Forschungsartikel

Bewertung der Wirkung von beschichteten Filtern und Vorfiltern auf die Infektivität und Konzentration des aerosolisierten Phi6-Virus

DOI:

10.3791/70877

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29. Mai 2026

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1Atmospheric Composition Research, Finnish Meteorological Institute, 2Department of Environmental Sciences, Faculty of Biological and Environmental Sciences, University of Helsinki, 3Department of Microbiology, Faculty of Agriculture and Forestry, University of Helsinki, 4Department of Otorhinolaryngology and Phoniatrics-Head and Neck Surgery, Helsinki University Hospital

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Hier präsentieren wir eine Studie zur Bewertung der antiviralen Wirksamkeit kupfer- und silberbasierter Oberflächenbeschichtungen auf Luftfiltern. Mit einer Bioaerosolkammer und Phi6-Bakteriophagen quantifiziert diese Methode die virale Inaktivierung und mechanische Filtrationseffizienz für selbstdesinfizierende Innenraumlufttechnologien.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Entwicklung effizienter Indoorluftfiltertechnologien hat nach der Coronavirus-Pandemie 2019 (COVID-19) an Bedeutung gewonnen. Ziel dieser Studie ist es, die antivirale Wirksamkeit verschiedener kupfer- und silberbasierter Oberflächenbeschichtungen für Luftfilter unter Verwendung einer standardisierten Bioaerosolkammer und des umhüllten Bakteriophagen Phi6 als Ersatz für Atemwegsviren zu bewerten. Oberflächentests bestätigten, dass alle Beschichtungen antivirale Aktivität zeigten, wobei die spezifische kupferbasierte Beschichtungsformulierung (B4) die vollständige Inaktivierung des Phi6-Virus innerhalb von 10 Minuten, A6 innerhalb von 25 Minuten und VS-B innerhalb von 60 Minuten erreichte; Frühe Verringerungen der Infektivität waren hauptsächlich auf Tröpfchenaustrocknung zurückzuführen. Aerosolexperimente zeigten, dass hocheffiziente Partikelluftfilter (HEPA) und Vorfilter die virale Infektiosität auch ohne Beschichtungen erheblich reduzierten, wobei mechanische Filtration eine Logaritamitätsreduktion von 1,0–2,0 bewirkte, und hocheffiziente GF-2-Glasfaserfilter nachweisbare infektiöse Viren eliminierten. Beschichtungen verbesserten die Filtrationseffizienz nicht signifikant, vermutlich aufgrund des begrenzten Viruskontakts mit beschichteten Oberflächen. Verwendete GF-2-Filter zeigten eine verbesserte Virusentfernung, was auf Partikelansammlung und Filterverdichtung zurückzuführen ist, während Beschichtungen die Anzahl der durchgehenden Viren nicht veränderten. VS-B-beschichtete Filter zeigten lipophile Eigenschaften, was auf zusätzliche funktionelle Vorteile hindeutet. Diese Methodik hebt hervor, dass die Filtereffizienz zwar hauptsächlich durch mechanisches Einfangen und Partikelansammlung angetrieben wird, die integrierten Oberflächenbeschichtungen jedoch einen selbstdesinfizierenden Mechanismus bieten, indem sie eingeschlossene Viruspartikel inaktivieren; die Integration von ultraviolettem (UV-)Licht wird als mögliche zukünftige Forschungsrichtung vorgeschlagen, um die Systemwirksamkeit weiter zu verbessern.

Einleitung

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Das Verständnis der luftübertragenen Virusübertragung hat sich während der COVID-19-Pandemie erheblich verbessert. Da Innenräume deutlich höhere Übertragungsrisiken darstellen als im Freien, besteht ein dringender Bedarf, wirksamere Schutzstrategien zu entwickeln 1,2. In diesem Zusammenhang stellen leistungsstarke Klimaanlagen und Luftreinigungssysteme wesentliche Komponenten zur Bekämpfung der Virusübertragung in geschlossenen Räumen dar.

Luftfiltration ist eine der am weitesten verbreiteten Methoden in Luftreinigungssystemen und basiert auf den intrinsischen physikalischen Filtereigenschaften und der mehrschichtigenFilterung 3,4,5. Dies beinhaltet oft einen Vorfilter, einen groben Filter, der große Partikel aufnimmt; ein mitteleffizienter Filter, zum Beispiel ein Kohlefilter; und ein Hochleistungs-Partikelluftfilter (HEPA), der mindestens 99,97 % der Partikel mit der durchdringendsten Partikelgröße von 0,3 μm 6,7 entfernt. Die physikalischen Eigenschaften der Filter bieten viele antimikrobielle Vorteile. Es wurde bereits gezeigt, dass poröse Materialien Viren durch Einfangen und Trocknen inaktivieren können. Hydrophobie oder Hydrophilizität kann ebenfalls entsprechend genutzt werden. Viren mit hydrophober Mantel bevorzugen hydrophobe Oberflächen zur Sorption, während hydrophile Oberflächen hydrophile Virenanziehen 11,12. Darüber hinaus kann eine antivirale Oberflächenbeschichtung verwendet werden, um die Reinigung weiter zu verbessern. Die Beschichtung der Filter zielt darauf ab, Krankheitserreger sofort zu inaktivieren, sobald sie den Filterberühren. Diese Merkmale könnten die Betriebssicherheit erhöhen, insbesondere in Krankenhäusern, aber auch in öffentlichen Umgebungen während Epidemien und Pandemien14.

Für praktische Anwendungen muss der Inaktivierungseffekt der Filterbeschichtungen schnell genug sein, um in Durchströmungsluft genutzt zu werden. Daher sollte die Oberfläche für den direkten Kontakt zwischen der Beschichtung und den Viruspartikeln ausreichen, und die Beschichtung sollte in der Lage sein, das Virus innerhalb der vorgegebenen Kontaktzeit zu inaktivieren. Schwermetalle wie Kupfer und Silber sind dafür bekannt, antivirale Wirkungen zu besitzen 15,16,17. Diese antivirale Wirkung wurde bei Viren wie Poliovirus, Vaccinia-Virus, Herpes simplex 1, Phi6, Papovirus SV-40, Adenovirus, vesikulärem Stomatitis-Virus, SARS-Coronavirus, Baculovirus und katzentiösem Peritonitis-Virus 18,19,20,21,22 beobachtet. Zu den Mechanismen gehören die Freisetzung von Kupfer- und Silberionen sowie die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), die mit Virusproteinen reagieren und Nukleinsäuren oxidieren.

Für diese Forschung wurde eine Aerosolfilter-Testkammer mit einstellbaren Aerosol- und Virenprobeneigenschaften entwickelt, basierend auf einer früheren Kammeraufstellung von Sofieva et al. (2022) (siehe Abbildung 1 und ergänzende Abbildung 1)31). Die angepasste Kammer wurde als geschlossenes System konzipiert, in dem Modellviren pathogener Atemwegskrankheiten von den Filtern beeinflusst werden, wobei die antivirale Wirksamkeit der beschichteten und unbeschichteten Filter bewertet wird. Der umhüllte Bakteriophag Phi6 wurde als Ersatz für Atemwegsviren ausgewählt, da es ein gut erforschtes und weit verbreitetes Modell ist, das sich für virale Aerosolstudien eignet. Da Phi6 für Menschen nicht pathogen ist und als Biosicherheitsstufe 1 (BSL-1) klassifiziert ist, ermöglicht es eine sichere und praktische Bewertung antiviraler Beschichtungen in einem Biosicherheits-Level-2-Laborumgebung (BSL-2) gemäß institutionellen Sicherheitsrichtlinien. Darüber hinaus weist Phi6 strukturelle Ähnlichkeiten mit umhüllten Viren auf, die Atemwegserkrankungen verursachen, wie die Coronavirus 1 und 2 des schweren akuten respiratorischen Syndroms (SARS-CoV-1 und SARS-CoV-2). Seine Lipidhülle verleiht zudem eine spezifische Empfindlichkeit gegenüber Austrocknung und chemischer Inaktivierung und bietet ein repräsentatives Modell zur Bewertung der Wirksamkeit antimikrobieller Oberflächenbeschichtungen und Filtrationssysteme gegen umhüllte Krankheitserreger 32,33,34,35,36,37,38,39.

