La luz ultravioleta podría mantener al mundo a salvo del coronavirus y de lo que venga después

Entre en la oficina de Cambridge, Ontario.de la empresa de equipos para el cuidado de la salud PrescientX y probablemente no sospechará que está ingresando a uno de los lugares más higiénicos de América del Norte.

En esta suite de oficina ordinaria del área de Toronto, puede desinfectar sus llaves, teléfono y otros dispositivos portátiles en el puesto de esterilización ultravioleta del área de recepción. En los meses más fríos, el aire que respira se limpia de moho y bacterias en unidades de calefacción esterilizadas con rayos ultravioleta y se limpia con lámparas ultravioleta en los conductos de aire de la oficina para eliminar los virus. Los accesorios UV en la habitación que apuntan al techo desinfectan el aire, mientras que otras luces UV que se encienden solo cuando no hay nadie en la habitación eliminan los patógenos en los escritorios, teclados y superficies de alto contacto en baños y espacios de trabajo.

La oficina, dice el fundador y director ejecutivo de PrescientX, Barry Hunt, representa un futuro posible en el que las pandemias como la COVID-19 son más comunes, pero en el que la luz ultravioleta germicida es una de las armas más potentes que tenemos para enfrentarlas.

Durante casi un siglo y medio, los científicos han estado investigando el efecto letal de la luz ultravioleta sobre los gérmenes. En tiempos recientes, la luz ultravioleta se utilizó como desinfectante contra partículas mortales de coronavirus durante el brote de SARS en 2003. Y tan pronto como el nuevo coronavirus comenzó a propagarse en China a fines del año pasado, la luz ultravioleta regresó como un arma potencialmente poderosa para combatir este nuevo flagelo. . Mientras que los medicamentos antivirales y las vacunas se concentran en minimizar y repeler las infecciones en el cuerpo, los sistemas ultravioleta que se están desplegando se enfocan en matar el virus en el medio ambiente, antes de que tenga la oportunidad de infectar a alguien.

Fly Safe: el sistema de cabina UV de Dimer UVC y Honeywell está diseñado para desinfectar un avión completo en unos pocos minutos. Fotos: Honeywell Aerospace

La tecnología UV germicida ahora se está utilizando para esterilizar el aire, las superficies y los equipos de protección personal, como las máscaras N95. Mientras tanto, los expertos en el campo están dedicando gran parte de su tiempo a educar al público sobre la efectividad de la tecnología contra el coronavirus y los brotes y pandemias por venir. El principal obstáculo para los rayos UV germicidas, dice Dean Saputa, vicepresidente y cofundador de UV Resources, una empresa de tecnología UV con sede en Santa Clarita, California, "es superar la falta de... comprensión sobre esta tecnología".

Para empezar, señalan los expertos, no todos los rayos ultravioleta son iguales. La luz ultravioleta se encuentra en una región del espectro electromagnético más allá del índigo y el violeta. Cualquiera que haya leído la etiqueta de una botella de protector solar sabe que las longitudes de onda UV que provocan un bronceado o una quemadura solar se llaman UV-A (con longitudes de onda entre 400 y 315 nanómetros) y UV-B (315 a 280 nm). La tecnología UV germicida se centra en longitudes de onda UV más cortas y energéticas, conocidas como UV-C, que se encuentran entre 280 y 100 nm. La capa de ozono de la Tierra impide que prácticamente toda la luz UV-C nos llegue. Entonces, los microbios y los virus (y todo lo demás, en realidad) evolucionaron durante millones y miles de millones de años sin haber estado expuestos a estas longitudes de onda.

Eso cambió en 1901, con la invención de la lámpara de vapor de mercurio. Produce una potente longitud de onda de luz UV-C, 254 nm, que ha resultado devastadora para casi cualquier material genético en su camino, incluido el de un coronavirus o un ser humano.

Gran parte del truco para manejar la luz ultravioleta germicida contra la propagación de enfermedades radica en encontrar una manera de mantener a las personas a salvo de esa luz. Los involucrados ya han acumulado mucha experiencia en esa área, pero la nueva tecnología podría facilitar el trabajo de usar UV-C en espacios ocupados.

Mientras que la luz UV-C se ha utilizado con éxito contra los gérmenes durante más de un siglo, solo recientemente los investigadores han entendido por qué es tan exitoso. En el alfabeto de nucleótidos de cuatro letras del ADN, la timina (T) y la citosina (C) son particularmente susceptibles a los rayos UV. La luz ultravioleta suelta un electrón y hace que dos moléculas T o dos moléculas C se unan, introduciendo un error en una cadena de ADN. Los humanos tienen mecanismos genéticos de autorreparación, incluida una molécula llamada p53. Esta proteína (a veces denominada "guardián del genoma") patrulla las hebras de ADN y busca precisamente este tipo de daño de nucleótidos. Pero p53 no puede hacer mucho. Demasiado daño lo abruma y puede conducir al cáncer.

