Onderzoeksartikel

Het evalueren van het effect van gecoate filters en voorfilters op de infectiviteit en concentratie van aerosoliseerd phi6-virus

137 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/70877

⸱

29 mei 2026

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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 dit artikel

Samenvatting

Hier presenteren we een studie om de antivirale effectiviteit van koper- en zilvergebaseerde oppervlaktecoatings op luchtfilters te evalueren. Met behulp van een bioaerosolkamer en Phi6-bacteriofaag kwantificeert deze methode virale inactivatie en mechanische filtratie-efficiëntie voor zelfdesinfecterende binnenluchttechnologieën.

Samenvatting

De ontwikkeling van efficiënte binnenluchtfiltertechnologieën heeft aan belang gewonnen na de coronapandemie van 2019 (COVID-19). Het doel van deze studie is het evalueren van de antivirale effectiviteit van diverse koper- en zilvergebaseerde oppervlaktecoatings voor luchtfilters met behulp van een gestandaardiseerde bioaerosolkamer en de omhulde bacteriofaag Phi6 als surrogaat voor luchtwegvirussen. Oppervlaktetests bevestigden dat alle coatings antivirale activiteit vertoonden, waarbij de specifieke kopergebaseerde coatingformulering (B4) volledige inactivatie van het Phi6-virus binnen 10 minuten bereikte, A6 in 25 minuten en VS-B in 60 minuten; Vroege verminderingen van de infectie waren voornamelijk te wijten aan druppeluitdroging. Uit aerosolexperimenten bleek dat filters en voorfilters met hoge efficiënte deeltjeslucht (HEPA) de virusinfectie aanzienlijk verminderden, zelfs zonder coatings, waarbij mechanische filtratie een logreductie van 1,0–2,0 veroorzaakte, en hoogefficiënte GF-2 glasvezelfilters het detecteerbaar infectieus virus elimineerden. Coatings verbeterden de filtratie-efficiëntie niet significant, waarschijnlijk vanwege beperkt viruscontact met gecoate oppervlakken. Gebruikte GF-2 filters toonden verbeterde virusverwijdering, toegeschreven aan deeltjesophoping en filterverdichting, terwijl coatings het aantal passerende virussen niet veranderden. VS-B gecoate filters vertoonden lipofiele eigenschappen, wat wijst op extra functionele voordelen. Deze methodologie benadrukt dat hoewel de filterefficiëntie voornamelijk wordt gedreven door mechanische opsluiting en deeltjesopbouw, de geïntegreerde oppervlaktecoatings een zelfdesinfecterend mechanisme bieden door gevangen virale deeltjes te inactiveren; de integratie van ultraviolet (UV) licht wordt voorgesteld als een mogelijke toekomstige onderzoeksrichting om de systeemeffectiviteit verder te verbeteren.

Inleiding

Het begrip van de luchtgedragen virale overdracht is aanzienlijk verbeterd tijdens de COVID-19-pandemie. Aangezien binnenomgevingen aanzienlijk hogere risico's op overdracht bieden dan buitenomgevingen, is er een dringende behoefte aan het ontwikkelen van effectievere beschermingsstrategieën 1,2. In deze context vormen hoogwaardige airconditioning en luchtzuiveringssystemen essentiële componenten om virusoverdracht in afgesloten ruimtes te beperken.

Luchtfiltratie is een van de meest gebruikte methoden in luchtzuiveringssystemen, waarbij de intrinsieke fysieke filtereigenschappen en meerlaagse filtering 3,4,5 worden gebruikt. Dit omvat vaak een voorfilter, een grof filter dat grote deeltjes opvangt; een medium-efficiënt filter, bijvoorbeeld een koolstoffilter; en een hoogefficiënt deeltjesluchtfilter (HEPA) dat minstens 99,97% van de deeltjes verwijdert, met de meest doordringende deeltjesgrootte van 0,3 μm 6,7. De fysieke eigenschappen van de filters bevatten veel antimicrobiële voordelen. Eerder is aangetoond dat poreuze materialen virussen kunnen inactiveren door ze te vangen en te drogen 8,9,10. Hydrofobiciteit of hydrofiliciteit kan ook overeenkomstig worden gebruikt. Virussen met hydrofobe vachten geven de voorkeur aan hydrofobe oppervlakken voor sorptie, terwijl hydrofiele oppervlakken hydrofiele virussen aantrekken11,12. Daarnaast kan antivirale oppervlakcoating worden gebruikt om de zuivering verder te verbeteren. De coating van filters is bedoeld om pathogenen onmiddellijk te inactiveren zodra ze het filterraken 13,14. Deze kenmerken kunnen de operationele veiligheid verhogen, vooral in ziekenhuizen, maar ook in openbare omgevingen tijdens epidemieën en pandemieën14.

Voor praktische toepassingen moet het inactiverende effect van de filtercoatings snel genoeg zijn om in doorstromingslucht te kunnen worden gebruikt. Dus moet het oppervlak voor direct contact tussen de coating en virusdeeltjes voldoende zijn, en moet de coating het virus binnen de gegeven contacttijd kunnen inactiveren. Zware metalen, zoals koper en zilver, staan bekend om antivirale effecten 15,16,17. Dit antivirale effect is waargenomen bij virussen zoals poliovirus, vacciniavirus, herpes simplex 1, Phi6, papovirus SV-40, adenovirus, vesiculair stomatitisvirus, SARS-coronavirus, baculovirus en feline infectieus peritonitisvirus 18,19,20,21,22. Mechanismen omvatten de afgifte van koper- en zilverionen en de vorming van reactieve zuurstofsoorten (ROS), die reageren met viruseiwitten en nucleïnezuren oxideren 23,24,25,26,27,28,29,30.

Voor dit onderzoek werd een aerosolfiltertestkamer ontwikkeld met instelbare aerosol- en virusmonstereigenschappen, gebaseerd op een eerdere kameropstelling gepresenteerd door Sofieva et al. (2022) (zie Figuur 1 en Aanvullende Figuur 1)31. De aangepaste kamer is ontworpen als een gesloten systeem waarin modelvirussen voor pathogene, door de filters worden beïnvloed, waarbij de antivirale efficiëntie van de gecoate en ongecoate filters wordt beoordeeld. De omhulde bacteriofaag Phi6 werd geselecteerd als surrogaat voor luchtwegvirussen omdat het een goed bestudeerd en veelgebruikt model is dat geschikt is voor virale aerosolstudies. Omdat Phi6 niet-pathogene is voor mensen en geclassificeerd als Biosafety Level 1 (BSL-1), maakt het een veilige en praktische beoordeling van antivirale coatings mogelijk binnen een Biosafety Level 2 (BSL-2) laboratoriumomgeving in overeenstemming met institutionele veiligheidsrichtlijnen. Bovendien vertoont Phi6 structurele overeenkomsten met omhulde virussen die luchtwegaandoeningen veroorzaken, zoals ernstige acute respiratoire syndroom coronavirussen 1 en 2 (SARS-CoV-1 en SARS-CoV-2). De lipidenomhulsel geeft ook een specifieke gevoeligheid voor uitdroging en chemische inactivatie, wat een representatief model biedt voor het evalueren van de effectiviteit van antimicrobiële oppervlaktecoatings en filtratiesystemen tegen omhulde pathogenen 32,33,34,35,36,37,38,39.

Het doel van deze studie was eerst het analyseren van de antivirale effectiviteit van de geselecteerde filtercoatingmaterialen die koper en zilver bevatten per oppervlak door middel van oppervlaktetests met Phi6-bacteriofaag voorafgaand aan gebruik in luchtfiltratie. Vervolgens werden deze koper- en zilvergebaseerde oppervlaktebehandelingsmaterialen beoordeeld op luchtvoorfilters om hun vermogen te evalueren om zowel filtratie- als eliminatie-eigenschappen tegen door de lucht gedragen virussen te verbeteren.

Protocol

Virus, stammen, groeimedia en infectieuze virussen tellen
De bacteriofaag Phi6, oorspronkelijk geleverd aan de onderzoeksgroep door Dr. Anne K. Vidaver40, werd vermeerderd met behulp van Pseudomonas syringae pv. Phaseolicola HB10Y als gastbacterie. De gastheer werd gekweekt in Luria–Bertani (LB) medium bij 22 °C. Phi6-agarvoorraden werden uit bevroren materiaal bereid door seriële verdunning, volgens het protocol van Bamford et al. (1995)41, en gebruikt voor zowel oppervlaktelevensvatbaarheidstests als viruszuivering.

