Cuando surgió la pandemia de COVID-19 a principios de 2020, la radiación ultravioleta (UV) se convirtió en uno de los métodos de referencia para prevenir la propagación del virus SARS-CoV-2, junto con las mascarillas, el desinfectante de manos y el distanciamiento social. 

Si bien estaba claro que la radiación UV puede inactivar patógenos y virus, a un coste bajo y con unos riesgos manejables, era necesario conocer en mayor profundidad el rendimiento de las distintas longitudes de onda, así como otros parámetros como la dosis, tiempo de exposición y aspectos relacionados con la seguridad para garantizar una correcta utilización de esta tecnología. 

A lo largo de los dos últimos años, múltiples investigaciones e instituciones han ido arrojado luz sobre todos estos aspectos, estableciendo nuevas directrices para la cuantificación de la inactivación de patógenos en el aire mediante tecnologías de radiación ultravioleta, el desarrollo de los primeros métodos estandarizados para la medición de las emisiones ultravioletas, o la cuantificación energía necesaria para inactivar el SARS-COV-2, llegando a impulsar la tecnología UVC como un elemento básico en el futuro diseño y rehabilitación de edificios. 

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson de la Universidad de Binghamton, han efectuado una evaluación sistemática de la desinfección UVC del SARS-CoV-2, con el objetivo de seguir sentando las bases de las normas sanitarias sobre lo que ofrecer una verdadera esterilización UV. 

Los investigadores desarrollaron un modelo de desinfección para determinar el efecto de entorno en la eficacia de la UVC con tres longitudes de onda diferentes, 222 nm, 254 nm y 265 nm.  Para ello, el equipo de Binghamton añadió un retrovirus similar al SARS-CoV-2 a tres medios diferentes (un medio de cultivo celular, agua y una recreación artificial de la saliva humana) y los expuso a tres longitudes de onda diferentes en el rango de la UVC.

“El sistema que hemos ideado puede convertirse en el modelo para cualquiera que quiera estandarizar la dosis. Lo más importante de esta investigación es que ofrece una base científica para estandarizar y regular las afirmaciones de los fabricantes de dispositivos desinfectantes UV”, explica el profesor Kaiming Ye, director del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Binghamton, quien lideró la investigación.

Modelando la desinfección UVC

Tres rangos de luz ultravioleta (UVC) son los que han sido ampliamente estudiados como óptimos para la desinfección de patógenos: 207-222 nm, 254 nm, y 260-280 nm.

La longitud de onda de 254 nm es la más utilizada como germicida. Sin embargo, esta puede dañar la piel y los ojos. Por ello, los métodos de desinfección que utilizan luz UV de 254 nm deben emplearse sólo en espacios desocupados, o deben diseñarse de forma que no causen una exposición directa. 

Asimismo, se ha afirmado que las longitudes de onda en el rango de 260-280 nm son más eficaces que las de 254 nm, ya que estas longitudes de onda están más cerca de la absorción máxima del ARN o el ADN. Además, las longitudes de onda de 207-222 nm han ganado un protagonismo creciente como nueva longitud de onda de desinfección. 

Informes recientes han demostrado la gran eficacia germicida de la luz de 222 nm. Los estudios también sugieren que la luz UVC de 222 nm puede utilizarse de forma segura en entornos públicos, ya que no puede penetrar en los tejidos tan profundamente como lo hace una UVC de mayor longitud de onda.

Para complicar aún más la evaluación de las diferentes longitudes de onda de la UVC, las dosis de inactivación que se han notificado para lograr una determinada reducción logarítmica para diversos patógenos son muy variadas. Una amplia revisión de los coronavirus y sus dosis de inactivación reveló una amplia gama de dosis recomendadas que van de 0,6 a 11.754 mJ/cm2. 

Para arrojar aún más luz en estos aspectos, los investigadores desarrollaron un modelo de determinación de las dosis de desinfección UVC y lo utilizaron para determinar cómo cambian las dosis requeridas en diferentes condiciones experimentales, con el objetivo de demostrar cómo la dosis efectiva requerida para erradicar completamente el SARS-CoV-2 cambia dependiendo de las condiciones experimentales.

“La eficacia de la desinfección está muy influenciada por el medio en el que se encuentra el virus. Utilizamos la misma dosis, la misma intensidad de luz y las mismas longitudes de onda cuando el virus estaba suspendido en saliva, en agua y en un medio de cultivo celular, pero la eficacia fue completamente diferente”, explica el profesor Ye.

Resultados

Los resultados de la investigación, publicados recientemente en ‘Scientific Reports’, muestran cómo se produce una reducción superior a 3 logs de la infectividad del SARS-CoV-2 con una dosis de 12,5 mJ/cm2 de luz UV de 254 nm cuando los virus estaban suspendidos en PBS, mientras que fue necesaria una dosis de 25 mJ/cm2 para lograr una reducción similar cuando estaban en un medio de cultivo EMEM que contenía un 2%(v/v) de FBS, lo que pone de manifiesto el efecto crítico de los medios en los que se suspende el virus, dado que el SARS-CoV-2 siempre se aerosoliza cuando se transmite por el aire o se deposita en una superficie.