Rayos de la muerte: UV-C está en el otro extremo de la porción ultravioleta del espectro. La mayoría de los productos UV-C usan lámparas de vapor de mercurio, que brillan a 254 nanómetros. Los científicos están explorando otra longitud de onda, 222 nm, porque puede ser más segura para usar cerca de humanos. Fuente: UV Resources

El SARS-CoV-2, el virus que causa la COVID-19, carece de mecanismos de autorreparación tan sofisticados y su material genético está formado por ARN en lugar de ADN. El ARN contiene uracilo en lugar de timina, pero el efecto de la UV-C es esencialmente el mismo: el daño genético se acumula y el virus se destruye.

El problema principal con la luz UV-C en el rango de 254 nm es que penetra la piel y los ojos humanos, lo que provoca cáncer de piel y cataratas. Entonces, el efecto de destrucción de ADN de UV-C significa que cualquier dispositivo desinfectante que lo use debe estar diseñado para funcionar cuando no hay nadie en la habitación o en un espacio autónomo donde los humanos no pueden ir.

Los investigadores han estado tratando de equilibrar los beneficios y los peligros de los rayos UV-C durante décadas. A fines de la década de 1930 y principios de la de 1940, el epidemiólogo estadounidense William F. Wells instaló lámparas de vapor de mercurio que emitían UV-C en las escuelas de Filadelfia para combatir un brote de sarampión, como continuación de su innovador trabajo que mostró bacterias y virus en el aire. podría causar una infección. Los artefactos fueron diseñados para irradiar el aire solo en la parte superior del salón, para proteger a los estudiantes y al personal de la exposición a los rayos. Y trabajaron. Las escuelas que tenían el equipo de desinfección del aire experimentaron una tasa de infección del 13,3 por ciento en comparación con el 53,6 por ciento de la población en general.

Los rayos UV germicidas en la mayoría de los entornos comerciales e industriales de hoy todavía provienen de lámparas de vapor de mercurio, dice Hunt de PrescientX. Estos dispositivos tienen un pico espectral a 254 nm. Esa emisión es el resultado de un arco de electricidad que ioniza (típicamente) gas argón y vaporiza mercurio líquido. El vidrio bloquearía la radiación, por lo que estas lámparas están hechas de cuarzo.

Los LED que emiten UV-C, hechos de aleaciones de nitruro de aluminio, son mucho más nuevos y tienen una serie de ventajas potenciales sobre las lámparas de mercurio: no contienen mercurio tóxico, mayor durabilidad, arranque más rápido y emisión en una diversidad de longitudes de onda, lo que puede ayudar en su papel germicida. Sin embargo, lo más importante es el potencial teórico de los LED UV-C para una mayor eficiencia. Sin embargo, ese potencial aún no se ha realizado. Jae-hak Jeong, investigador técnico y vicepresidente de Seoul Semiconductor, dijo a IEEE Spectrum que las lámparas de mercurio de hoy en día tienen una mayor eficiencia de enchufe de pared (entrada de energía eléctrica versus salida de energía óptica) que los LED UV-C en el mercado ahora. Pero no se espera que la ventaja de las lámparas de mercurio dure, porque los investigadores predicen que los LED UV-C mejorarán de la misma manera que lo hicieron los LED azules para alcanzar su posición dominante en la iluminación. Sin embargo, por ahora, los LED UV-C no son lo suficientemente potentes como para esterilizar más que pequeños volúmenes de aire o superficies cercanas.

La experiencia reciente con la luz UV-C confirma lo que Wells descubrió en la década de 1930: la desinfección del aire con luz UV de 254 nm es "muy efectiva", dice Hunt. La iluminación directa del aire en la parte superior de una habitación produce un mejor rendimiento que irradiar el aire dentro de las unidades HVAC, agrega. Según la Illuminating Engineering Society, 17 milivatios de radiación de lámpara de 254 nm por metro cúbico de espacio aéreo superior es la dosis basada en evidencia desarrollada para controlar la tuberculosis. Sin embargo, algunas bacterias, virus y otros microorganismos son más resistentes a la luz UV-C que otros.