Zuivering en concentratie van Phi6 werden uitgevoerd volgens het protocol ontwikkeld door Bamford et al. (1995)41. De resulterende suspensie werd verdund in een buffer van 20 mM kaliumfosfaat (K₃PO₄) met 1 mM magnesiumchloride (MgCl₂), aangepast naar pH 7,2, om een eindtiter van 5 × 1010–1011 plaque-vormende eenheden per milliliter (PFU/mL) te ontstaan. Deze voorbereide suspensie werd vervolgens gebruikt voor experimenten met het genereren van aerosolen.

De opsomming van infectieuze virale deeltjes werd uitgevoerd met een standaard dubbellaagse agar overlay plaque-assay, die geoptimaliseerd was voor bacteriofaag Phi642. Kort gezegd werden voor elk virus- of controlemonster eerst seriële verdunningen in LB-medium voorbereid, waarna tot 100 μL van elke verdunning 200 μL gastheerbacterie-suspension en 3 mL zachte agar werden toegevoegd. De zachte agarmengsels werden over LB-agarplaten gelegd en de platen werden 's nachts bij 22 °C geïncubeerd. Plaques worden vervolgens geteld en het aantal PFU/mL wordt berekend als (plaques × verdunningsfactor) / volumeverplating.

qRT-PCR-analyse
Monstervoorbereiding voor kwantitatieve reverse transcription real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR) volgde het protocol van Gregorova et al. (2022)43. Standaardcurves voor P2- en P8-RNA werden gegenereerd met behulp van een 10-voudige verdunningsreeks variërend van 102 tot 109 moleculen per 5 μL. Elke verdunning werd identiek verwerkt aan experimentele monsters, inclusief chloroformtoevoeging, vortexen, centrifugatie bij 10.000 × g gedurende 1 minuut bij 22 °C, en cyclus (cyclus- en primerinformatie in Aanvullende Tabel 1 en Aanvullende Tabel 2). Negatieve controles werden voorbereid door 5 μL ultrazuiver water te vervangen door het RNA-sjabloon. qRT-PCR-gegevens werden geanalyseerd met behulp van de specifieke ontwerp- en analysesoftware (zie Materiaaltabel).

Opstelling van de aerosolkamer
Er werd een op maat gebouwde, autoclavabele aerosolkamer ontwikkeld voor virus-aerosolisatie en filtertesten, gemodelleerd naar een eerder beschreven systeem31. De experimentele kamer bestond uit een cilindrisch glazen lichaam met een bijpassend deksel, een interne metalen steiger en isolerende pakkingen om een luchtdichte afdichting te garanderen (zie Materiaaltabel en aanvullende figuur 1).

De algemene studieopstelling, inclusief de kamer, is weergegeven in Figuur 1. Om een stabiele en reproduceerbare invoer van virale aerosolen te garanderen, werd een vernevelaar gebruikt in combinatie met een luchtpomp (zie Materiaaltabel).

Binnen de kamer genereerde de vernevelaar een aerosolstroom van 8 L/min. Ongeveer driekwart van deze stroom werd via een HEPA-filter naar de uitlaat geleid, terwijl het resterende kwart (2 L/min) de kamer binnenkwam. Deze splitsing was ontworpen om de luchtvochtigheid tijdens langdurige metingen te verminderen. Aërosolen werden via een metalen trechter in de kamer gebracht, die de stroom naar het filter- of voorfilteroppervlak leidde.

Aerosolexperimenten werden uitgevoerd in een biologische veiligheidskast. Na het passeren van de kamer werd de luchtstroom ontvochtigd in een desiccator om het HEPA-filter en de doorstroommeter te beschermen tegen overmatig vocht. Een externe pomp ondersteunde de luchtstroom verder, creëerde een negatieve druk binnen het systeem en zorgde voor efficiënte uitlaatgassen via de uitlaatpoort.

figure-protocol-1
Figuur 1: Schema van de experimentele aerosolkamer en monsterverzameling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Studieontwerp
Deze studie evalueerde de antivirale eigenschappen van coatings en filter-/voorfiltermaterialen zoals vermeld in Tabel 1, Aanvullende Tabel 3 en Aanvullende Tabel 4 (zie ook Tabel van Materialen). Het onderzoek werd uitgevoerd in twee fasen: oppervlaktetests en pre-filter tests in de aerosolkamer.

Bij oppervlaktetests werden alle coatingmaterialen eerst beoordeeld op vlakke teststukken om hun antivirale activiteit te bepalen. De gecoate teststukken werden geleverd door Clean Touch Medical LTD (Tabel 1 en Materiaaltabel). Alle coatings zijn gebaseerd op koper- en/of zilveractieve componenten die zijn ingebouwd in gepatenteerde matrices; Verschillen tussen formuleringen hebben voornamelijk betrekking op metaalsamenstelling, concentratie en oppervlaktecompatibiliteit (bijv. vlakke oppervlakken versus poreuze filters) (Aanvullende Tabel 3).

Pre-filtertests in de aerosolkamer: Van de beschikbare coatings mocht tijdens het onderzoek alleen koper- en zilvergebaseerde VS-B coating op prefilters worden toegepast. Prefilters behandeld met VS-B werden daarom in de aerosolkamer onderzocht om hun antivirale prestaties onder aerosolblootstelling te beoordelen. Foto's van alle filters en voorfilters die in de studie zijn gebruikt, zijn opgenomen in Aanvullende Figuur 2.

De antivirale effectiviteit werd gekwantificeerd met twee complementaire methoden: plaque-assay om het aantal infectieuze virale deeltjes te meten (zie sectie "Virus, stammen, groeimedium en infectieuze virusaantallen"), en kwantitatieve PCR (qPCR) om het aantal virale genoomkopieën te bepalen (zie sectie "qRT-PCR-analyse").

Filters en voorfiltersFilter geleverd doorCoatings
(Alles geleverd door Clean Touch Medical)
Polyester voorfilter FMR-5, ongecoat (FMR-5)M-filter LTDExperimenteel kopergebaseerd oppervlakte-middel A6 (A6)
Experimenteel kopergebaseerd oppervlaktemiddel B4 (B4)
Koper- en zilveroppervlak agent Viral Safe (VS)
Koper- en zilveroppervlakagent Viral Safe B (VS B)
Polyester voorfilter FMR-5, gecoat met VS B (FMR-5 VS B)
Polyester voorfilter S-11, ongecoat (S-11)
Polyester voorfilter S-11, gecoat met VS B (S-11 VS B)
Dubbellaags glasvezelfilter GF-2, ongecoat, (HEPA-type filter) (GF-2)
Bulpren voorfilter BP-6, 6 mm, ongecoat (BP-6)Clean Touch Medical LTD
Bulpren voorfilter BP-6, 6 mm, gecoat met VS B (BP-6 VS B)

Tabel 1: Filters en oppervlaktecoatings gebruikt in deze studie.

Efficiëntie van antivirale oppervlakcoatings
Er werd een oppervlaktelevensvatbaarheidstest ontwikkeld om het voortbestaan van virale infectie op verschillende coatingmaterialen te evalueren. Kort gezegd werd 20 μL Phi6-materiaal (zie sectie "Virus, stammen, groeimedia en infectieuze virusaantallen") gepipetteerd op de gecoate teststukken en gelijkmatig verdeeld over een gebied van 2 cm × 2 cm met behulp van een steriele glasdriehoek. Monsters werden geïncubeerd in een bioveiligheidskast bij 22 °C gedurende 1 minuut, 5 min, 1 uur of 3 uur.

Virussen werden teruggevonden door 180 μL verse LB-bouillon aan het oppervlak toe te voegen en te wassen door herhaald pipetteren. Een plastic petrischaal diende als bedieningsoppervlak. Alle experimenten werden uitgevoerd bij 22 °C. Het aantal infectieuze virale deeltjes werd gekwantificeerd met een plaque-assay41.