Ziel dieser Studie war es, zunächst die antivirale Wirksamkeit der ausgewählten Filterbeschichtungsmaterialien mit Kupfer und Silber per Oberfläche durch Oberflächentests mit Phi6-Bakteriophagen vor deren Einsatz in der Luftfiltration zu analysieren. Anschließend wurden diese kupfer- und silberbasierten Oberflächenbehandlungsmaterialien an Luftvorfiltern bewertet, um ihre Fähigkeit zur Verbesserung sowohl der Filtrations- als auch der Eliminationseigenschaften gegen luftübertragene Viren zu bewerten.

Protokoll

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Virus-, Stämme-, Wachstumsmedien und Infektionsviren zählen
Der Bakteriophag Phi6, ursprünglich von Dr. Anne K. Vidaver40 an die Forschungsgruppe geliefert, wurde mit Pseudomonas syringae pv vermehrt. phaseolicola HB10Y als Wirtsbakterium. Der Wirt wurde in Luria–Bertani (LB) Medium bei 22 °C kultiviert. Phi6-Agar-Lagern wurden aus gefrorenem Material durch serielle Verdünnung nach dem Protokoll von Bamford et al. (1995)41 hergestellt und sowohl für Oberflächenviabilitätstests als auch für Virusreinigung verwendet.

Die Reinigung und Konzentration von Phi6 erfolgten gemäß dem von Bamford et al. (1995)41 entwickelten Protokoll. Die resultierende Suspension wurde in einem 20 mM Kaliumphosphatpuffer (K₃PO₄) mit 1 mM Magnesiumchlorid (MgCl₂) verdünnt, auf pH 7,2 angepasst, um einen Endtiter von 5 × 10–1011 plaquebildenden Einheiten pro Milliliter (PFU/mL) zu erhalten. Diese vorbereitete Suspension wurde anschließend für Aerosolerzeugungsexperimente verwendet.

Die Aufzählung infektiöser viraler Partikel erfolgte mit einem standardmäßigen Doppelschicht-Agar-Overlay-Plaque-Assay, der für den Bakteriophagen Phi642 optimiert war. Kurz gesagt wurden für jede Virus- oder Kontrollprobe erste serielle Verdünnungen im LB-Medium vorbereitet, danach wurden bis zu 100 μL jeder Verdünnung 200 μL Wirtsbakteriensuspension und 3 ml Weichagar hinzugefügt. Die Weichagar-Mischungen wurden auf LB-Agarplatten gelegt und die Platten wurden über Nacht bei 22 °C inkubiert. Anschließend werden die Plaques gezählt und die Anzahl der PFU/mL als (Plaques × Verdünnungsfaktor) / voluminiertes Volumen berechnet.

qRT-PCR-Analyse
Die Probenvorbereitung für die quantitative Reverse-Transkription-Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR) folgte dem Protokoll von Gregorova et al. (2022)43. Standardkurven für P2- und P8-RNA wurden mit einer 10-fachen Verdünnungsreihe von 102 bis 109 Molekülen pro 5 μL erzeugt. Jede Verdünnung wurde identisch mit experimentellen Proben verarbeitet, einschließlich Chloroformzusatz, Vortexing, Zentrifugation bei 10.000 × g für 1 Minute bei 22 °C und Zyklen (Zyklus- und Primerinformationen in ergänzender Tabelle 1 und ergänzender Tabelle 2). Negative Kontrollen wurden hergestellt, indem 5 μL ultrareines Wasser als Ersatz für die RNA-Schablone verwendet wurden. qRT-PCR-Daten wurden mit der spezifischen Design- und Analysesoftware analysiert (siehe Materialtabelle).

Aerosolkammer-Aufbau
Eine maßgefertigte, autoklavierbare Aerosolkammer wurde für die Virus-Aerosolisierung und Filtertests entwickelt, nach dem Vorbild eines bereits beschriebenen Systems31. Die Versuchskammer bestand aus einem zylindrischen Glaskörper mit passendem Deckel, einem inneren Metallgerüst und Isolierdichtungen, um eine luftdichte Abdichtung zu gewährleisten (siehe Materialtabelle und ergänzende Abbildung 1).

Die gesamte Untersuchungsaufstellung, einschließlich der Kammer, ist in Abbildung 1 dargestellt. Um eine stabile und reproduzierbare Zufuhr viraler Aerosole sicherzustellen, wurde ein Vernebler in Kombination mit einer Luftpumpe verwendet (siehe Materialtabelle).

Im Inneren der Kammer erzeugte der Vernebler einen Aerosolfluss von 8 L/min. Ungefähr drei Viertel dieses Durchflusses wurden über einen HEPA-Filter in die Abgase geleitet, während das verbleibende Viertel (2 L/min) in die Kammer gelangte. Diese Aufteilung wurde entwickelt, um die Luftfeuchtigkeit bei längeren Messungen zu reduzieren. Aerosole wurden über einen Metalltrichter in die Kammer gebracht, der den Fluss auf die Filter- oder Vorfilteroberfläche leitete.

Aerosolexperimente wurden in einem biologischen Sicherheitsschrank durchgeführt. Nach dem Durchgang durch die Kammer wurde der Luftstrom in einem Desiccator entfeuchtet, um den HEPA-Filter und Durchflussmesser vor übermäßiger Feuchtigkeit zu schützen. Eine externe Pumpe unterstützte den Luftstrom zusätzlich, erzeugte einen Unterdruck im System und sorgte für einen effizienten Ablass durch den Auslassanschluss.

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Abbildung 1: Schaltplan der experimentellen Aerosolkammer und der Probensammlung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Studiendesign
Diese Studie bewertete die antiviralen Eigenschaften von Beschichtungen und Filter-/Vorfiltermaterialien, die in Tabelle 1, ergänzender Tabelle 3 und ergänzender Tabelle 4 aufgeführt sind (siehe auch Materialtabelle). Die Untersuchung wurde in zwei Phasen durchgeführt: Oberflächentests und Vorfiltertests in der Aerosolkammer.

Bei Oberflächentests wurden alle Beschichtungsmaterialien zunächst auf flachen Teststücken untersucht, um ihre antivirale Aktivität zu bestimmen. Die beschichteten Teststücke wurden von Clean Touch Medical LTD bereitgestellt (Tabelle 1 und Materialtabelle). Alle Beschichtungen basieren auf Kupfer- und/oder silberaktiven Komponenten, die in proprietären Matrizen eingebettet sind; Unterschiede zwischen Formulierungen beziehen sich hauptsächlich auf die Metallzusammensetzung, Konzentration und Oberflächenkompatibilität (z. B. flache Oberflächen vs. poröse Filter) (Ergänzende Tabelle 3).

Vorfiltertests in der Aerosolkammer: Unter den verfügbaren Beschichtungen konnte während der Studie nur kupfer- und silberbasierte VS-B-Beschichtung auf Vorfilter aufgetragen werden. Vorfilter, die mit VS-B behandelt wurden, wurden daher in der Aerosolkammer untersucht, um ihre antivirale Leistung unter Aerosolexposition zu bewerten. Fotos aller in der Studie verwendeten Filter und Vorfilter sind in ergänzender Abbildung 2 enthalten.