El aire allá arriba: las lámparas UV-C germicidas AeroMed Infinity instaladas cerca de los techos en el Kings County Hospital Center, en la ciudad de Nueva York, ayudan a evitar que las partículas de coronavirus en aerosol se propaguen donde esperan los pacientes. Fotos: AeroMed

En esa dosis, los accesorios de aire superior pueden destruir los gérmenes en la línea de visión directa de las lámparas "en cuestión de segundos", dice Saputa de UV Resources. Para mantener a los humanos seguros, los dispositivos, que normalmente cuestan unos pocos miles de dólares cada uno, se colocan a alturas superiores a los 2 metros, y los deflectores no reflectantes dirigen la energía ultravioleta hacia arriba y hacia afuera. (Los rayos UV-C se reflejan mal en la mayoría de las superficies, por lo que hay poco peligro de exposición a los rayos que rebotan en los techos y otros accesorios; sin embargo, los instaladores deben asegurarse usando medidores de UV-C). Estas instalaciones se pueden usar en una variedad de entornos. , incluidas las habitaciones de los pacientes, las salas de espera, los vestíbulos, las escaleras y las entradas y pasillos de la sala de emergencias.

El aire no es el únicocosa que necesita desinfección. Durante la pandemia, los robots que manejan UV en los hospitales y los eliminadores de gérmenes UV en aviones y vagones de metro se han unido a una serie de tecnologías que se están implementando para desinfectar superficies.

La principal diferencia entre estos sistemas y los esterilizadores de aire UV es que los primeros no pueden funcionar cuando hay personas presentes, por lo que no mantienen las áreas libres de virus continuamente. "Los ingenieros de diseño deben tener en cuenta que la desinfección solo dura hasta que las personas se colocan en la cama del hospital o se sientan en el asiento del avión", dice Saputa.

Pero la desinfección esporádica es preferible a ninguna. Antes de este año, Cleanbox Technology, con sede en Carlsbad, California, había estado desarrollando una caja LED UV-C para esterilizar auriculares de realidad virtual y realidad aumentada. El sistema de la compañía se adaptaba fácilmente a la esterilización de máscaras N95, dice el director de tecnología y cofundador de Cleanbox, David Georgeson.

El resultado, la caja de luz desinfectante CleanDefense N95, puede contener cuatro máscaras a la vez. La caja es portátil y se alimenta desde la pared o desde un banco de baterías, lo que permite su uso en entornos móviles como ambulancias y aviones, así como en entornos de atención médica, restaurantes y centros comerciales.

El desafío con esta tecnología y cualquier otro tipo de desinfección UV es que "la radiación tiene que golpear al virus para romper el [ARN] e inactivarlo", dice Robert Karlicek, director del Centro de Sistemas y Aplicaciones de Iluminación del Instituto Politécnico Rensselaer. , en Troy, NY "Si esas partículas de virus están detrás de la suciedad o cubiertas por otra fibra, tendrías que dispersar mucha luz antes de obtener una buena tasa de mortalidad".

Usar, esterilizar, repetir: la luz ultravioleta irradia las superficies de las máscaras protectoras N95 en el sistema de Prescient X (arriba), para que las máscaras se puedan reutilizar. El esterilizador del Instituto Politécnico Rensselaer (centro) baña ambos lados de una máscara a la vez en UV. El sistema de Cleanbox Technology (abajo) se adaptó de uno que desinfectaba el equipo de realidad virtual. Fotos, desde arriba: PrescientX; Robert Karlicek/RPI; Tecnología de caja limpia

El problema se ilustra con lo que se llama el efecto de "pared del cañón". Para las bacterias y los virus, las características texturales en las superficies comunes pueden ser como cañones de 100 metros de profundidad para nosotros. En experimentos con superficies que tenían una textura submilimétrica, la tasa de destrucción de UV-C contra la bacteria Staphylococcus aureus varió hasta 500 veces dependiendo del ángulo en el que caía la luz de la lámpara de mercurio.

Esa dependencia del ángulo es la razón por la que generalmente se necesitan tres sistemas UV para desinfectar una habitación de hospital, según Marc Verhougstraete, profesor asistente de salud pública en la Universidad de Arizona. Incluso entonces, todavía hay áreas no expuestas. Entonces, para esa aplicación, los desinfectantes de superficies UV-C deben ser parte de un sistema que incluya desinfección de superficies de rutina, higiene de manos y tratamiento del aire, dice.

Obtener una dosis completa desde más de un ángulo es clave para desinfectar las máscaras N95 para su reutilización. Karlicek y su equipo desarrollaron un esterilizador de máscara N95 con lámpara de mercurio que se probó en el Hospital Mount Sinai en la ciudad de Nueva York. Utiliza dos conjuntos de lámparas UV para irradiar la parte delantera y trasera de las máscaras al mismo tiempo. PrescientX también está ingresando al negocio de esterilización de máscaras N95 con una caja de luz UV-C llamada Terminator CoV. Y también hay otros sistemas en varios estados de desarrollo y comercialización.