Effect van antivirale coating VS-B op de effectiviteit van filter/voorfilter
Virusverzameling en filterefficiëntietests werden uitgevoerd met een impactiemethode met een petrischaal met 20 mM HEPES-buffer (pH 7,2) of een volledig glazen draaiende impinger (hierna aangeduid als "de impinger"; zie Materiaaltabel)44. Voor impactiemonsters werd een petrischaal direct onder het filter geplaatst om de deeltjesafzetting te maximaliseren (Figuur 1). In experimenten met GF-2 filters die al 3 maanden in gebruik waren, werd de impinger gebruikt in plaats van de petrischaal om de gevoeligheid te vergroten. De impinger is een glazen apparaat uitgerust met drie mondstukken en vereist een externe pomp voor het bemonsteren van lucht in vloeistof. Luchtstroom door de mondstukken veroorzaakt een draaiende beweging van de verzamelvloeistof langs de binnenwand, wat een zachte deeltjesverwijdering mogelijk maakt. In deze configuratie werd de luchtstroom door het filter op 2 L/min gehandhaafd, en bij het verlaten van de kamer verhoogde een extra klep de totale luchtinstroom tot 10 L/min. De aerosolen werden opgevangen in 5 mL van een 20 mM HEPES-buffer (pH 7,2), waarbij de verdampte buffer elke 30 minuten werd aangevuld. Voor de impinger-experimenten werden zowel de petrischaal als het bulpren voorfilter (gebruikt voor luchtstroomgelijkmaking; Aanvullende Figuur 1 en Aanvullende Figuur 2B) verwijderd.

Het gedetailleerde steekproefprotocol wordt gepresenteerd in Tabel 2. Virale aerosolen werden verzameld door 1 mL suspensie terug te winnen uit petrischalen met 20 mL van een 20 mM HEPES-buffer (pH 7,2). Hiervan werd 800 μL gebruikt voor qRT-PCR-analyse en 200 μL voor virustitratie. Elk filter of voorfilter werd in drievoud getest, en controleruns zonder filter/voorfilter werden 15 minuten voor en na elk kamerexperiment uitgevoerd. Na de controle vóór het experiment werd het filter of voorfilter van belang in de kamer geplaatst, die 3 uur werd bediend, waarna het filter/voorfilter werd verwijderd en een controlerun na het experiment werd uitgevoerd. qRT-PCR- en virustitratiemonsters werden elke 30 minuten verzameld, wat resulteerde in acht qRT-PCR- en acht titratiemonsters per experiment. In de impinger-experimenten werden titratiemonsters slechts één keer verzameld aan het einde van de 3 uur durende run. Elk qRT-PCR-monster werd ingevroren in vloeibare stikstof en bewaard bij -80 °C tot verder gebruik, terwijl virustitratiemonsters direct na het experiment werden verwerkt met plaque-assay. De virusoplossing die in de vernevelaar werd gebruikt, werd zowel voor als na elk experiment getitreerd om de stabiliteit te monitoren.

Drie verschillende voorfilters, BP-6, S-11 en FMR-5, en het GF-2 filter (Tabel 1 en Aanvullende Figuur 2, Aanvullende Tabel 4) werden gecoat met VS-B. Prefilters bestonden uit synthetische vezelige materialen met verschillende structurele dichtheden, voornamelijk ontworpen voor het verwijderen van grove deeltjes en het stabiliseren van de luchtstroom, terwijl het GF-2 filter een hoogefficiënt glasvezelfilter is met HEPA-achtige prestaties. Voorfilters zonder coating en een opstelling zonder filter werden in de aerosolkamer getest ter vergelijking.

TijdstipOpstellingSamples
Controle0-15 minGeen filter/voorfilter, petrischaal met 20 mL HEPES200 μl voor titratie, 800 μL bevroren voor qRT-PCR
Experiment0-30 minFilter/voorfilter van interesse, nieuwe petrischaal met 20 mL HEPES
30-60 minFilter/voorfilter van interesse, dezelfde petrischaal met 19 mL HEPES
60-90 minFilter/voorfilter van interesse, dezelfde petrischaal met 18 mL HEPES
90-120 minFilter/voorfilter van interesse, dezelfde petrischaal met 17 mL HEPES
120-150 minFilter/voorfilter van interesse, dezelfde petrischaal met 16 mL HEPES
150-180 minFilter/voorfilter van interesse, dezelfde petrischaal met 15 mL HEPES
Controle0-15 minGeen filter/voorfilter, nieuwe petrischaal met 20 ml HEPES

Tabel 2: Tijdlijn van monsterverzameling.

Effect van antivirale coating VS op gebruikte filters
De duurzaamheid van het antivirale effect op HEPA-type GF-2 filters die zijn bekleed met het koper-zilver oppervlakmiddel Viral Safe (VS) werd beoordeeld door de filterefficiëntie te meten van filters die al 3 maanden in gebruik waren, op basis van zowel infectieuze virusaantallen als virale genoomkopiecijfers. Voor deze experimenten werden vier luchtreinigers gebruikt (zie Materiaaltabel), elk uitgerust met een HEPA-filter en een actieve koollaag. De filters waren drie maanden lang in gebruik geweest in twee restaurants vóór de verzameling en analyse: één was een fine-dining restaurant en de andere was een personeelscafetaria in een fabriek (meer informatie in Aanvullende Figuur 3 en Aanvullende Figuur 4). De prestaties van deze gebruikte filters werden vergeleken met die van schone, ongecoate GF-2 filters.

Voorafgaand aan de kamertesten werden de gebruikte filters uit de metalen kooien van de luchtreiniger gehaald, uitgevouwen en in passend grote stukken gesneden voor de aerosolkamer binnen een laminaire stroomkap om bioveiligheid te waarborgen en kruisbesmetting te minimaliseren. De GF-2 filters die werden verzameld in een fijnprogreeprestaurant en een personeelscafetaria, werden vervolgens getest in de experimentele opstelling beschreven in sectie "studieontwerp", waarbij een aangepaste 5 mL impinger werd gebruikt voor aerosolverzameling.

Naast de antivirale efficiëntie werden ook de fysieke oppervlakte-eigenschappen van de filters geëvalueerd. Lipofiliteit werd beoordeeld door 50 μL druppels koolzaadolie toe te passen, terwijl hydrofobiciteit werd bepaald door 50 μL druppels gedeïoniseerd water aan te brengen op uitgesneden filterstrips. Contacthoeken werden fotografisch vastgelegd volgens de procedure van Xiao en Wiesner (2012)45. Waterafstotende waarde werd gekwantificeerd met behulp van waterdruppelpenetratietijd (WDPT) metingen zoals beschreven door Lichner et al. (2006), waarbij alle waarden hoger waren dan 7200 s46.

Statistische analyse
Statistische analyse werd uitgevoerd met gestandaardiseerde statistische software (zie Materiaaltabel) om de significantie van waargenomen variaties tussen geteste coatingmaterialen en filters te evalueren. Statistische analyse werd uitgevoerd in twee stappen voor alle experimenten: de Kruskal-Wallis H-test en de Games-Howell post-hoc test. De Kruskal-Wallis H-test werd gebruikt om te beoordelen of er significante verschillen werden waargenomen, en de specifieke variatie tussen steekproeftypen werd bepaald met behulp van meerdere gemiddelde vergelijkingen met de Games-Howell post hoc test.

Coatingefficiëntietests werden statistisch geanalyseerd door de afname van infectieuze virusconcentraties na 1 minuut en 5 minuten ten opzichte van de beginconcentraties te vergelijken. Vanwege het doel om coatings op filters te gebruiken, zochten we binnen de eerste minuten van de test naar statistisch significante afwijking in viruslevensvatbaarheid ten opzichte van de controle.

Statistische analyse die significante verschillen in de efficiëntie van voorfilters met en zonder coating vaststelde, in termen van infectieuze telling en qPCR-resultaten, werd voor elk tijdstip uitgevoerd, 30 min, 60 min, 90 min, 120 min, 150 min en 180 min, apart. De gegevens werden vervolgens gegroepeerd op type prefilter en de aanwezigheid van coating op het oppervlak van het prefilter. Evenzo werden de resultaten van de gebruikte GF-2 filters beoordeeld op efficiëntie op het gebied van virusinactivatie en filtratie-efficiëntie door gegevens te groeperen op locatie en de aanwezigheid van coating op het filteroppervlak.