Die antivirale Wirksamkeit wurde durch zwei komplementäre Methoden quantifiziert: Plaque-Assay zur Messung der Anzahl der infektiösen viralen Partikel (siehe Abschnitt "Virus, Stämme, Wachstumsmedien und infektiöse Viruszählungen") und quantitative PCR (qPCR) zur Bestimmung der Kopienzahlen viraler Genome (siehe Abschnitt "qRT-PCR-Analyse").

Filter und VorfilterFilter bereitgestellt vonBeschichtungen
(Alle bereitgestellt von Clean Touch Medical)
Polyester-Vorfilter FMR-5, unbeschichtet (FMR-5)M-filter LTDExperimentelles kupferbasiertes Oberflächenmittel A6 (A6)
Experimentelles, kupferbasiertes Oberflächenmittel B4 (B4)
Kupfer- und Silberoberflächenagent Viral Safe (VS)
Kupfer- und Silberoberflächenmittel Viral Safe B (VS B)
Polyester-Vorfilter FMR-5, beschichtet mit VS B (FMR-5 VS B)
Polyester-Vorfilter S-11, unbeschichtet (S-11)
Polyester-Vorfilter S-11, beschichtet mit VS B (S-11 VS B)
Doppelschichtiger Glasfaserfilter GF-2, unbeschichtet, (HEPA-Typ-Filter) (GF-2)
Bulpren-Vorfilter BP-6, 6 mm, unbeschichtet (BP-6)Clean Touch Medical LTD
Bulpren Vorfilter BP-6, 6 mm, beschichtet mit VS B (BP-6 VS B)

Tabelle 1: Filter und Oberflächenbeschichtungen, die in dieser Studie verwendet wurden.

Effizienz antiviraler Oberflächenbeschichtungen
Ein Oberflächenviabilitätstest wurde entwickelt, um die Persistenz der viralen Infektivität auf verschiedenen Beschichtungsmaterialien zu bewerten. Kurz gesagt: 20 μL Phi6-Bestand (siehe Abschnitt "Virus, Stämme, Wachstumsmedien und infektiöse Viruszählungen") wurden auf die beschichteten Teststücke pipettiert und mit einem sterilen Glasdreieck gleichmäßig über eine 2 cm × 2 cm große Fläche verteilt. Die Proben wurden in einem Biosicherheitsschrank bei 22 °C für 1 Minute, 5 Minuten, 1 Stunde oder 3 Stunden inkubiert.

Viren wurden durch das Zufügen von 180 μL frischer LB-Brühe zur Oberfläche und das Waschen durch wiederholtes Pipettern geborgen. Eine Plastik-Petrischale diente als Steuerfläche. Alle Experimente wurden bei 22 °C durchgeführt. Die Anzahl der infektiösen viralen Partikel wurde mit einem Plaque-Assay41 quantifiziert.

Auswirkung der antiviralen Beschichtung VS-B auf die Wirksamkeit von Filtern und Vorfiltern
Virensammlung und Filtereffizienztests wurden entweder mit einer Verstopfungsmethode durchgeführt, bei der eine Petrischale mit 20 mM HEPES-Puffer (pH 7,2) oder ein ganzglasiger wirbelnder Impinger (im Folgenden als "der Impinger" bezeichnet; siehe Materialtabelle) durchgeführt wurde. Für die Impaktionsprobennahme wurde eine Petrischale direkt unter dem Filter positioniert, um die Partikelablagerung zu maximieren (Abbildung 1). In Experimenten mit GF-2-Filtern, die seit drei Monaten verwendet wurden, wurde anstelle der Petrischale der Impinger verwendet, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Der Impinger ist ein Glasgerät mit drei Düsen, das eine externe Pumpe zur Luftprobenentnahme in die Flüssigkeit benötigt. Der Luftstrom durch die Düsen erzeugt eine wirbelnde Bewegung der Sammelflüssigkeit entlang der Innenwand, was eine sanfte Partikelentfernung ermöglicht. In dieser Konfiguration wurde der Luftstrom durch den Filter bei 2 L/min gehalten, und beim Verlassen der Kammer erhöhte ein zusätzliches Ventil den Gesamtluftzufluss auf 10 L/min. Aerosole wurden in 5 mL des 20 mM HEPES-Puffers (pH 7,2) eingefangen, wobei der verdunstete Puffer alle 30 Minuten nachgefüllt wurde. Für die Impinger-Experimente sind sowohl die Petrischale als auch der Bulpren-Vorfilter (zur Luftstromausgleichung verwendet; ergänzende Abbildung 1 und ergänzende Abbildung 2B) entfernt.

Das detaillierte Stichprobenprotokoll ist in Tabelle 2 dargestellt. Virale Aerosole wurden gesammelt, indem 1 ml Suspension aus Petrischteln mit 20 mL 20 mM HEPES-Puffer (pH 7,2) gewonnen wurden. Davon wurden 800 μL für die qRT-PCR-Analyse und 200 μL für die Virentitration verwendet. Jeder Filter oder Vorfilter wurde dreimal getestet, und Kontrollläufe ohne Filter/Vorfilter wurden 15 Minuten vor und nach jedem Kammerexperiment durchgeführt. Nach der Vor-Experiment-Kontrolle wurde der interessierende Filter oder Vorfilter in die Kammer eingebracht, die 3 Stunden betrieben wurde, danach wurde der Filter/Vorfilter entfernt und ein Kontrolllauf nach dem Experiment durchgeführt. qRT-PCR- und Virustitrationsproben wurden alle 30 Minuten entnommen, was pro Experiment acht qRT-PCR- und acht Titrationsproben ergab. In den Impinger-Experimenten wurden Titrationsproben nur einmal am Ende des 3-Stunden-Laufs entnommen. Jede qRT-PCR-Probe wurde in flüssigem Stickstoff gefroren und bis zur weiteren Verwendung bei -80 °C gelagert, während die Virustitrationsproben unmittelbar nach dem Experiment mittels Plaque-Assay verarbeitet wurden. Die im Vernebler verwendete Viruslösung wurde sowohl vor als auch nach jedem Experiment getitriert, um die Stabilität zu überwachen.

Drei verschiedene Vorfilter, BP-6, S-11 und FMR-5, sowie der GF-2-Filter (Tabelle 1 und ergänzende Abbildung 2, ergänzende Tabelle 4) wurden mit VS-B beschichtet. Vorfilter bestanden aus synthetischen faserigen Materialien mit unterschiedlichen strukturellen Dichten, die hauptsächlich für die Entfernung grober Partikel und die Stabilisierung des Luftstroms entwickelt wurden, während der GF-2-Filter ein hocheffizienter Glasfaserfilter mit HEPA-ähnlicher Leistung ist. Vorfilter ohne Beschichtung und ein Setup ohne Filter wurden in der Aerosolkammer zum Vergleich getestet.

ZeitpunktAufbauSamples
Steuerung0-15 MinutenKein Filter/Vorfilter, Petrischale mit 20 ml HEPES200 μl für Titration, 800 μL gefroren für qRT-PCR
Experiment0-30 MinutenFilter/Vorfilter von Interesse, neue Petrischale mit 20 ml HEPES
30-60 MinutenFilter/Vorfilter von Interesse, gleiche Petrischüssel mit 19 mL HEPES
60-90 MinutenFilter/Vorfilter von Interesse, derselbe Petrischale mit 18 mL HEPES
90-120 MinutenFilter/Vorfilter von Interesse, dieselbe Petrischale mit 17 mL HEPES
120-150 MinutenFilter/Vorfilter von Interesse, dieselbe Petrischale mit 16 ml HEPES
150–180 MinutenFilter/Vorfilter von Interesse, derselbe Petrischale mit 15 ml HEPES
Steuerung0-15 MinutenKein Filter/Vorfilter, neue Petrischale mit 20 ml HEPES

Tabelle 2: Zeitplan der Probenentnahme.