La dosis precisa de UV-C necesaria para inactivar una partícula del virus SARS-CoV-2 aún no se ha determinado, dice el director ejecutivo de PrescientX, Hunt. Pero, agrega, varios estudios revisados ​​por pares han analizado las dosis de UV-C para las cepas de influenza H5N1 y H1N1 y para brotes anteriores de coronavirus, incluidos MERS y SARS. Los expertos creen que es razonable suponer que una cantidad similar de energía inactivará el coronavirus que causa el COVID-19.

Todos esos estudios encontraron que irradiar máscaras con 1 a 2 julios de energía UV-C por centímetro cuadrado fue suficiente para inactivar entre el 99,9 y el 99,99 por ciento de las partículas de virus en la máscara. Dicho esto, eliminar las partículas de coronavirus no es solo un juego de números. Si la unidad de esterilización proyecta sombras sobre la máscara, esa máscara no se desinfectará por completo. Por eso estos sistemas están diseñados con sujetadores y ganchos que estiran la máscara y minimizan las sombras.

"Necesitas intensidad y geometría para deshacerte del virus", dice Hunt.

Dados los efectos nocivos de la UV-C de 254 nm, los científicos están explorando la longitud de onda de mayor energía de 222 nm, en la región UV lejana. Se ha descubierto que esta longitud de onda mata virus y bacterias, y los estudios iniciales muestran que es sustancialmente más segura que los fotones en el rango de 254 nm. De hecho, la luz ultravioleta lejana puede bañar de forma segura una habitación entera con luz esterilizante, incluso con personas presentes.

La luz ultravioleta lejana a 222 nm "apenas penetra la capa externa de la piel", dice David Sliney, gerente jubilado del Programa de Radiación Óptica y Láser del Ejército de EE. UU. en el Centro de Salud Pública del Ejército, cerca de Baltimore. "La proteína lo absorbe en gran medida. Pero hay algunas pruebas de que incluso puede ser más eficaz contra los virus que se transmiten por el aire" que otras luces ultravioleta. La longitud de onda también parece ser segura para los ojos porque no penetra más profundamente que la capa de lágrimas que cubre el ojo. Un estudio de 2019 de ratas albinas en Japón encontró que la exposición prolongada a los rayos UV lejanos no indujo daños en la piel ni en los ojos.

En la actualidad, el UV lejano es generado por lámparas excímeras de criptón-cloro. ("Excimer" es un acrónimo de "excitado" y "dímero", lo que significa un estado excitado de una molécula de dos partes). Dentro de la cámara sellada de vidrio de cuarzo de una lámpara de este tipo, el criptón y el cloro se calientan mediante una descarga eléctrica cuya energía es suficiente para crear momentáneamente un excímero de KrCl, que escupe una línea espectral de 222 nm antes de volver a disociarse.

Sin embargo, estas fuentes de luz no solo emiten luz ultravioleta lejana. "Las lámparas excimer producen un pico a 222 nm, pero también producen luz de longitud de onda [más larga]", explica David Brenner, director del Centro de Investigación Radiológica de la Universidad de Columbia, en la ciudad de Nueva York. "Y eso es perjudicial, porque no tiene las propiedades protectoras de 222 nm. Puede penetrar [la piel] y dañar el ADN".

Los filtros pueden eliminar las longitudes de onda extrañas, pero Brenner dice que una mejor solución sería una lámpara LED de ultravioleta lejano con un perfil espectral estrecho justo en 222 nm. Tal LED aún no existe. "Los LED han estado bajando de longitud de onda durante mucho tiempo", dice. "Una vez que bajas por debajo de 250, 240, 230 [nm], la eficiencia cae drásticamente. Es como un precipicio".

Entonces, a corto plazo, las lámparas de excimer son la mejor esperanza. Brenner espera que dichas lámparas estén en el mercado a fines de este año o principios de 2021.

A pesar de esto arsenal de tecnologías ultravioleta (LED UV-C, lámparas de vapor de mercurio y lámparas de excimer KrCl), la pandemia actual aún puede aparecer y desaparecer antes de que el mundo haya implementado los rayos UV germicidas lo suficientemente amplios como para tener un gran impacto. Y así, los expertos ya están planificando para el próximo patógeno peligroso, y cuando llegue, esperan recibirlo con una falange de purificadores de aire UV y esterilizadores de superficie en hospitales, aeropuertos, transporte público, oficinas, escuelas, hogares de ancianos, tiendas, restaurantes. , ascensores y otros lugares. La ubicuidad de la tecnología ultravioleta debería dificultar mucho la propagación de un brote, tal vez evitando que un contagio letal se convierta en una pandemia.

Este artículo aparece en la edición impresa de octubre de 2020 como "La ofensa ultravioleta".