Resultaten

Efficiëntie van antivirale oppervlakcoatings
De oppervlakte-levensvatbaarheidstests bevestigden dat alle geteste coatingmaterialen antivirale eigenschappen hadden, waarbij VS-coating de langzaamste virusinactivatiesnelheid aantoonde (Figuur 2A). Statistische analyse bevestigde een significante afname van infectieuze virusconcentraties na 1 minuut en 5 minuten ten opzichte van de startconcentratie voor elke coating en controle (p< 0,001, Figuur 2B, Aanvullende Tabel 5). De experimentele koper-gebaseerde oppervlaktecoating B4 bereikte de snelste reductie, waarbij het aantal infectieuze virussen binnen 5 minuten tot drie ordes van grootte daalde, en virussen waren na 15 minuten niet meer detecteerbaar (detectielimiet: 100 PFU/mL). Andere coatings, A6 en VS-B, bereikten op vergelijkbare wijze volledige inactivatie van Phi6 binnen respectievelijk 25 en 60 minuten (Figuur 2A).

figure-results-1
Figuur 2: Antiviraal effect van oppervlaktecoatings op de infectie van virussen. (A) Verlies van infectieuze deeltjes als functie van de tijd. (B) Verhouding van verlies van infectieuze virusdeeltjes ten opzichte van het 0-minutenpunt. Coatingspecificaties zijn vermeld in Tabel 1 en in Aanvullende Tabel 3. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In vergelijking met de controle was virusinactivatie binnen de eerste 5 minuten het minst efficiënt met het coaten van A6 (p = 0,006 na 1 minuut en p = 0,012 na 5 minuten, Aanvullende Tabel 6), gevolgd door het coaten van VS (p = 0,001 na 1 minuut en p = 0,017 na 5 minuten, Aanvullende Tabel 6). Coating B4 had een verminderde inactivatie vergeleken met de controle op het 1-minuut tijdstip (p = 0,001, Aanvullende Tabel 6), maar verschilde niet significant van de controle op het 5-minuten-tijdstip (p > 0,05, Aanvullende Tabel 6). Over een langere periode vertoonde VS-B een verhoogde virusinactivatie, vergelijkbaar met B4 en A6. Gedetailleerde resultaten van statistische analyse zijn opgenomen in Aanvullende Tabel 6.

Effect van antivirale coating VS-B op de effectiviteit van filter/voorfilter
Experimenten toonden aan dat alle drie de onderzochte pre-filters, BP-6, S-11 en FMR-5, even effectief waren in het significant verlagen van het aantal infectieuze virussen dat erdoorheen ging met 1,5–2,0 ordes van grootte vergeleken met de opstelling zonder filter (Figuur 3A, aanvullende tabel 7). GF-2 filters verlaagden de virale lading met minstens zes ordes van grootte, en er werden geen infectieuze Phi6-virusplaques binnen de detectielimiet gedetecteerd (aangeduid als niet-gedetecteerde gegevens (*) in Figuur 3A).

De VS-B-coating had geen significante invloed op de filtratie van infectieuze virussen (Figuur 3B). Voor de prefilters S-11 en FMR-5 lag het verschil in het aantal infectieuze virussen dat door de gecoate en ongecoate prefilters ging binnen de standaarddeviatie (SD), wat de onbeduidendheid van het verschil aangeeft (aanvullende tabel 8). Verrassend genoeg presteerde het ongecoate voorfilter BP-6 beter dan het gecoate BP-6 voorfilter gedurende de eerste 90 minuten. De verschillen tussen gecoate en ongecoate voorfilters bleken echter statistisch onbeduidend te zijn (p> 0,05, Aanvullende Tabel 8).

figure-results-2
Figuur 3: Gemiddelde concentraties infectieuze virussen van het vernevelde Phi6-virus op impactieplaten. (A) Voor het GF-2 filter, de opstelling zonder filter en de voorfilters voor het filter. (B) Alleen voor voorfilters. Foutbalken geven standaardafwijking (SD) aan, en filtertypes worden vermeld in Tabel 1. VS-B geeft gecoate filters aan. GF-2 filtergegevens resulteerden onder de detectiegrens en zijn gemarkeerd met een stippellijn. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De resultaten van het qRT-PCR-experiment toonden aan dat pre-filters het genoomkopieaantal van virussen die door prefilters gingen met tot twee ordes van grootte verlaagden, terwijl het GF-2-filter een afname van tot vier ordes van grootte liet zien vergeleken met de opstelling zonder filter (Figuur 4A, Aanvullende Tabel 9). Tijdens de eerste 30 minuten bleven de verschillen tussen prefilters en de no-filter setup klein, terwijl vanaf het tijdstip van 60 minuten prefilters een verhoogde mechanische filterefficiëntie lieten zien (Figuur 4A, Aanvullende Tabel 10). De VS-B-coating beïnvloedde het aantal kopieën van het virusgenoom dat door het filter ging niet (Figuur 4B). Verschillen in genoomkopieaantallen vielen binnen de standaarddeviatie (p> 0,05, Aanvullende Tabel 10).

figure-results-3
Figuur 4: Gemiddelde concentraties van het virusgenoom-kopieaantal van het vernevelde Phi6-virus op impactieplaten. (A) Voor het GF-2 filter, geen-filter opstelling en voorfilters. (B) Alleen voor voorfilters. Foutbalken geven standaardafwijking (SD) aan, en filtertypes worden vermeld in Tabel 1. VS-B geeft gecoate filters aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3 en Figuur 4 tonen aan dat het aantal infectieuze virussen (PFU/mL) vergeleken met het totale aantal virusgenoomkopieën dat door het filter gaat, ongeveer twee ordes van grootte kleiner is voor pre-filters en het GF-2 filter, en slechts één orde kleiner zonder filter. Dit suggereert dat het effect van filtering, zelfs bij zachte luchtstroom, mechanisch destructief kan zijn voor de virusdeeltjes en leidt tot verlies van infectie.

Op basis van de experimentele luchtstroom (2 L/min) en het geschatte filteroppervlak (~20cm2) was de vlaksnelheid ongeveer 0,01–0,02 m/s. Typische porositeitswaarden voor vezelfilters variëren van ongeveer 0,7 tot 0,98, afhankelijk van materiaal en verpakkingsdichtheid, waarbij glasvezel HEPA-type filters doorgaans een lagere porositeit vertonen (~0,7–0,9) vergeleken met meer open synthetische voorfilters (~0,85–0,98)47,48. Rekening houdend met filterporositeit en interne stromingscondities, werd de interstitiële snelheid binnen de filtermatrix geschat op iets hoger dan de vlaksnelheid (0,02–0,03 m/s). Met behulp van filterdiktes en met inrekening van tortuositeitsfactoren (1,2–2,0) werd de effectieve verblijftijd van aerosoldeeltjes binnen de filterstructuur geschat op ongeveer 0,03 tot 0,4 s49. Deze interactietijden van minder dan een seconde geven aan dat het contact tussen virus en oppervlak zeer tijdelijk is, waardoor de bijdrage van antivirale coatings tijdens enkelvoudige filtratie beperkt wordt.