Wirkung der antiviralen Beschichtung im Vergleich zu verwendeten Filtern
Die Haltbarkeit des antiviralen Effekts auf HEPA-Typ GF-2-Filtern, die mit dem Kupfer-Silber-Oberflächenmittel Viral Safe (VS) beschichtet sind, wurde durch die Messung der Filtereffizienz von Filtern bewertet, die seit drei Monaten verwendet wurden, basierend auf Infektionsviruszählungen und Kopienzahlen des viralen Genoms. Für diese Experimente wurden vier Luftreiniger (siehe Materialtabelle) eingesetzt, die jeweils mit einem HEPA-Filter und einer Aktivkohleschicht ausgestattet waren. Die Filter wurden über einen Zeitraum von drei Monaten in zwei Restaurants vor der Sammlung und Analyse betrieben: eines war ein gehobenes Restaurant, das andere eine Mitarbeitercafeteria in einer Fabrik (weitere Informationen in ergänzender Abbildung 3 und ergänzender Abbildung 4). Die Leistung dieser verwendeten Filter wurde mit der sauberer, unbeschichteter GF-2-Filter verglichen.

Vor dem Kammertest wurden die verwendeten Filter aus den Metallkäfigen des Luftreinigers entfernt, ausgeklappt und in entsprechend große Stücke für die Aerosolkammer in einer laminaren Flusshaube geschnitten, um die Biosicherheit zu gewährleisten und Kreuzkontaminationen zu minimieren. Die GF-2-Filter, die aus einem gehobenen Restaurant und einer Personalcafeteria gesammelt wurden, wurden anschließend in der im Abschnitt "Studiendesign" beschriebenen experimentellen Aufbau getestet, wobei ein modifizierter 5-mL-Impinger zur Aerosolabnahme verwendet wurde.

Neben der antiviralen Effizienz wurden auch die physikalischen Oberflächeneigenschaften der Filter bewertet. Die Lipophilie wurde durch das Auftragen von 50 μL-Tröpfchen Rapsöl bewertet, während die Hydrophobie durch das Auftragen von 50 μL-Tröpfchen deionisierten Wassers auf ausgeschnittene Filterstreifen bestimmt wurde. Kontaktwinkel wurden fotografisch dokumentiert, basierend auf dem Verfahren von Xiao und Wiesner (2012)45. Die Wasserabwehr wurde anhand von Wassertropfen-Durchdringungszeitmessungen (WDPT) quantifiziert, wie sie von Lichner et al. (2006) beschrieben wurden, wobei alle Werte 7200 s46 überschritten.

Statistische Analyse
Die statistische Analyse wurde mit standardisierter statistischer Software (siehe Materialtabelle) durchgeführt, um die Signifikanz beobachteter Unterschiede zwischen getesteten Beschichtungsmaterialien und Filtern zu bewerten. Die statistische Analyse wurde in zwei Schritten für alle Experimente durchgeführt: dem Kruskal-Wallis-H-Test und dem Games-Howell-Post-hoc-Test. Der Kruskal-Wallis-H-Test wurde verwendet, um zu beurteilen, ob signifikante Unterschiede beobachtet wurden, und die spezifische Variation zwischen den Stichprobentypen wurde mittels mehrfacher Mittelwertvergleiche mit dem Games-Howell-Post-hoc-Test bestimmt.

Beschichtungseffizienztests wurden statistisch analysiert, indem der Rückgang der Konzentrationen infektiöser Virusen um 1 und 5 Minuten im Vergleich zu den Anfangskonzentrationen verglichen wurde. Aufgrund des Ziels, die Beschichtungen auf Filtern zu verwenden, suchten wir innerhalb der ersten Minuten des Tests nach einer statistisch signifikanten Abweichung der Virusvermeidung im Vergleich zur Kontrollgruppe.

Statistische Analysen, die signifikante Unterschiede in der Effizienz der Vorfilter mit und ohne Beschichtung in Bezug auf Infektionszählung und qPCR-Ergebnisse ermittelten, wurde für jeden Zeitpunkt – 30 Min, 60 Min, 90 Min, 120 Min, 150 Min. und 180 Min, separat durchgeführt. Die Daten wurden dann nach Vorfiltertyp und dem Vorhandensein einer Beschichtung auf der Vorfilteroberfläche gruppiert. Ebenso wurden die Ergebnisse der verwendeten GF-2-Filter hinsichtlich Effizienz hinsichtlich der Virusinaktivierung und Filtrationseffizienz bewertet, indem Daten nach Standort und dem Vorhandensein einer Beschichtung auf der Filteroberfläche gruppiert wurden.

Ergebnisse

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Effizienz antiviraler Oberflächenbeschichtungen
Die Oberflächenviabilitätstests bestätigten, dass alle getesteten Beschichtungsmaterialien antivirale Eigenschaften besitzen, wobei die VS-Beschichtung die langsamste Virusinaktivierungsrate zeigt (Abbildung 2A). Die statistische Analyse bestätigte einen signifikanten Rückgang der Konzentrationen infektiöser Viren nach 1 und 5 Minuten im Verhältnis zur Anfangskonzentration für jede Beschichtung und Kontrolle (S. < 0,001, Abbildung 2B, Ergänzungstabelle 5). Die experimentelle kupferbasierte Oberflächenbeschichtung B4 erreichte die schnellste Reduktion, indem sie die Anzahl der infektiösen Viren innerhalb von 5 Minuten um bis zu drei Größenordnungen senkte, und Viren waren nach 15 Minuten nicht mehr nachweisbar (Nachweisgrenze: 100 PFU/mL). Andere Beschichtungen, A6 und VS-B, erreichten ebenfalls die vollständige Inaktivierung von Phi6 innerhalb von 25 bzw. 60 Minuten (Abbildung 2A).

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Abbildung 2: Antivirale Wirkung von Oberflächenbeschichtungen auf die Virusinfektivität. (A) Verlust infektieller Partikel in Funktion der Zeit. (B) Verhältnis des Verlusts von infektiösen Viruspartikeln im Vergleich zum 0-Minuten-Punkt. Die Beschichtungsspezifikationen sind in Tabelle 1 und in ergänzender Tabelle 3 aufgeführt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Im Vergleich zur Kontrolle war die Virusinaktivierung innerhalb der ersten 5 Minuten am wenigsten effizient, indem A6 beschichtet wurde (p = 0,006 nach 1 Min. und p = 0,012 nach 5 Minuten, Ergänzungstabelle 6), gefolgt von der Beschichtung von VS (p = 0,001 nach 1 Min. und p = 0,017 nach 5 Minuten, Ergänzungstabelle 6). Die Beschichtung B4 hatte eine geringere Inaktivierung im Vergleich zur Kontrolle zum Zeitpunkt von 1 Minuten (p = 0,001, ergänzende Tabelle 6), unterschied sich jedoch nicht signifikant von der Kontrolle am 5-Minuten-Zeitpunkt (p > 0,05, ergänzende Tabelle 6). Über einen längeren Zeitraum zeigte VS-B eine erhöhte Virusinaktivierung ähnlich wie bei B4 und A6. Detaillierte Ergebnisse der statistischen Analyse finden Sie in ergänzender Tabelle 6.

