Effizienz. Dieses Potenzial ist jedoch noch nicht ausgeschöpft. Jae-hak Jeong, technischer Forschungsstipendiat und Vizepräsident bei Seoul Semiconductor, erklärte gegenüber IEEE Spectrum, dass die heutigen Quecksilberlampen eine höhere Steckdoseneffizienz haben – elektrischer Stromeingang im Vergleich zu optischem Stromausgang – als die derzeit auf dem Markt erhältlichen UV-C-LEDs. Es ist jedoch nicht zu erwarten, dass der Vorteil der Quecksilberlampen von Dauer sein wird, denn Forscher gehen davon aus, dass sich UV-C-LEDs in ähnlicher Weise verbessern werden wie blaue LEDs, um ihre dominante Stellung in der Beleuchtung zu erreichen. Derzeit sind UV-C-LEDs jedoch nicht leistungsstark genug, um mehr als kleine Luftmengen oder nahegelegene Oberflächen zu sterilisieren.

Jüngste Erfahrungen mit UV-C-Licht bestätigen, was Wells in den 1930er Jahren herausgefunden hat: Die Luftdesinfektion mit 254-nm-UV-Licht sei „sehr effektiv“, sagt Hunt. Eine direkte Beleuchtung der Luft im oberen Teil eines Raums erziele einen besseren Durchsatz als die Bestrahlung der Luft in HVAC-Geräten, fügt er hinzu. Nach Angaben der Illuminating Engineering Society sind 17 Milliwatt 254-nm-Lampenstrahlung pro Kubikmeter Luftraum die evidenzbasierte Dosis, die zur Bekämpfung von Tuberkulose entwickelt wurde. Allerdings sind einige Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen resistenter gegen UV-C-Licht als andere.

Die Luft da oben: Die keimtötenden UV-C-Geräte von AeroMed Infinity, die in der Nähe der Decken des Kings County Hospital Center in New York City installiert sind, tragen dazu bei, dass sich aerosolierte Coronavirus-Partikel dort nicht ausbreiten, wo Patienten warten. Fotos: AeroMed

Bei dieser Dosis können in der oberen Luft befindliche Leuchten Keime in der direkten Sichtlinie der Lampen „in Sekundenschnelle“ zerstören, sagt Saputa von UV Resources. Um die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten, werden die Leuchten, die normalerweise jeweils ein paar tausend Dollar kosten, in einer Höhe von über 2 Metern angebracht, und nicht reflektierende Ablenkbleche leiten die ultraviolette Energie nach oben und außen. (UV-C wird von den meisten Oberflächen nur schlecht reflektiert, sodass die Gefahr einer Exposition durch Strahlen, die von Decken und anderen Vorrichtungen reflektiert werden, gering ist; Installateure müssen jedoch sicherstellen, dass sie UV-C-Messgeräte verwenden.) Solche Installationen können in einer Vielzahl von Umgebungen verwendet werden Dazu gehören Patientenzimmer, Wartezimmer, Lobbys, Treppenhäuser sowie Eingänge und Flure von Notaufnahmen.

Luft ist nicht das EinzigeDing, das desinfiziert werden muss. Während der Pandemie wurden UV-Roboter in Krankenhäusern und UV-Keimzerstäuber in Flugzeugen und U-Bahn-Wagen zu einer Vielzahl von Technologien zur Desinfektion von Oberflächen eingeführt.

Der Hauptunterschied zwischen diesen Systemen und UV-Luftsterilisatoren besteht darin, dass erstere nicht in Anwesenheit von Personen betrieben werden können und daher Bereiche nicht kontinuierlich virenfrei halten. „Konstrukteure müssen bedenken, dass die Desinfektion nur so lange anhält, bis Menschen ins Krankenhausbett gelegt werden oder auf dem Flugzeugsitz sitzen“, sagt Saputa.

Eine sporadische Desinfektion ist jedoch besser als gar keine. Vor diesem Jahr hatte das in Carlsbad, Kalifornien, ansässige Unternehmen Cleanbox Technology eine UV-C-LED-Box zur Sterilisierung von Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Headsets entwickelt. Das System des Unternehmens ließ sich problemlos an die Sterilisierung von N95-Masken anpassen, sagt David Georgeson, Chief Technology Officer und Mitbegründer von Cleanbox.

