Prof. Katarzyna Siuzdak: Światło ultrafioletowe - wróg czy przyjaciel człowieka?

Można powiedzieć, że światło niejako rządzi naszym dobowym rytmem. Gdy jeszcze nie było elektryczności, to wschód i zachód Słońca wyznaczały porę pobudki i kładzenia się do snu. Od momentu wynalezienia elektryczności pojawiło się sztuczne światło, dzięki czemu nasza aktywność stała się niezależna od światła naturalnego. Dodatkowo, w miarę poznawania efektów oddziaływania światła na człowieka, poza źródłami światła białego, wprowadzono do użytku lampy, które emitują światło czerwone, podczerwone czy ultrafioletowe.

W latach 90-tych zauważono, że intensywne światło czerwone powoduje wzrost roślin. Potem zyskało coraz większą popularność i wykorzystano je w medycynie w celu biostymulacji, a nawet terapii z użyciem lasera jako źródła światła. Szczególną uwagę poświęcono terapii fotodynamicznej, gdy światło czerwone jest używane jako środek aktywujący uwolnienie leku.

Z drugiej strony mamy światło ultrafioletowe, które jest tak szeroko stosowane, że wymienię tylko kilka jego zastosowań. Każdy z nas pewnie widział świetlówki emitujące promieniowanie UV podczas wejścia do klubu. To właśnie promieniowanie UV generowane jest też przez łóżka w solarium, dzięki czemu, po 10-15 minutach "opalania", możemy wyglądać jak po tygodniu spędzonym na tropikalnej plaży. W końcu też promieniowanie UV jest używane do prowadzenia procesu polimeryzacji, który znamy chociażby z gabinetu kosmetyczki. Brzmi skomplikowanie, ale to właśnie dzięki niemu małe lampki powodują utwardzenie żelu czy lakieru hybrydowego.

Mijająca już pandemia pokazała jak duże jest zapotrzebowanie na różne sposoby radzenia sobie z wirusami i jak wiele różnych działań podjęły grupy naukowców, by poradzić sobie z jej rozprzestrzenianiem. Ponieważ dowiedziono, jak ogromną rolę w rozprzestrzenianiu wirusów odgrywa bliski kontakt i zatłoczenie pomieszczeń, to proponowane są technologie, które zapewniłyby częstą i wydajną dezynfekcję, szczególnie w miejscach użyteczności publicznej.

Wśród różnych środków zaradczych wymienia się środki chemiczne i choć są one skuteczne, to niestety niepraktyczne jeśli rozważamy ich zastosowanie na większą skalą - ze względu na negatywny wpływ na środowisko naturalne, zdrowie, a nawet infrastrukturę. Silne środki chemiczne nie tylko pozwalają na inaktywację wirusów, ale bardzo łatwo wiążą się z różnymi powierzchniami, są lotne i mogą być łatwo wchłaniane do układu oddechowego człowieka. Dodatkowo, stosowanie takich środków wymaga zachowania pewnych powtarzalnych i szczegółowych procedur czyszczenia. Dlatego tak ważne jest zaproponowanie alternatywnego sposobu, by możliwa była łatwa kontrola dawki wybranego środka i nie wymagałaby zaangażowania wielu osób, a do tego można by było go z powodzeniem zastosować na dużych powierzchniach.

Wśród propozycji by sprostać temu wyzwaniu pojawiło się wykorzystanie świata ultrafioletowego. Mimo że jest obecne w promieniowaniu słonecznym, to promieniowanie UV jest niewidoczne dla ludzkiego oka. Pomysł z wykorzystaniem promieniowania UV wynika z jego silnych właściwości biobójczych. Naświetlanie promieniowaniem UV prowadzi do uszkodzeń w łańcuchu DNA i w konsekwencji jego zniszczenia. Dokładniej rzecz ujmując, światło ultrafioletowe inicjuje reakcję pomiędzy dwoma molekułami tyminy czyli związkiem chemicznym, który wraz z adeniną tworzy parę zasad w łańcuchu DNA. Powstały układ takich dwóch tymin, czyli dimer jest bardzo stabilny.