Auswirkung der antiviralen Beschichtung VS-B auf die Wirksamkeit von Filtern und Vorfiltern
Experimente zeigten, dass alle drei untersuchten Prefilter – BP-6, S-11 und FMR-5 – gleichermaßen wirksam waren, um die Anzahl der durch sie hindurchströmenden Infektionsviren signifikant um 1,5–2,0 Größenordnungen im Vergleich zum Nicht-Filter-System zu senken (Abbildung 3A, Ergänzende Tabelle 7). GF-2-Filter senkten die Viruslast um mindestens sechs Größenordnungen, und es wurden keine infektiösen Phi6-Virusplaques innerhalb des Nachweislimits festgestellt (als nicht nachweisbare Daten (*) in Abbildung 3A angegeben).

Die VS-B-Beschichtung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Wirksamkeit der Filtration infektiöser Virusen (Abbildung 3B). Bei den Vorfiltern S-11 und FMR-5 lag der Unterschied in der Anzahl der infektiösen Viren, die durch die beschichteten und unbeschichteten Vorfilter passierten, innerhalb der Standardabweichung (SD), was auf die Bedeutungslosigkeit des Unterschieds hinweist (ergänzende Tabelle 8). Überraschenderweise schnitt der unbeschichtete Vorfilter BP-6 in den ersten 90 Minuten besser ab als der beschichtete BP-6-Vorfilter. Die Unterschiede zwischen beschichteten und unbeschichteten Vorfiltern erwiesen sich jedoch als statistisch unbedeutend (S. > 0,05, Ergänzende Tabelle 8).

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Abbildung 3: Durchschnittliche Konzentrationen infektiöser Viren des nebulisierten Phi6-Virus auf Verstopfungsplatten. (A) Für den GF-2-Filter, das No-Filter-Setup und die Pre-Filter-Pre-Filter. (B) Nur für Vorfilter. Fehlerbalken stellen Standardabweichungen (SD) dar, und Filtertypen sind in Tabelle 1 aufgeführt. VS-B steht für beschichtete Filter. GF-2-Filterdaten unterhalb des Detektionslimits und sind mit einer gestrichelten Linie markiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Die Ergebnisse des qRT-PCR-Experiments zeigten, dass Pre-Filter die Genom-Kopienzahl der Viren, die Pre-Filter passieren, um bis zu zwei Größenordnungen senkten, während der GF-2-Filter eine Verringerung von bis zu vier Größenordnungen im Vergleich zur Nicht-Filter-Anlage zeigte (Abbildung 4A, Ergänzende Tabelle 9). Während der ersten 30 Minuten blieben die Unterschiede zwischen Vorfiltern und der Nicht-Filter-Konfiguration gering, während ab dem 60-Minuten-Zeitpunkt die Vorfilter eine erhöhte mechanische Filtereffizienz zeigten (Abbildung 4A, Ergänzungstabelle 10). Die VS-B-Beschichtung beeinflusste nicht die Kopienzahl des Virusgenoms, die durch den Filter ging (Abbildung 4B). Unterschiede in den Genomkopien lagen innerhalb der Standardabweichung (S. > 0,05, ergänzende Tabelle 10).

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Abbildung 4: Durchschnittliche Konzentrationen der Kopienzahl des verneblten Phi6-Virus im Virusgenom auf Verstopfungsplatten. (A) Für den GF-2-Filter, das Nicht-Filter-Setup und die Vorfilter. (B) Nur für Vorfilter. Fehlerbalken stellen Standardabweichungen (SD) dar, und Filtertypen sind in Tabelle 1 aufgeführt. VS-B steht für beschichtete Filter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen, dass die Anzahl der infektiösen Viren (PFU/mL) im Vergleich zur Gesamtzahl der durch den Filter passierenden Viren-Viren etwa zwei Größenordnungen kleiner ist für Pre-Filter und den GF-2-Filter und ohne Filter nur eine Größenordnung kleiner. Dies legt nahe, dass die Wirkung der Filterung, selbst bei sanftem Luftstrom, mechanisch zerstörerisch für die Viruspartikel sein kann, was zum Verlust der Infektivität führt.

Basierend auf dem experimentellen Luftstrom (2 L/min) und der geschätzten Filteroberfläche (~20 cm²) betrug die Flächengeschwindigkeit etwa 0,01–0,02 m/s. Typische Porositätswerte für faserige Filter liegen zwischen etwa 0,7 und 0,98, abhängig von Material und Packungsdichte, wobei Glasfaser-HEPA-Filter im Allgemeinen eine geringere Porosität (~0,7–0,9) im Vergleich zu offeneren synthetischen Vorfiltern (~0,85–0,98) aufweisen. Unter Berücksichtigung der Filterporosität und der internen Strömungsbedingungen wurde die Zwischengeschwindigkeit innerhalb der Filtermatrix auf etwas höher als die Flächengeschwindigkeit (0,02–0,03 m/s) geschätzt. Unter Verwendung von Filterdicken und Berücksichtigung Tortuositätsfaktoren (1,2–2,0) wurde die effektive Verweilzeit von Aerosolpartikeln innerhalb der Filterstruktur auf etwa 0,03 bis 0,4 s49 geschätzt. Diese subsekundenlangen Interaktionszeiten deuten darauf hin, dass der Kontakt zwischen Virus und Oberfläche sehr vorübergehend ist und den Beitrag antiviraler Beschichtungen während der Single-Pass-Filtration einschränkt.

Wirkung der antiviralen Beschichtung im Vergleich zu verwendeten Filtern
Die beschichteten und unbeschichteten GF-2-Filter, die in Luftreinigern drei Monate lang in den beiden ausgewählten Restaurants verwendet wurden (ergänzende Abbildung 3 und ergänzende Abbildung 4), wurden hinsichtlich ihrer Filterkapazität untersucht. Unter denselben experimentellen Bedingungen durchliefen unbeschichtete, unbeschichtete (Kontroll-)Filter 1,23 × 102 PFU/mL infektiöser Viren. Verwendete, unbeschichtete Filter aus dem gehobenen Restaurant und der Personalcafeteria verließen ~3 PFU/mL bzw. 2,3 × 10PFU /mL infektiöser Viren. Im Gegensatz dazu überschritten VS-beschichtete Filter aus einem gehobenen Restaurant und einer Personalcafeteria jeweils 5,3 × 101 PFU/mL bzw. 4,6 × 101 PFU/mL infektiöser Viren (Abbildung 5). Statistisch signifikante Unterschiede bei den Infektionsviruszählungen wurden zwischen den Filtern beobachtet, wobei 3 Monate verwendete, unbeschichtete GF-2-Filter die ausgeprägteste Reduktion zeigten (Abbildung 5; χ2(2) = 11,432, p = 0,022, Ergänzungstabelle 11). Die mit den beschichteten, drei Monate alten GF-2-Filtern erzielte Ergebnisse lieferten ähnliche Ergebnisse wie die unbeschichteten GF-2-Filter bei p > 0,05 (Ergänzende Tabelle 12).