Das Ergebnis ist die desinfizierende Lichtbox CleanDefense N95, die vier Masken gleichzeitig aufnehmen kann. Die Box ist tragbar und wird über die Steckdose oder eine Batteriebank mit Strom versorgt, was den Einsatz in mobilen Umgebungen wie Krankenwagen und Flugzeugen sowie im Gesundheitswesen, in Restaurants und Einkaufszentren ermöglicht.

Die Herausforderung bei dieser Technologie und jeder anderen Art der UV-Desinfektion besteht darin, dass „die Strahlung tatsächlich auf das Virus treffen muss, um die [RNA] aufzubrechen und zu inaktivieren“, sagt Robert Karlicek, Direktor des Center for Lighting Enabled Systems & Applications des Rensselaer Polytechnic Institute , in Troy, NY „Wenn diese Viruspartikel hinter Schmutz sitzen oder von einer anderen Faser bedeckt sind, müsste man viel Licht streuen, bevor man eine gute Abtötungsrate erreicht.“

Verwenden, sterilisieren, wiederholen: UV-Licht bestrahlt die Oberflächen von N95-Schutzmasken im System von Prescient X (oben), sodass die Masken wiederverwendet werden können. Der Sterilisator des Rensselaer Polytechnic Institute (Mitte) badet beide Seiten einer Maske gleichzeitig in UV. Das System von Cleanbox Technology (unten) wurde von einem System übernommen, das VR-Geräte desinfiziert. Fotos, von oben: PrescientX; Robert Karlicek/RPI; Cleanbox-Technologie

Das Problem wird durch den sogenannten „Canyon-Wall“-Effekt veranschaulicht. Für Bakterien und Viren können Strukturmerkmale auf gewöhnlichen Oberflächen so sein, wie es für uns 100 Meter tiefe Schluchten wären. In Experimenten mit Oberflächen mit Submillimeter-Textur variierte die UV-C-Abtötungsrate gegen das Bakterium Staphylococcus aureus je nach Einfallwinkel des Lichts der Quecksilberlampe um das bis zu 500-fache.

Diese Abhängigkeit vom Winkel ist laut Marc Verhougstraete, Assistenzprofessor für öffentliche Gesundheit an der University of Arizona, der Grund, warum zur Desinfektion eines Krankenzimmers normalerweise drei UV-Systeme erforderlich sind. Selbst dann gibt es immer noch unbelichtete Bereiche. Daher sollten UV-C-Oberflächendesinfektionsmittel für diese Anwendung Teil eines Systems sein, das routinemäßige Oberflächendesinfektion, Händehygiene und Luftaufbereitung umfasst, sagt er.

Eine gründliche Dosierung aus mehr als einem Blickwinkel ist der Schlüssel zur Desinfektion von N95-Masken für die Wiederverwendung. Karlicek und sein Team entwickelten einen N95-Maskensterilisator mit Quecksilberlampe, der im Mount Sinai Hospital in New York City getestet wurde. Dabei werden zwei Sätze UV-Lampen verwendet, um die Vorder- und Rückseite der Masken gleichzeitig zu bestrahlen. PrescientX steigt auch mit einer UV-C-Lichtbox namens Terminator CoV in das N95-Maskensterilisationsgeschäft ein. Und es gibt auch andere Systeme in unterschiedlichen Entwicklungs- und Kommerzialisierungsstadien.

Die genaue UV-C-Dosis, die zur Inaktivierung eines SARS-CoV-2-Viruspartikels erforderlich ist, muss noch bestimmt werden, sagt Hunt, CEO von PrescientX. Er fügt jedoch hinzu, dass in einer Reihe von Experten begutachteter Studien die UV-C-Dosen für die Influenzastämme H5N1 und H1N1 sowie für frühere Coronavirus-Ausbrüche, einschließlich MERS und SARS, untersucht wurden. Experten halten es für vernünftig anzunehmen, dass eine ähnliche Energiemenge das Coronavirus inaktivieren wird, das COVID-19 verursacht.

Diese Studien ergaben alle, dass die Bestrahlung von Masken mit 1 bis 2 Joule UV-C-Energie pro Quadratzentimeter ausreichte, um zwischen 99,9 und 99,99 Prozent der Viruspartikel auf der Maske zu inaktivieren. Allerdings ist die Eliminierung von Coronavirus-Partikeln nicht nur ein Zahlenspiel. Wenn die Sterilisationseinheit Schatten auf die Maske wirft, wird diese nicht vollständig desinfiziert. Deshalb sind diese Systeme mit Verschlüssen und Haken ausgestattet, die die Maske dehnen und Schatten minimieren.