Effect van antivirale coating VS op gebruikte filters
De gecoate en ongecoate GF-2 filters die drie maanden in luchtreinigers werden gebruikt in de twee geselecteerde restaurants (Aanvullende Figuur 3 en Aanvullende Figuur 4) werden bestudeerd op hun filtratiecapaciteit. Onder dezelfde experimentele omstandigheden gingen ongebruikte, ongecoate (controle)filters door 1,23 × 102 PFU/mL infectieuze virussen. Gebruikte, ongecoate filters uit het fine-dining restaurant en de personeelscafetaria gaven respectievelijk ~3 PFU/mL en 2,3 × 10PFU /mL infectieuze virussen door. Ter vergelijking: gebruikte VS-gecoate filters uit een fine-dining restaurant en personeelscafetaria haalden respectievelijk 5,3 × 101 PFU/mL en 4,6 × 101 PFU/mL infectieuze virussen (Figuur 5). Statistisch significante verschillen in infectieuze virusaantallen werden waargenomen tussen de filters, waarbij 3 maanden gebruikte, ongecoate GF-2-filters de meest uitgesproken vermindering vertoonden (Figuur 5; χ2(2) = 11,432, p = 0,022, Aanvullende Tabel 11). De resultaten verkregen met de gecoate 3 maanden oude GF-2 filters leverden vergelijkbare resultaten op als de ongebruikte ongecoate GF-2 filters op p > 0,05 (Aanvullende Tabel 12).

figure-results-4
Figuur 5: Concentraties infectieuze virussen na het testen van drie maanden oude gebruikte filters. Elk datapunt vertegenwoordigt het gemiddelde van drie experimenten en de berekende standaarddeviatie over drie herhalingen. VS = Koper- en zilveroppervlak agent Viraal Veilig; GF-2 = dubbellaags glasvezelfilter GF-2, ongecoat (HEPA-type filter); De vakjes tonen het 95% betrouwbaarheidsinterval voor het gemiddelde, wat de zwarte lijn is tussen het onderste en het bovenste betrouwbaarheidsinterval. Foutbalken geven standaardafwijking (SD) voor elk filtertype weer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De qRT-PCR-resultaten van de gebruikte, ongebruikte, gecoate en ongecoate filters worden weergegeven in Figuur 6. qRT-PCR-gegevens van ongebruikte, ongecoate (controle)filters toonden 2,7 × 10kopieën van 3 kopieën/mL van virale genoomkopieën. Gegevens van gebruikte, ongecoate filters uit het fine-dining restaurant en de personeelskantine toonden respectievelijk 3,6 × 102 kopieën /mL en 2,4 × 103 kopieën/mL van virale kopieën, terwijl gebruikte VS-gecoate filters uit het fine dining restaurant en de personeelskantine respectievelijk 2,8 × 103 kopieën/mL en 4,6 × 103 kopieën /mL virale kopieën toonden (Figuur 6). Het gebruikte, ongecoate GF-2 filter uit het fine-dining restaurant was aanzienlijk efficiënter in het verminderen van het aantal kopieën van virale genoom vergeleken met het gebruikte ongecoate filter uit de personeelskantine (p = 0,012), of het gebruikte VS-gecoat filter uit het fine-dining restaurant (p < 0,001), of het gebruikte VS-gecoate filter uit de personeelskantine (p = 0,005) (Aanvullende Tabel 13 en Aanvullende Tabel 14). Echter, vergeleken met het ongebruikte, ongecoate GF-2 filter, resulteerde het gebruikte ongecoate GF-2 filter uit het fine dining restaurant niet in statistisch significant verschil (p>0,05). Gedetailleerde statistische analyseresultaten worden gepresenteerd in Aanvullende Tabel 14.

figure-results-5
Figuur 6: Concentratie van kopieaantallen virale genoom na het testen van drie maanden oude gebruikte filters. Elk datapunt vertegenwoordigt het gemiddelde van drie experimenten en de berekende standaarddeviatie. VS = Koper- en zilveroppervlak agent Viraal Veilig; GF-2 = dubbellaags glasvezelfilter GF-2, ongecoat (HEPA-type filter); De vakjes tonen het 95% betrouwbaarheidsinterval voor het gemiddelde, wat de zwarte lijn is tussen het onderste en het bovenste betrouwbaarheidsinterval. Foutbalken geven standaardafwijking (SD) voor elk filtertype weer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Om de waargenomen verschillen in filterprestaties te verduidelijken, werden hydrofobiciteits- en lipofiliteitstests uitgevoerd. Alle filters die in het fine-dining restaurant en de personeelskantine werden gebruikt, vertoonden een hoge hydrofobiciteit op beide oppervlakken (binnenzijde—naar de inkomende luchtstroom gericht; buitenzijde—naar de uitgaande luchtstroom), waarbij de initiële contacthoek van waterdruppels consequent meer dan 120 graden bedroeg, zoals vastgelegd op foto's (niet getoond). Waterdruppelpenetratietijd (WDPT) metingen gaven een sterke waterafstotende eigenschap aan, met alle waarden boven 7200 s. De variabiliteit tussen herhaalde tests was groter dan tussen filtertypes, mogelijk door mechanische verstoringen van de gebruikte filters. Daardoor werden er met deze methoden geen significante verschillen tussen de filters gedetecteerd.

De lipofiliciteit werd beoordeeld door druppels van koolzaadolie op de filteroppervlakken aan te brengen. Ongecoate filters vertoonden consequent een lage lipofilie, waarbij de druppelcontacthoek gedurende de hele test boven de 120 graden bleef. Daarentegen vertoonden Viral Safe-gecoate filters snelle druppelverspreiding, met een benaderende hoek van minder dan 30 graden die 60 seconden na toepassing werd geregistreerd (Aanvullende Figuur 5). Het is onduidelijk of deze verhoogde lipofiliteit het gevolg was van de coating zelf of van het aanbrengproces.

BESCHIKBAARHEID VAN GEGEVENS
Ruwe gegevens ter ondersteuning van de bevindingen van deze studie zijn beschikbaar in Aanvullend Bestand 1.

Aanvullende Figuur 1: Op maat gemaakte aerosolkamer en de componenten ervan.Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende Figuur 2: Foto's van filters, voorfilters en coatings. (A) Polyester FMR-5 voorfilter, (B) Bulpren BP-6 voorfilter, (C) Polyester S-11 voorfilter, (D) Dubbellaags glasvezel GF-2 filter. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende Figuur 3: De indeling van de fine-dining restaurantruimte waar luchtreinigers werden gebruikt (zie Materiaaltafel), gemarkeerd door blauwe rechthoeken. Gele rechthoeken markeren tafels, en een donkergrijze rechthoek markeert de deur. Eén vakje in het raster vertegenwoordigt 1 m2. Kamergrootte ~60 m2. Ongeveer 30 gasten komen per dag op bezoek. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende Figuur 4: De indeling van de banketbakkerij en personeelscafetaria, waar luchtreinigers (zie Materiaaltabel) werden gebruikt, gemarkeerd door blauwe rechthoeken. Gele rechthoeken markeren tafels, donkergrijze rechthoeken markeren deuren, grijze rechthoeken markeren zelfbedieningstafels en zwarte rechthoeken markeringen steunpilaren. Eén vakje in het raster vertegenwoordigt 1 m2. Kamergrootte ~160 m2. Ongeveer 20-50 gasten komen per dag op bezoek. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende Figuur 5: Koolzaadoliedruppels (50 μL) op GF-2 filteroppervlakken die in de restauranttests waren gebruikt. Filters die bedekt waren met Viral Safe (VS) coating (1–5) waren significant minder lipideafstotend dan de ongecoate filters (1, 6–7). Foto's werden genomen met het oog van een voorbereidingsmicroscoop met een 40x vergroting 60 seconden na het aanbrengen van een druppel. "In" duidt de zijde van het filter aan waar de luchtstroom binnenkomt; "Eruit" duidt de lucht aan die uitkomt. De VS-B coating zit aan de buitenkant. 1 verwijst naar een oud gebruikt filter van het fine dining restaurant; 2 en 3 waren VS-B gecoate filters die in het fine dining restaurant werden gebruikt; 4 en 5 waren VS-B gecoate filters die in de personeelskantine werden gebruikt; en 6 en 7 waren ongecoate filters die in de personeelskantine werden gebruikt. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 1: informatie over de qRT-PCR-cyclus. Dekseltemperatuur 105 °C, 45 cycli, gegevensverzameling tijdens stap 62 °C. Aangepast van Gregorova et al.43. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende Tabel 2: qRT-PCR primerinformatie. Aangepast van Gregorova et al.43. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 3: Gedetailleerde beschrijving van de coatingmaterialen die in deze studie zijn gebruikt. Exacte chemische samenstellingen van coatings zijn eigendom van de fabrikant (Clean Touch Medical Ltd.). Beschrijvingen zijn gebaseerd op functionele classificatie en bekende actieve componenten (koper en/of zilver). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende Tabel 4: Gedetailleerde beschrijving van de filtermaterialen die in deze studie zijn gebruikt. Exacte materiaalsamenstellingen van commerciële voorfilters worden niet volledig bekendgemaakt door fabrikanten; Beschrijvingen zijn gebaseerd op typische materialen die worden gebruikt in HVAC-filtratiesystemen en waargenomen structurele eigenschappen. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 5: Teststatistieken: Kruskal–Wallis-analyse van virale infectie over antivirale oppervlaktecoatings. De groeperingsvariabele is het coatingtype. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 6: Statistisch significante verschillen in virale infectie tussen coatings op tijdstippen van 1 en 5 minuten volgens Games-Howell Multiple vergelijkingen post-hoc testresultaten. Statistische significantie wordt in de eerste twee panelen van de tabel als Ja gemarkeerd, bij tijdpunten van 1 en 5 minuten. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende Tabel 7: Teststatistieken: Kruskal–Wallis-analyse van virale infectie tussen filtertypes en de geen-filterconditie. De groeperingsvariabele is het filtertype. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 8: Resultaten voor meervoudige vergelijkingstest van virale infectie tussen pre-filters en no-filter setup op 30 min, 60 min, 90 min, 120 min, 150 min en 180 min tijdspunten volgens Games-Howell Multiple comparisons post-hoc test.Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 9: Teststatistieken: Kruskal–Wallis testresultaten die verschillen in het aantal viruskopieën tussen pre-filter types, het GF-2 filter en de no-filter setup beoordelen. De groepvariabele is filtertype. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 10: Resultaten voor meervoudige vergelijkingstest van viruskopienummers tussen pre-filters, GF-2 filter en no-filter setup op 30 minuten, 60 minuten, 90 minuten, 120 minuten, 150 minuten en 180 minuten volgens Games-Howell meervoudige vergelijkingen post-hoc test.Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 11: Teststatistieken: Kruskal–Wallis testresultaten die virale infectie vergelijken tussen ongebruikte GF-2-filters en filters die in restaurants worden gebruikt. De groepvariabele is filtertype. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 12: Resultaten voor de meervoudige vergelijkingstest van virale infectie tussen pre-filters en no-filter setup volgens de Games-Howell meervoudige vergelijkingen post-hoc test.Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 13: Kruskal–Wallis testresultaten waarin het aantal viruskopieën tussen pre-filter types, het GF-2 filter en de no-filter setup wordt vergeleken. De groepvariabele is filtertype. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende tabel 14: Resultaten voor de multiple comparisons-test van viruskopieaantallen tussen pre-filters, GF-2 filter en no-filter setup volgens Games-Howell Multiple comparisons post-hoc test.Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend Bestand 1: Ruwe gegevens van deze studie.Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussie