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Abbildung 5: Konzentrationen von infektiösen Virussen nach Tests von drei Monate alten gebrauchten Filtern. Jeder Datenpunkt repräsentiert den Durchschnitt von drei Experimenten und die berechnete Standardabweichung über drei Wiederholungen. VS = Kupfer- und Silberoberflächenmittel Viral Safe; GF-2 = Doppelschichtiger Glasfaserfilter GF-2, unbeschichtet (HEPA-Typ-Filter); Die Kästchen zeigen das 95%-Konfidenzintervall für den Mittelwert, also die schwarze Linie zwischen unterem und oberem Konfidenzintervall. Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung (SD) für jeden Filtertyp. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Die qRT-PCR-Ergebnisse der verwendeten, ungenutzten, beschichteten und unbeschichteten Filter sind in Abbildung 6 dargestellt. qRT-PCR-Daten von unbeschichteten, unbeschichteten (Kontroll-)Filtern zeigten 2,7 × 103 Kopien/ml viraler Genomkopien. Daten der verwendeten, unbeschichteten Filter aus dem gehobenen Restaurant und der Personalcafeteria zeigten 3,6 × 102 Kopien/mL bzw. 2,4 × 103 Kopien/mL viraler Kopien, während VS-beschichtete Filter aus dem gehobenen Restaurant und der Personalcafeteria 2,8 × 103 Kopien/mL bzw. 4,6 × 103 Kopien/mL virale Kopien zeigten (Abbildung 6). Der verwendete, unbeschichtete GF-2-Filter aus dem Fine-Dining-Restaurant war deutlich effizienter bei der Reduzierung der Kopienzahlen viraler Genome im Vergleich zum verwendeten, unbeschichteten Filter aus der Personalcafeteria (p = 0,012), dem verwendeten VS-beschichteten Filter aus dem Fine-Dining-Restaurant (p < 0,001) oder dem verwendeten VS-beschichteten Filter aus der Personalcafeteria (p = 0,005) (Ergänzungstabelle 13 und Ergänzende Tabelle 14)). Im Vergleich zum ungenutzten, unbeschichteten GF-2-Filter führte der verwendete unbeschichtete GF-2-Filter aus dem gehobenen Restaurant jedoch zu keinem statistisch signifikanten Unterschied (S>0,05). Detaillierte statistische Analyseergebnisse sind in der ergänzenden Tabelle 14 dargestellt.

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Abbildung 6: Konzentration der Kopienzahlen des viralen Genoms nach Tests von drei Monaten alten verwendeten Filtern. Jeder Datenpunkt stellt den Durchschnitt von drei Experimenten und die berechnete Standardabweichung dar. VS = Kupfer- und Silberoberflächenmittel Viral Safe; GF-2 = Doppelschichtiger Glasfaserfilter GF-2, unbeschichtet (HEPA-Typ-Filter); Die Kästchen zeigen das 95%-Konfidenzintervall für den Mittelwert, also die schwarze Linie zwischen unterem und oberem Konfidenzintervall. Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung (SD) für jeden Filtertyp. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Um die beobachteten Unterschiede in der Filterleistung zu klären, wurden Hydrophobie- und Lipophilitätstests durchgeführt. Alle im gehobenen Restaurant und in der Personalcafeteria verwendeten Filter wiesen auf beiden Oberflächen eine hohe Hydrophobie auf (Innenseite – zum einströmenden Luftstrom gerichtet; außen – zum ausgehenden Luftstrom gerichtet), wobei der anfängliche Kontaktwinkel der Wassertropfen konstant über 120 Grad lag, wie auf Fotos (nicht gezeigt) festgehalten wurde. Messungen der Wassertropfen-Durchdringungszeit (WDPT) zeigten eine starke wasserabweisende Eigenschaft, wobei alle Werte 7200 s überstiegen. Die Variabilität zwischen wiederholten Tests war größer als zwischen den Filtertypen, möglicherweise aufgrund mechanischer Störungen der verwendeten Filter. Daher wurden mit diesen Methoden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Filtern festgestellt.

Die Lipophilizität wurde durch das Auftragen von Rapsöltropfen auf die Filteroberflächen bewertet. Unbeschichtete Filter zeigten durchgehend eine geringe Lipophilizität, wobei der Kontaktwinkel des Tröpfchens während des gesamten Tests über 120 Grad blieb. Im Gegensatz dazu zeigten Viral Safe-beschichtete Filter eine schnelle Tröpfchenausbreitung, mit einem ungefähren Winkel von weniger als 30 Grad, der 60 Sekunden nach der Anwendung aufgezeichnet wurde (ergänzende Abbildung 5). Es bleibt unklar, ob diese erhöhte Lipophilizität auf die Beschichtung selbst oder auf den Anwendungsprozess zurückzuführen ist.

DATENVERFÜGBARKEIT
Rohdaten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind in Supplementary File 1 verfügbar.

Ergänzende Abbildung 1: Sondergefertigte Aerosolkammer und ihre Bestandteile.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: Bilder von Filtern, Vorfiltern und Beschichtungen. (A) Polyester FMR-5 Vorfilter, (B) Bulpren BP-6 Vorfilter, (C) Polyester S-11 Vorfilter, (D) Doppelschichtiger Glasfaser GF-2 Filter. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3: Die Anordnung des gehobenen Restaurantraums, in dem Luftreiniger verwendet wurden (siehe Materialtabelle), markiert durch blaue Rechtecke. Gelbe Rechtecke markieren Tische, und ein dunkelgraues Rechteck markiert die Tür. Ein Feld im Raster entspricht 1 m2. Zimmergröße ~60 m2. Etwa 30 Gäste besuchen täglich. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4: Der Grundriss der Süßwarenfabrik, Personalcafeteria, in der Luftreiniger (siehe Materialtabelle) verwendet wurden, markiert durch blaue Rechtecke. Gelbe Rechtecke markieren Tische, dunkelgraue Rechtecke markieren Türen, graue Rechtecke kennzeichnen Selbstbedienungstische und schwarze Rechtecke tragen Stützsäulen. Ein Feld im Raster entspricht 1 m2. Zimmergröße ~160 m2. Etwa 20 bis 50 Gäste besuchen täglich. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 5: Rapsöltropfen (50 μL) auf GF-2-Filteroberflächen, die in den Restauranttests verwendet wurden. Filter, die mit einer Viral Safe (VS)-Beschichtung (1–5) bedeckt waren, waren signifikant weniger lipidabweisend als die unbeschichteten Filter (1, 6–7). Die Bilder wurden mit dem Okular eines Vorbereitungsmikroskops mit 40-facher Vergrößerung 60 Sekunden nach dem Auftragen eines Tröpfchens aufgenommen. "In" bezeichnet die Seite des Filters, auf der der Luftstrom eintritt; "Out" bezeichnet die Luftaustrittsseite. Die VS-B-Beschichtung ist außen angebracht. 1 bezieht sich auf einen alten, gebrauchten Filter aus dem Fine-Dining-Restaurant; 2 und 3 waren VS-B-beschichtete Filter, die im Fine-Dining-Restaurant verwendet wurden; 4 und 5 waren VS-B-beschichtete Filter, die in der Personalkantine verwendet wurden; und 6 und 7 waren unbeschichtete Filter, die in der Personalkantine verwendet wurden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 1: Informationen zum qRT-PCR-Zyklus. Deckeltemperatur 105 °C, 45 Zyklen, Datenerfassung im 62 °C Schritt. Adaptiert nach Gregorova et al.43. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 2: Informationen zum qRT-PCR-Primer. Adaptiert nach Gregorova et al.43. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 3: Detaillierte Beschreibung der in dieser Studie verwendeten Beschichtungsmaterialien. Die genauen chemischen Zusammensetzungen von Beschichtungen sind proprietär des Herstellers (Clean Touch Medical Ltd.). Die Beschreibungen basieren auf funktionaler Klassifikation und bekannten aktiven Komponenten (Kupfer und/oder Silber). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 4: Detaillierte Beschreibung der in dieser Studie verwendeten Filtermaterialien. Die genauen Materialzusammensetzungen kommerzieller Vorfilter werden von den Herstellern nicht vollständig offengelegt; Die Beschreibungen basieren auf typischen Materialien in HLK-Filtersystemen und beobachteten strukturellen Eigenschaften. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 5: Teststatistiken: Kruskal–Wallis-Analyse der viralen Infektivität an antiviralen Oberflächenbeschichtungen. Die Gruppierungsvariable ist Beschichtungstyp. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 6: Statistisch signifikante Unterschiede in der viralen Infektivität zwischen Beschichtungen zu Zeitpunkten von 1 und 5 Minuten gemäß Games-Howell Multiple-Comparisons Post-hoc Testergebnissen. Die statistische Signifikanz ist in den ersten beiden Tafeln der Tabelle mit Ja angegeben, bei 1 und 5 Minuten Zeitpunkten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 7: Teststatistik: Kruskal–Wallis-Analyse der viralen Infektivität über Filtertypen hinweg und die No-Filter-Bedingung. Die Gruppierungsvariable ist der Filtertyp. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 8: Ergebnisse für den Mehrfachvergleichstest der viralen Infektivität zwischen Pre-Filter- und No-Filter-Einrichtung bei 30 Minuten, 60 Min, 90 Min, 120 Min, 150 Minuten und 180 Minuten gemäß Games-Howell Multiple Comparisons Post-hoc Test.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 9: Teststatistiken: Kruskal–Wallis-Testergebnisse, die Unterschiede in der Viruskopienzahl zwischen Pre-Filter-Typen, dem GF-2-Filter und dem No-Filter-Setup bewerten. Die Gruppierungsvariable ist Filtertyp. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 10: Ergebnisse für den Mehrfachvergleichstest der Virenkopienzahlen zwischen Pre-Filtern, GF-2-Filter und No-Filter-Einrichtung bei 30 Minuten, 60 Min, 90 Min, 120 Min, 150 Minuten und 180 Minuten gemäß Games-Howell Multiple Comparisons Post-hoc Test.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 11: Teststatistiken: Kruskal–Wallis-Testergebnisse, die die virale Infektivität zwischen ungenutzten GF-2-Filtern und Filtern in Restaurants vergleichen. Die Gruppierungsvariable ist Filtertyp. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 12: Ergebnisse für den Mehrfachvergleichstest der viralen Infektivität zwischen Pre-Filter- und No-Filter-Setup gemäß Games-Howell Multiple Comparisons Post-hoc Test.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 13: Kruskal–Wallis-Testergebnisse, die die Anzahl der Virenkopien zwischen Pre-Filter-Typen, dem GF-2-Filter und dem No-Filter-Setup vergleichen. Die Gruppierungsvariable ist Filtertyp. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle 14: Ergebnisse für den Multiple-Comparison-Test der Virus-Kopienzahlen zwischen Pre-Filtern, GF-2-Filter und No-Filter-Setup gemäß Games-Howell Multiple Comparisons Post-hoc Test.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 1: Rohdaten dieser Studie.Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