„Man braucht Intensität und Geometrie, um das Virus loszuwerden“, sagt Hunt.

Angesichts der schädlichen Auswirkungen von 254-nm-UV-C erforschen Wissenschaftler die energiereichere Wellenlänge von 222 nm im fernen UV-Bereich. Es wurde festgestellt, dass diese Wellenlänge Viren und Bakterien abtötet, und erste Studien zeigen, dass sie wesentlich sicherer ist als Photonen im 254-nm-Bereich. Tatsächlich kann Fern-UV in der Lage sein, einen ganzen Raum sicher in sterilisierendes Licht zu tauchen, selbst wenn Personen anwesend sind.

Fern-UV-Licht bei 222 nm „dringt kaum in die äußere Hautschicht ein“, sagt David Sliney, pensionierter Manager des Laser- und optischen Strahlungsprogramms der US-Armee am Army Public Health Center in der Nähe von Baltimore. „Es wird stark von Proteinen absorbiert. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass es möglicherweise sogar wirksamer gegen durch die Luft übertragene Viren ist“ als anderes UV-Licht. Die Wellenlänge scheint auch für die Augen ungefährlich zu sein, da sie nicht tiefer als die Tränenschicht eindringt, die das Auge bedeckt. Eine Studie aus dem Jahr 2019 an Albino-Ratten in Japan ergab, dass eine längere Exposition gegenüber fernem UV-Licht keine Haut- oder Augenschäden verursachte.

Gegenwärtig wird Fern-UV durch Krypton-Chlor-Excimer-Lampen erzeugt. („Excimer“ ist ein Kunstwort aus „angeregt“ und „Dimer“, was einen angeregten Zustand eines zweiteiligen Moleküls bedeutet.) In der versiegelten Quarzglaskammer einer solchen Lampe werden Krypton und Chlor durch elektrische Entladung erhitzt, deren Energie reicht aus, um kurzzeitig ein KrCl-Excimer zu erzeugen, das eine 222-nm-Spektrallinie ausspuckt, bevor es wieder dissoziiert.

Allerdings geben diese Lichtquellen nicht nur Licht im fernen UV-Bereich ab. „Excimer-Lampen erzeugen einen Peak bei 222 nm, aber sie produzieren auch Licht mit [längerer] Wellenlänge“, erklärt David Brenner, Direktor des Center for Radiological Research der Columbia University in New York City. „Und das ist schädlich, weil es nicht die schützenden Eigenschaften von 222 nm hat. Es kann [die Haut] durchdringen und die DNA schädigen.“

Filter können die unerwünschten Wellenlängen eliminieren, aber Brenner sagt, eine bessere Lösung wäre eine Fern-UV-LED-Lampe mit einem schmalen Spektralprofil genau bei 222 nm. Eine solche LED gibt es bisher nicht. „Die Wellenlänge von LEDs ist seit langem immer kleiner geworden“, sagt er. „Sobald man unter 250, 240, 230 [nm] sinkt, fällt die Effizienz dramatisch ab. Es ist wie eine Klippe.“

Kurzfristig sind Excimer-Lampen also die beste Hoffnung. Brenner rechnet damit, dass solche Lampen Ende dieses Jahres oder Anfang 2021 auf den Markt kommen werden.

Trotz dieses Angesichts des Arsenals an UV-Technologien – UV-C-LEDs, Quecksilberdampflampen und KrCl-Excimerlampen – könnte die aktuelle Pandemie noch kommen und gehen, bevor die Welt keimtötendes UV-Licht weit genug eingeführt hat, um eine große Wirkung zu erzielen. Und so planen Experten bereits den nächsten gefährlichen Krankheitserreger, und wenn er kommt, hoffen sie, ihn mit einer Phalanx von UV-Luftreinigern und Oberflächensterilisatoren in Krankenhäusern, Flughäfen, öffentlichen Verkehrsmitteln, Büros, Schulen, Pflegeheimen, Geschäften und Restaurants zu begrüßen , Aufzüge und anderswo. Die Allgegenwärtigkeit der UV-Technologie sollte die Ausbreitung eines Ausbruchs erheblich erschweren und möglicherweise verhindern, dass eine tödliche Ansteckung jemals zu einer Pandemie wird.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom Oktober 2020 unter dem Titel „The Ultra-Violet Offense“.