In deze studie presenteren we een protocol voor het beoordelen van de efficiëntie van antivirale filter- en voorfilteroppervlakcoatings in een microbiologische aerosolkamer. De geproduceerde kamer biedt een gecontroleerd, gesloten systeem dat geschikt is voor aseptische microbiologische analyses, omdat deze autoclavabel, draagbaar, transparant en kleinschalig is (3 L) vergeleken met sommige eerder beschreven kamers31, 50 en 51.

Alle coatingmaterialen die in deze studie werden getest, bleken antivirale activiteit te bezitten (Figuur 2A), waarbij de experimentele kopergebaseerde oppervlaktecoating B4 de hoogste effectiviteit aantoonde en de infectie van het virus binnen 10 minuten onder de detectiegrens bracht. Kopergebaseerde coating A6 volgde op de voet, waarbij volledige virale inactivatie in 25 minuten werd bereikt (Figuur 2A). Deze bevindingen komen overeen met eerdere rapporten over de antivirale eigenschappen van koper en zilver 17,18,20,21,22,52. Er werd geen virusinactivatie waargenomen tijdens de eerste 5 minuten voor de druppeluitdroging, wat aangeeft dat vroege verminderingen in infectie grotendeels door droging werden veroorzaakt in plaats van door de coating zelf (controle, Figuur 2A, Figuur 2B)36. Coatings B4 en A6 vertoonden een snellere inactivatiekinetiek dan VS- en VS-B-coatings, terwijl VS-B tot 60 minuten nodig had om de detectiegrens te bereiken (Figuur 2A). Voorfilters met B4- en A6-coatings waren niet beschikbaar; daarom werd VS-B geselecteerd voor latere filter-aerosolexperimenten.

De resultaten van deze studie benadrukken dat HEPA-filters en voorfilters effectief het aantal virussen dat erdoorheen gaat, zelfs zonder een antivirale coating verminderen. Mechanische stress op aerosoliseerde virussen tijdens filtratie leidde tot een logaritmatische vermindering van 1,0–2,0 in virale infectie (van ~8 × 105 – 1 × 107 PFU/mL naar ~5 × 104 – 105, Figuur 3A). Deze vermindering werd consequent waargenomen in alle pre-filter tests, wat eerdere bevindingen 50,53,54 ondersteunde. Voor het GF-2 HEPA-type filter was het verlies van virale infectie zelfs nog groter, zonder detecteerbare infectieuze deeltjes binnen de gevoeligheidslimieten van de methode (Figuur 3A). De lagere infectiviteit ten opzichte van het totale aantal kopieën van het genoom suggereert dat filtratie mechanische schade veroorzaakt aan de virusdeeltjes, een fenomeen dat vooral uitgesproken is bij het omhulde Phi6-virus. Omdat omhulde virussen gevoeliger zijn voor mechanische verstoring, kan dit verschil kleiner zijn voor niet-omhulde virussen55.

Bij aerosoltests hadden coatings geen statistisch significant effect op de filtratieprestaties van voorfilters. Dit weerspiegelt waarschijnlijk beperkt contact tussen de coating en virussen die door het filter gaan, wat vergelijkbare resultaten oplevert voor gecoate en ongecoate voorfilters (Figuur 3B, Figuur 4B). De berekende verblijfstijden onder een seconde suggereren dat antivirale inactivatiekinetica op een zeer korte tijdschaal moeten optreden om effectief te zijn onder realistische luchtstromingsomstandigheden. Bovendien suggereren onze resultaten dat de geteste coatings niet de elektrostatische affiniteit vertonen die kenmerkend is voor koperionen voor negatief geladen biologische moleculen, die anders virussen naar het filter zouden kunnen aantrekken en hun doorgang56 zouden kunnen verminderen. Daarom ligt het belangrijkste voordeel van pre-filter coatings mogelijk in hun zelfdesinfecterende eigenschappen na de vangst, zoals aangetoond in oppervlaktetesten, in plaats van in het verbeteren van de mechanische filtratie-efficiëntie. Belangrijk is dat de experimenten in deze studie single-pass filtratiecondities vertegenwoordigen, waarbij aerosoldeeltjes slechts één keer met het filter interageren. Dit resulteert in zeer korte verblijvenstijden en beperkt contact tussen virus en oppervlak, wat waarschijnlijk de waarneembare impact van antivirale coatings vermindert. Daarentegen werken echte luchtzuiveringssystemen doorgaans onder circulerende omstandigheden, waarbij herhaalde luchtdoorstroming het cumulatieve contact verhoogt en de effectiviteit van de coating kan verbeteren.

Onze resultaten geven aan dat GF-2 filters een verbeterde verwijdering van infectieuze virussen vertoonden na drie maanden continu gebruik in luchtreinigers in het fine-dining restaurant en personeelscafetaria (Aanvullende Figuur 3 en Aanvullende Figuur 4) vergeleken met de ongebruikte filters (Figuur 5). Deze verbetering kan aan verschillende factoren worden toegeschreven. Ten eerste is gerapporteerd dat de ophoping van stof en andere deeltjes virussen57 inactiveren. Ten tweede kan de geleidelijke ophoping van binnenluchtverontreinigende stoffen de filterstructuur verdichten, wat mogelijk de effectiviteit tijdelijk verhoogt 57,58,59. Opmerkelijk is dat de aanwezigheid van coatings de infectiviteit van virussen of het aantal qRT-PCR-gedetecteerde genoomkopieën niet significant beïnvloedde. De doorgang van niet-infectieuze virusdeeltjes was ook vergelijkbaar ongeacht filtercoatings of gebruik, wat erop wijst dat de waargenomen filtratie-efficiëntie van de GF-2 HEPA-type filters en voorfilters voornamelijk hun mechanische eigenschappen weerspiegelt. Desalniettemin had de ophoping van gefilterde deeltjes op het GF-2 filteroppervlak een uitgesproken effect op het verminderen van het aantal infectieuze virussen dat erdoorheen ging (Figuur 5).