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In dieser Studie stellen wir ein Protokoll zur Bewertung der Effizienz von antiviralen Filter- und Vorfilteroberflächenbeschichtungen in einer mikrobiologischen Aerosolkammer vor. Die hergestellte Kammer bietet ein kontrolliertes, geschlossenes System, das sich für aseptische mikrobiologische Analysen eignet, da sie autoklavierbar, tragbar, transparent und im kleinen Maßstab (3 L) im Vergleich zu einigen zuvor beschriebenen Kammern31, 50 und 51 ist.

Alle in dieser Studie getesteten Beschichtungsmaterialien wiesen antivirale Aktivität auf (Abbildung 2A), wobei die experimentelle kupferbasierte Oberflächenbeschichtung B4 die höchste Wirksamkeit zeigte und die Virusinfektivität innerhalb von 10 Minuten unter den Nachweisgrenze senkte. Die kupferbasierte Beschichtung A6 folgte dicht und erreichte eine vollständige virale Inaktivierung in 25 Minuten (Abbildung 2A). Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Berichten über die antiviralen Eigenschaften von Kupfer und Silberüberein: 17,18,20,21,22,52. In den ersten 5 Minuten vor der Tröpfchenaustrocknung wurde keine Virusinaktivierung beobachtet, was darauf hindeutet, dass die frühen Verringerungen der Infektiosität hauptsächlich auf das Austrocknen und nicht auf die Beschichtung selbst zurückzuführen sind (Kontrolle, Abbildung 2A, Abbildung 2B)36. Die Beschichtungen B4 und A6 zeigten eine schnellere Inaktivierungskinetik im Vergleich zu VS- und VS-B-Beschichtungen, während VS-B bis zu 60 Minuten benötigte, um die Detektionsgrenze zu erreichen (Abbildung 2A). Vorfilter mit B4- und A6-Beschichtungen waren nicht verfügbar; daher wurde VS-B für nachfolgende Filter-Aerosolexperimente ausgewählt.

Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen, dass HEPA-Filter und Vorfilter die Anzahl der Viren, die sie passieren, auch ohne eine antivirale Beschichtung effektiv reduzieren. Mechanische Belastung von aerosolisierten Viren während der Filtration führte zu einer logaritmischen Reduktion der viralen Infektivität um 1,0–2,0 (von ~8 × 105 – 1 × 107 PFU/mL auf ~5 × 104 – 105, Abbildung 3A). Diese Reduktion wurde in allen Pre-Filter-Tests konstant beobachtet und stützt die bisherigen Ergebnisse 50,53,54. Beim GF-2 HEPA-Typ Filter war der Verlust der viralen Infektivität sogar noch größer, ohne nachweisbare infektiöse Partikel innerhalb der Empfindlichkeitsgrenzen der Methode (Abbildung 3A). Die geringere Infektivität im Verhältnis zur Gesamtzahl der Genomkopien deutet darauf hin, dass die Filtration mechanische Schäden an den Viruspartikeln verursacht, ein Phänomen, das besonders für das umhüllte Phi6-Virus ausgeprägt ist. Da umhüllte Viren anfälliger für mechanische Störungen sind, kann dieser Unterschied bei nicht-umhüllten Virengeringer sein.

In Aerosoltests hatten Beschichtungen keinen statistisch signifikanten Einfluss auf die Filtrationsleistung der Vorfilter. Dies spiegelt wahrscheinlich den begrenzten Kontakt zwischen der Beschichtung und den durch den Filter passierenden Viren wider und liefert ähnliche Ergebnisse bei beschichteten und unbeschichteten Vorfiltern (Abbildung 3B, Abbildung 4B). Die berechneten Verweilzeiten unter einer Sekunde deuten darauf hin, dass antivirale Inaktivierungskinetik sehr kurzfristig auftreten muss, um unter realistischen Luftstrombedingungen wirksam zu sein. Außerdem deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die getesteten Beschichtungen nicht die elektrostatische Affinität zeigen, die für Kupferionen charakteristisch für negativ geladene biologische Moleküle ist, die sonst Viren zum Filter anziehen und ihren Durchgang56 reduzieren könnten. Daher liegt der Hauptvorteil von Vorfilterbeschichtungen möglicherweise in ihren selbstdesinfizierenden Eigenschaften nach der Aufnahme, wie in Oberflächentests gezeigt, und nicht in der Verbesserung der mechanischen Filtrationseffizienz. Wichtig ist, dass die in dieser Studie durchgeführten Experimente Single-Pass-Filtrationsbedingungen darstellen, bei denen aerosolisierte Partikel nur einmal mit dem Filter interagieren. Dies führt zu sehr kurzen Verweilzeiten und begrenztem Kontakt zwischen Virus und Oberflächen, was wahrscheinlich die beobachtbare Wirkung antiviraler Beschichtungen verringert. Im Gegensatz dazu arbeiten reale Luftreinigungssysteme typischerweise unter Umlaufbedingungen, bei denen wiederholte Luftpassagen den kumulativen Kontakt erhöhen und die Beschichtungswirksamkeit verbessern können.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass GF-2-Filter eine verbesserte Entfernung infektiöser Viren nach drei Monaten kontinuierlicher Nutzung in Luftreinigern im gehobenen Restaurant und der Personalcafeteria zeigten (ergänzende Abbildung 3 und ergänzende Abbildung 4) im Vergleich zu den ungenutzten Filtern (Abbildung 5). Diese Verbesserung lässt sich auf mehrere Faktoren zurückführen. Erstens wurde berichtet, dass die Ansammlung von Staub und anderen Partikeln Viren57 inaktiviert. Zweitens kann die fortschreitende Ansammlung von Luftschadstoffen im Innenraum die Filterstruktur verdichten und soihre Wirksamkeit vorübergehend steigern. Bemerkenswert ist, dass das Vorhandensein von Beschichtungen weder die Virusinfektivität noch die von qRT-PCR nachgewiesene Genomkopienzahlen signifikant beeinflusste. Der Durchgang nicht-infektiöser Virenpartikel war unabhängig von Filterbeschichtungen oder Verwendung ähnlich, was darauf hindeutet, dass die beobachtete Filtrationseffizienz der GF-2 HEPA-Filter und Vorfilter hauptsächlich ihre mechanischen Eigenschaften widerspiegelt. Dennoch hatte die Ansammlung gefilterter Partikel auf der GF-2-Filteroberfläche einen ausgeprägten Effekt auf die Verringerung der Anzahl der durchströmenden infektiösen Viren (Abbildung 5).