Naprawa uszkodzenia DNA, która polega na wycięciu tych zasad lub usunięciu i jednocześnie wstawieniu nowych, jest wydajna, ale przy większej skali błędów, naprawa już nie jest taka szybka. A im dłużej naświetlany jest organizm, to tym więcej powstaje dimerów i większe jest ryzyko, że naprawa się nie powiedzie. Wydawać by się mogło, że to przecież tylko powstaje para związków chemicznych, ale z powodu nieprawidłowej naprawy mogą zostać zakłócone procesy komórkowe, a dana komórka nie będzie w stanie wykonywać swoich normalnych funkcji. W przypadku, gdy uszkodzenia są rozległe, z tych zdrowych komórek mogą powstać komórki rakowe lub przedrakowe, a w skrajnym przypadku komórka obumrze. Podsumowując ten efekt działania promieniowania UV, to właśnie na skutek akumulacji uszkodzeń DNA możliwe jest zabijanie tych komórek. Co prawda, istnieją systemy naprawcze, ale i one zawodzą w przypadku, gdy tych zniszczonych miejsc w łańcuchu DNA jest sporo.

Należy mieć również na uwadze fakt, że podobne procesy zachodzą podczas korzystania z solariów, gdzie znajdują się lampy emitujące UV, jak również podczas opalania się na plaży. Dlatego odradza się korzystanie z solarium, a z drugiej strony silnie zaleca się stosowanie kremów z filtrem praktycznie przez cały rok. Ale siła rażenia promieniowania ultrafioletowego może być postrzegana jako zaleta i dlatego też jest wykorzystywana m.in. w placówkach medycznych do dezynfekcji pomieszczeń, w bankowości do dezynfekcji bankomatów, i do wielu rodzajów sprzętów laboratoryjnych, opakowań, a nawet przesyłek.

Grupa z Uniwersytetu z Toronto pokazała [1], że LEDy typowo stosowane do oświetlania pomieszczeń, mogłyby równie dobrze emitować na zmianę promieniowanie UV i widzialne i tym samym odegrać istotną rolę w hamowaniu rozprzestrzeniania się wirusa na dużych przestrzeniach.

W pierwszym etapie badań naukowcy zweryfikowali skuteczność tej metody względem zarodników bakterii znanych ze swojej odporności na zmiany w środowisku, w tym też na brak dostępu do wody, jak również ekspozycję na promieniowanie UV. Taka procedura została zastosowana z użyciem oświetlaczy LED emitujących UV, bo stwierdzono, że jeśli światło poradzi sobie z tego typu drobnoustrojem, to znaczy, że bardzo prawdopodobne, że można w ten sposób zabić większość wirusów, które występują w naszym najbliższym otoczeniu.

Wyniki badań wskazały, że zastosowanie takiego modułu oświetlenia pozwoliło na inaktywację zarodników bakteryjnych szczególnie opornych na promieniowanie UV, dlatego w kolejnym etapie zdecydowano się na naświetlenie również wirusa HIV oraz ludzkiego koronawirusa, które są szczególnym zagrożeniem dla naszego zdrowia i życia.

Wykazano, że wystarczyła jedynie 30-sekundowa ekspozycja na światło UV, a 93 proc. populacji ludzkiego koronawirusa zostało zniszczone. W badaniu wykorzystano wirusy z otoczką i należy mieć ten fakt na uwadze, starając się zastosować metodę dla wirusów bez otoczki, które są jeszcze bardziej oporne na działanie światła UV. Jednakże skuteczność zaproponowanej procedury już teraz wskazuje, że wykorzystanie LED-ów, jako źródeł promieniowania UV, byłoby niezwykle obiecującym sposobem na rutynową dezynfekcję zatłoczonych miejsc.

Literatura:

[1] T. Persaud et al, A UV-LED module that is highly effective at inactivating human coronaviruses and HIV-1, Virology Journal (2022)