Om de verschillen in filterprestaties te begrijpen zoals waargenomen in Figuur 5 en Figuur 6, werden aanvullende tests uitgevoerd. Alle filters vertoonden een sterke hydrofobiciteit bij blootstelling aan waterdruppels, terwijl oliedruppeltesten duidelijke verschillen aantoonden, waarbij VS-gecoate filters uitgesproken lipofiliciteit vertoonden. Het onderliggende mechanisme voor deze variatie blijft onduidelijk, maar deze resultaten suggereren dat filterleeftijd of gebruiksgeschiedenis mogelijk niet de primaire bepalende factoren van prestaties zijn. In plaats daarvan kan het type voorbehandeling van het oppervlak de fysieke eigenschappen van het filter veranderen, wat de retentie en doorgang van het virus beïnvloedt. Gezamenlijk geven deze bevindingen aan dat antivirale coatings functionele voordelen bieden naast mechanische filtratie, met name door hun zelfdesinfecterende potentieel, wat de gezondheidsrisico's voor personeel dat gebruikte filters hanteert kan verminderen.

Hoewel dit protocol een robuust kader biedt voor het evalueren van antivirale filtratie, moeten er verschillende beperkingen worden meegenomen. Ten eerste werd de omhulde bacteriofaag Phi6 gebruikt als surrogaat voor menselijke ademhalingspathogenen. Hoewel Phi6 structurele en chemische overeenkomsten vertoont met coronavirussen, kunnen verschillen in milieustabiliteit en oppervlakte-eiwitten de exacte inactivatiekinetiek beïnvloeden. Ten tweede, hoewel sommige coatings aanzienlijke effectiviteit toonden, evalueerde deze studie een beperkte set formuleringen onder specifieke aerosolcondities; Toekomstig onderzoek zou de reikwijdte moeten verbreden met een breder scala aan antimicrobiële middelen. Ten slotte werden de experimenten uitgevoerd in een gecontroleerde aerosolkamer met gereguleerde luchtstroom en vochtigheid. Hoewel deze omstandigheden reproduceerbaarheid garanderen, repliceren ze niet volledig de complexe, turbulente luchtstroom en fluctuerende omgevingsparameters die in echte binnenomgevingen voorkomen.

Al met al toont deze studie aan dat hoewel GF-2 glasvezelfilters en voorfilters infectieuze virussen efficiënt verwijderen, vooral na langdurig gebruik door deeltjesdichtheid, de primaire rol van koper- en zilvergebaseerde coatings het inactiveren van virussen bij direct contact is. Deze bevindingen onderstrepen de robuustheid van mechanische filtratie bij het bestrijden van luchtgedragen virussen en suggereren dat toekomstige studies de combinatie van antivirale coatings met complementaire interventies, zoals UV-bestraling, moeten evalueren om het transmissierisico verder te verminderen. Pre-filter60,61. Ook zullen toekomstige veldstudies waarbij deze coatings worden geïntegreerd in bestaande ventilatiesystemen van gebouwen essentieel zijn om hun prestaties ter plaatse te valideren.

Openbaarmakingen

De auteurs geven geen belangenconflict aan.

Dankbetuigingen

Sari Korhonen wordt bedankt voor uitstekende technische ondersteuning. Pavlina Gregorova wordt erkend voor advies over het qRT-PCR-protocol. Wij danken wijlen professor Dennis H. Bamford voor zijn onschatbare input bij het ontwerpen van de kameropstelling en voor al zijn steun gedurende de experimenten. Dr. A.-P. Hyvärinen wordt bedankt voor het helpen bij het opzetten van de aerosoltestkamer. De faciliteiten en expertise van de Instruct-HiLIFE Biocomplex-eenheid aan de Universiteit van Helsinki, lid van Instruct-ERIC Centre Finland, FINStruct en Biocenter Finland worden met dank erkend. De studie werd gefinancierd door de Onderzoeksraad van Finland, speciale COVID-financiering 335681 en financiering 368144 aan de NSA. De Onderzoeksraad van Finland wordt erkend voor ACCC Flagship financiering (subsidie nr. 337552). Wij maken de financieringssteun bekend van Clean Touch Medical LTD, M-Filter LTD en UniqAir LTD om de experimenten af te ronden, zonder dat de bedrijven betrokken zijn bij het experimentele ontwerp, de uitvoering, rapportage of het schrijven van enig deel van het manuscript.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Aerosol chamber glass cylinder and lidLaborexin OyN/AOp maat gemaakte glazen cilinder en deksel voor aerosolbeveiliging.
Aerosol chamber inner metal scaffoldClean Touch Medical Ltd.N/AOp maat gemaakte roestvrijstalen ondersteunende structuur voor filtermontage.
Aerosol chamber lid insulating gasketsEtra Oy (Etola Group)N/AOp maat gemaakte rubberen afdichtingen voor luchtdichte afdichting.
Air pump, WI 53082Thomas Industries Inc.N/ADiafragmapomp die wordt gebruikt om een gereguleerde luchtstroom door de kamer te handhaven.
BioSamplerSKC Inc.https://international.skcinc.com/products/air/bioaerosol-samplers/biosamplerVolledig glazen draaiende impinger die wordt gebruikt voor het hoogwaardig verzamelen van luchtgebonden virussen.
Coated test piecesClean Touch Medical Ltd.www.cleantouchmedical.comGlanse papieren dia's bedekt met antimicrobiële formuleringen voor het testen van de oppervlakte-effectiviteit.
CompAir Pro NE-C900 nebulizerOmron HealthcareNE-C900 Compressor-nevelblazer met hoog vermogen die wordt gebruikt voor het genereren van virale aerosols.
SPSS Statistics softwareIBM Corp.https://www.ibm.com/products/spssSoftware voor statistische analyse, versie 28.0.
QuantStudio Design and Analysis SoftwareThermo Fisher Scientifichttps://www.thermofisher.com/in/en/home/technical-resources/software-downloads.html#pcrSoftware die wordt gebruikt voor qRT-PCR-gegevensanalyse, versie 1.3.1.
UniqAir PRO air purifierUniqAir Oyhttps://www.uniqair.fi/Commerciële luchtzuiveringsunit die wordt gebruikt voor het opruimen van de kamer.