Um die in Abbildung 5 und Abbildung 6 beobachteten Unterschiede in der Filterleistung zu verstehen, wurden zusätzliche Tests durchgeführt. Alle Filter zeigten bei Kontakt mit Wassertropfen eine starke Hydrophobie, während Öltropfentests deutliche Unterschiede zeigten, wobei VS-beschichtete Filter eine ausgeprägte Lipophilizität zeigten. Der zugrunde liegende Mechanismus für diese Variation bleibt unklar, aber diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Alter oder die Nutzungshistorie des Filters möglicherweise nicht die Hauptfaktoren für die Leistung sind. Stattdessen kann die Art der Oberflächenvorbehandlung die physikalischen Eigenschaften des Filters verändern und folglich die Virusbindung und den Durchgang des Virus beeinträchtigen. Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass antivirale Beschichtungen funktionale Vorteile über die mechanische Filterung hinaus bieten, insbesondere durch ihr selbstdesinfizierendes Potenzial, das die Gesundheitsrisiken für das Personal beim Umgang mit gebrauchten Filtern verringern kann.

Obwohl dieses Protokoll einen robusten Rahmen zur Bewertung der antiviralen Filtration bietet, sollten mehrere Einschränkungen berücksichtigt werden. Erstens wurde der umhüllte Bakteriophag Phi6 als Ersatz für menschliche Atemwegskrankheitserreger verwendet. Obwohl Phi6 strukturelle und chemische Ähnlichkeiten mit Coronaviren aufweist, können Unterschiede in der Umweltstabilität und Oberflächenproteinen die genaue Inaktivierungskinetik beeinflussen. Zweitens, obwohl einige Beschichtungen eine signifikante Wirksamkeit zeigten, bewertete diese Studie eine begrenzte Auswahl an Formulierungen unter spezifischen Aerosolbedingungen; Zukünftige Forschung sollte den Umfang erweitern und ein breiteres Spektrum antimikrobieller Wirkstoffe umfassen. Schließlich wurden die Experimente in einer kontrollierten Aerosolkammer mit reguliertem Luftstrom und Luftfeuchtigkeit durchgeführt. Obwohl diese Bedingungen die Reproduzierbarkeit gewährleisten, spiegeln sie nicht vollständig den komplexen, turbulenten Luftstrom und schwankenden Umweltparametern wider, wie sie in realen Innenraumumgebungen zu finden sind.

Insgesamt zeigt diese Studie, dass GF-2-Glasfaserfilter und Vorfilter zwar infektiöse Viren effizient entfernen, insbesondere nach längerer Anwendung aufgrund von Partikeldichtung, die Hauptaufgabe kupfer- und silberbasierter Beschichtungen jedoch darin besteht, Viren bei direktem Kontakt zu deaktivieren. Diese Ergebnisse unterstreichen die Robustheit der mechanischen Filtration bei der Kontrolle luftübertragener Viren und legen nahe, dass zukünftige Studien die Kombination von antiviralen Beschichtungen mit komplementären Interventionen wie UV-Bestrahlung bewerten sollten, um das Übertragungsrisiko weiter zu verringern. Vorfilter60,61. Auch zukünftige Feldstudien, bei denen diese Beschichtungen in bestehende Gebäudebelüftungssysteme integriert werden, werden unerlässlich sein, um ihre Leistung vor Ort zu validieren.

Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sari Korhonen wird für hervorragende technische Unterstützung gedankt. Pavlina Gregorova wird für ihre Beratung zum qRT-PCR-Protokoll gewürdigt. Wir danken dem verstorbenen Professor Dennis H. Bamford für seinen unschätzbaren Beitrag bei der Gestaltung des Kammeraufbaus und für seine gesamte Unterstützung während der Experimente. Dr. A.-P. Hyvärinen wird dafür gedankt, dass er beim Aufbau der Aerosoltestkammer geholfen hat. Die Einrichtungen und Expertise der Instruct-HiLIFE Biocomplex-Einheit an der Universität Helsinki, einem Mitglied des Instruct-ERIC Centre Finland, FINStruct und Biocenter Finland werden dankbar gewürdigt. Die Studie wurde vom Forschungsrat Finnlands, der COVID-Sonderfinanzierung 335681 und der Finanzierung 368144 an die NSA finanziert. Der Forschungsrat Finnlands ist für die ACCC-Flaggschifffinanzierung (Zuschuss Nr. 337552) anerkannt. Wir legen die Finanzierungsunterstützung von Clean Touch Medical LTD, M-Filter LTD und UniqAir LTD zur Finalisierung der Experimente offen, ohne dass die Unternehmen an der Experimentplanung, der Ausführung, der Berichterstattung oder der schriftlichen Gestaltung eines Teils des Manuskripts beteiligt sind.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Aerosol chamber glass cylinder and lidLaborexin OyN/AMaßgefertigter Glaszylinder und Deckel für die Aerosol-Eindämmung.
Aerosol chamber inner metal scaffoldClean Touch Medical Ltd.N/AMaßgefertigte Edelstahl-Tragstruktur für die Filtermontage.
Aerosol chamber lid insulating gasketsEtra Oy (Etola Group)N/AMaßgefertigte Gummidichtungen für luftdichte Abdichtung.
Air pump, WI 53082Thomas Industries Inc.N/AMembranpumpe zum Aufrechterhalten eines geregelten Luftstroms durch die Kammer.
BioSamplerSKC Inc.https://international.skcinc.com/products/air/bioaerosol-samplers/biosamplerGanz aus Glas bestehender Wirbelimpinger für die hocheffiziente Sammlung von Luftviren.
Coated test piecesClean Touch Medical Ltd.www.cleantouchmedical.comMit antimikrobiellen Formulierungen beschichtete Glanzpapierfolien für Oberflächenwirksamkeitstests.
CompAir Pro NE-C900 nebulizerOmron HealthcareNE-C900 Kompressor-Nebulisator mit hoher Leistung, der zur Erzeugung von viralen Aerosolen verwendet wird.
SPSS Statistics softwareIBM Corp.https://www.ibm.com/products/spssSoftware für statistische Analysen, Version 28.0.
QuantStudio Design and Analysis SoftwareThermo Fisher Scientifichttps://www.thermofisher.com/in/en/home/technical-resources/software-downloads.html#pcrSoftware für qRT-PCR-Datenanalyse, Version 1.3.1.
UniqAir PRO air purifierUniqAir Oyhttps://www.uniqair.fi/Kommerzielle Luftreinigungseinheit zur Kammerreinigung.

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