Referenties

  1. Beggs, C. B., et al. Airborne transmission of SARS-CoV-2: the contrast between indoors and outdoors. Fluids. 9 (3), 54 (2024).
  2. Qian, H., et al. Indoor transmission of SARS-CoV-2. Indoor Air. 31 (3), 639-645 (2021).
  3. Han, S., Kim, J., Ko, S. H. Advances in air filtration technologies: structure-based and interaction-based approaches. Materials Today Advances. 9, 100134 (2021).
  4. Wang, P., Liu, Z., Chen, D. R. Performance of composite filters assembled from multiple layers of basic filtration media. Aerosol Air Qual Res. 20 (11), 2299-2308 (2020).
  5. Xu, Z. . Fundamentals of air cleaning technology and its application in cleanrooms. , (2014).
  6. Mao, N. . Advances in technical nonwovens. , (2016).
  7. Xie, Q., et al. The effect of pre-filter and main-filter media matching on the performance of an ultra-high-efficiency two-stage filtration system. Processes. 13 (4), 1075 (2025).
  8. Chattopadhyay, D., Chattopadhyay, S., Lyon, W. G., Wilson, J. T. Effect of surfactants on the survival and sorption of viruses. Environ Sci Technol. 36 (19), 4017-4024 (2002).
  9. G, R., et al. Bactericidal–bacteriostatic foam filters for air treatment. ACS Appl Polym Mater. 2 (4), 1569-1578 (2020).
  10. Xue, X., et al. All surfaces are not equal in contact transmission of SARS-CoV-2. Matter. 3 (5), 1433-1441 (2020).
  11. Tiwari, A., et al. Survival of two avian respiratory viruses on porous and nonporous surfaces. Avian Dis. 50 (2), 284-287 (2006).
  12. Yasui, M., et al. Virus removal by microfiltration: effects of electrostatic and hydrophobic interactions. Sep Purif Technol. 350, 127902 (2024).
  13. Kaushik, R., et al. . Indoor environmental quality. , (2024).
  14. Watson, R., et al. Efficacy of antimicrobial and anti-viral coated air filters to prevent the spread of airborne pathogens. Sci Rep. 12 (1), 2803 (2022).
  15. Jung, S., et al. Sustainable antibacterial and anti-viral high-performance copper-coated filter produced via ion beam treatment. Polymers. 14 (5), 1007 (2022).
  16. Lee, K. H., et al. Development of nano-sized copper-deposited antimicrobial air filters using a mixed melt-blown process. Nanomaterials. 13 (14), 2071 (2023).
  17. Rakowska, P. D., et al. Anti-viral surfaces and coatings and their mechanisms of action. Commun Mater. 2 (1), 53 (2021).
  18. Bright, K. R., et al. Assessment of the anti-viral properties of zeolites containing metal ions. Food Environ Virol. 1 (1), 37 (2009).
  19. Govind, V., et al. Anti-viral properties of copper and its alloys to inactivate COVID-19 virus: a review. Biometals. 34 (6), 1217-1235 (2021).
  20. Han, J., et al. Efficient and quick inactivation of SARS coronavirus and other microbes exposed to the surfaces of some metal catalysts. Biomed Environ Sci. 18 (3), 176-180 (2005).
  21. Montes, L. F., et al. Response of varicella zoster virus and herpes zoster to silver sulfadiazine. Cutis. 38 (6), 363-365 (1986).
  22. Silvestry-Rodriguez, N., et al. . Reviews of environmental contamination and toxicology. , (2007).
  23. Carubelli, R. Cytotoxic effects of autoxidative glycation. Free Radic Biol Med. 18 (2), 265-269 (1995).
  24. Chaturvedi, U. C., Shrivastava, R. Interaction of viral proteins with metal ions: role in maintaining the structure and functions of viruses. FEMS Immunol Med Microbiol. 43 (2), 105-114 (2005).
  25. Ermini, M. L., Voliani, V. Antimicrobial nano-agents: the copper age. ACS Nano. 15 (4), 6008-6029 (2021).
  26. Foster, A. W., et al. Metal preferences and metallation. J Biol Chem. 289 (41), 28095-28103 (2014).
  27. Kubo, A. L., et al. Antibacterial and anti-viral effects of Ag, Cu and Zn metals, respective nanoparticles and filter materials thereof against coronavirus SARS-CoV-2 and influenza A virus. Pharmaceutics. 14 (12), 2549 (2022).
  28. Thurman, R. B., et al. The molecular mechanisms of copper and silver ion disinfection of bacteria and viruses. Crit Rev Environ Control. 18 (4), 295-315 (1989).
  29. Warnes, S. L., et al. Inactivation of murine norovirus on a range of copper alloy surfaces is accompanied by loss of capsid integrity. Appl Environ Microbiol. 81 (3), 1085-1091 (2015).
  30. Zhang, Y., et al. Probing the viral metallome: searching for metalloproteins in bacteriophage λ–the hunt begins. Metallomics. 3 (5), 472 (2011).
  31. Sofieva, S., et al. Effects of temperature and salinity on sea-spray-aerosol formation simulated with a bubble-generating chamber. Aerosols/Laboratory Measurement/Instruments and Platforms. , (2022).
  32. Aquino de Carvalho, N., et al. Evaluation of Phi6 persistence and suitability as an enveloped virus surrogate. Environ Sci Technol. 51 (15), 8692-8700 (2017).
  33. Barros, J., et al. Bacteriophage Φ6 as surrogate and human-harmless viruses to study anti-SARS-CoV-2 approaches. COVID-19 Pandemic Case Studies Opin. 2 (1), 175-177 (2021).
  34. Dulbecco, R., Vogt, M. Some problems of animal virology as studied by the plaque technique. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 18, 273-279 (1953).
  35. Fedorenko, A., et al. Virus survival in evaporated saliva microdroplets deposited on inanimate surfaces. Microbiology. , (2020).
  36. Prussin, A. J., et al. Survival of the enveloped virus Phi6 in droplets as a function of relative humidity, absolute humidity, and temperature. Appl Environ Microbiol. 84 (12), e00551-e00618 (2018).
  37. Sanmark, E., et al. Safe use of PHI6 in experimental studies. Heliyon. 9 (2), e13565 (2023).
  38. Serrano-Aroca, &. #. 1. 9. 3. ;. Anti-viral characterization of advanced materials: use of bacteriophage Phi 6 as surrogate of enveloped viruses such as SARS-CoV-2. Int J Mol Sci. 23 (10), 5335 (2022).
  39. Turgeon, N., et al. Comparison of five bacteriophages as models for viral aerosol studies. Appl Environ Microbiol. 80 (14), 4242-4250 (2014).
  40. Vidaver, A. K., et al. Bacteriophage φ6: a lipid-containing virus of Pseudomonas phaseolicola. J Virol. 11 (5), 799-805 (1973).
  41. Bamford, D. H., et al. . Methods in molecular genetics. , (1995).
  42. Gratia, A. . Annales de l’Institut Pasteur. , (1936).
  43. Gregorova, P., et al. An improved RT-qPCR method for direct quantification of enveloped RNA viruses. MethodsX. 9, 101737 (2022).
  44. Grinshpun, S. A., et al. . Manual of environmental microbiology. , (2015).
  45. Xiao, Y., Wiesner, M. R. Characterization of surface hydrophobicity of engineered nanoparticles. J Hazard Mater. 215–216, 146-151 (2012).
  46. Lichner, L., et al. Evaluation of different clay minerals as additives for soil water repellency alleviation. Appl Clay Sci. 31 (3-4), 238-248 (2006).
  47. Lee, K. W., Liu, B. Y. H. Theoretical study of aerosol filtration by fibrous filters. Aerosol Sci Technol. 1 (2), 147-161 (1982).
  48. Lee, K. W., Liu, B. Y. H. Experimental study of aerosol filtration by fibrous filters. Aerosol Sci Technol. 1 (1), 35-46 (1982).
  49. Piekaar, H. W., Clarenburg, L. A. Aerosol filters—the tortuosity factor in fibrous filters. Chem Eng Sci. 22 (12), 1817-1827 (1967).
  50. Cao, G., et al. Development of an improved methodology to detect infectious airborne influenza virus using the NIOSH bioaerosol sampler. J Environ Monit. 13 (12), 3321 (2011).
  51. Dubuis, M. E., et al. Ozone efficacy for the control of airborne viruses: bacteriophage and norovirus models. PLoS ONE. 15 (4), e0231164 (2020).
  52. Law, C. K., et al. . Proceedings of the 5th International Conference on Building Energy and Environment. , (2023).
  53. Ge, S., et al. Airborne virus survivability during long-term sampling using a non-viable Andersen cascade impactor in an environmental chamber. Aerosol Sci Technol. 48 (12), 1360-1368 (2014).
  54. Holton, J., Webb, A. R. An evaluation of the microbial retention performance of three ventilator-circuit filters. Intensive Care Med. 20 (3), 233-237 (1994).
  55. Firquet, S., et al. Survival of enveloped and non-enveloped viruses on inanimate surfaces. Microbes Environ. 30 (2), 140-144 (2015).
  56. Imani, S. M., et al. Antimicrobial nanomaterials and coatings: current mechanisms and future perspectives to control the spread of viruses including SARS-CoV-2. ACS Nano. 14 (10), 12341-12369 (2020).
  57. Joe, Y. H., et al. Evaluation of Ag nanoparticle coated air filter against aerosolized virus: anti-viral efficiency with dust loading. J Hazard Mater. 301, 547-553 (2016).
  58. Thomas, D., et al. Clogging of fibrous filters by solid aerosol particles: experimental and modelling study. Chem Eng Sci. 56 (11), 3549-3561 (2001).
  59. Zhang, W., et al. Modeling the surface filtration pressure drop of PTFE HEPA filter media for low load applications. Build Environ. 177, 106905 (2020).
  60. Barnewall, R. E., Bischoff, W. E. Removal of SARS-CoV-2 bioaerosols using ultraviolet air filtration. Infect Control Hosp Epidemiol. 42 (8), 1014-1015 (2021).
  61. Shang, M., et al. Removal of virus aerosols by the combination of filtration and UV-C irradiation. Front Environ Sci Eng. 17 (3), 27 (2023).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

LuchtfiltratieHEPA filterskopercoatingszilvercoatingsbioaerosolenkamervirale infectiviteitmechanische filtratieoppervlakte inactivatie

Gerelateerde artikelen