Asimismo, se descubrió que la susceptibilidad del SARS-CoV-2 (una medida de la eficacia de la luz UV) en un tampón como el PBS era 4,4 veces mayor que en un medio de cultivo celular. Además, se determinó que la atenuación de la desinfección con UVC por parte de los aminoácidos, las vitaminas y la niacinamida, lo que pone de manifiesto la importancia de determinar las dosis de UVC en condiciones cercanas a los aerosoles que envuelven a los virus.

Como se demuestra en el estudio, la absorbancia y la susceptibilidad están inversamente correlacionadas entre sí, ya sea debido al material o al cambio en la longitud de la vía óptica. Por lo tanto, los estudios de inactivación que examinan las partículas virales aerosolizadas deben tener en cuenta las longitudes de recorrido óptico a través de las gotas de radios polidispersos. Esto explicaría probablemente por qué las dosis de inactivación recomendadas para las partículas aerosolizadas son notablemente menores que las dosis determinadas por la metodología de la suspensión líquida. Los estudios de inactivación suelen emplear líquidos comúnmente presentes en los laboratorios. La investigación sugiere que la adopción de líquidos más relevantes, como la saliva, puede dar dosis de inactivación más fisiológicamente relevantes y significativas. Los líquidos que atenúan mínimamente una determinada longitud de onda deben utilizarse con precaución para los estudios de inactivación viral, ya que pueden subestimar las dosis de inactivación necesarias en situaciones más relevantes.

Debido a esta reducción de la atenuación, se observó una mayor susceptibilidad del virus a la luz UVC de 222 nm en líquidos de alta absorción, como el PBS, en comparación con la luz de 254 y 265 nm. Esto sugiere que 222 nm es más eficaz que 254 nm para la inactivación viral cuando no hay elementos absorbentes de UVC. Esto se observó tanto en suspensiones líquidas puras como en máscaras N95. El hallazgo es coherente con que los 222 nm contiene más energía fotónica que la luz de 254 nm. Sin embargo, en líquidos altamente absorbentes de UVC, como el medio de cultivo celular con suero, 265 nm fue la longitud de onda más eficaz.

Mejor estrategia para maximizar la eficiencia germicida

La comparación de estas longitudes de onda también sugirió que los dispositivos de desinfección UVC que utilizan múltiples longitudes de onda pueden ser la mejora estrategia para maximizar la eficacia germicida en todos los entornos y se han propuesto tres mecanismos claves de inactivación microbiana mediada por UV:

• daño a las proteínas y suspensión de la reparación del ADN por 190-254 nm
• daño directo e indirecto al ADN por 250-320 nm
• generación de especies reactivas de oxígenos por fotoiniciadores endógenos por 300-405 nm

Los resultados de la investigación apoyan la hipótesis de que los 222 nm es una la longitud de onda más eficaz para la desinfección, pero sólo en condiciones en las que las longitudes de onda UVC inferiores no son altamente absorbidas. La generación de especies reactivas de oxígeno perjudiciales por parte de una longitud de onda UV más alta llevó a los investigadores a plantearse la hipótesis de que un enfoque de doble longitud de onda de 222 nm más una fuente UV de amplio espectro centrada en 265 nm implicaría de forma óptima los tres mecanismos y, por tanto, sería un sistema de desinfección más sólido que cualquier longitud de onda única.

Seguridad de las fuentes de luz UV

Los investigadores también evaluaron la seguridad de las diferentes fuentes de luz UV según su aplicación, yendo más allá de los daños citotóxicos y en el ADN de la piel. 

Aunque no se observaron disminuciones significativas en el módulo elástico de la piel expuesta a 254 nm y 222 nm, sí se produjeron disminuciones en la tensión de fractura, la deformación de fractura y el trabajo de fractura. El estrato córneo equilibrado al 100% de humedad relativa mostró una degradación mecánica a dosis de 50 J/cm2, mientras que el estrato córneo equilibrado al 25% de humedad relativa requirió dosis superiores a 200 J/cm2, en relación con los controles. Estudios anteriores han informado de que menos del 5% de la luz UV lejana alcanza el centro de las células de un diámetro típico de 10 μm. El estrato córneo está formado por corneocitos diferenciados y sirve de barrera protectora contra la luz UV lejana. 

Estos nuevos hallazgos sugieren un mecanismo indirecto por el que la exposición crónica a los rayos UV lejanos podría conducir a la degradación de la integridad de la piel, lo que podría dejarla más susceptible a la infección. 

“En esta investigación hemos demostrado que tanto la luz lejana de 222nm, como la luz UVC normal de 254 nm degradan la integridad mecánica del estrato córneo, la capa superior de la piel, provocando una probabilidad de agotamiento. Esto significa que las bacterias y otros microorganismos pueden entrar y potencialmente infectar la piel”, detalla Guy German, profesor asociado de la Universidad de Binghamton y también autor del estudio. 

Basándose en estos resultados el equipo de investigación ha diseñado un sistema de desinfección por luz LED que debería causar menos daño a la piel humana. Actualmente están realizando pruebas adicionales antes de solicitar la patente del mismo.

Además, el equipo descubrió que dos aminoácidos (L-triptófano y L-tirosina) y una vitamina (niacinamida) absorben fuertemente los UVC, y ese descubrimiento podría dar lugar a lociones que bloquearían la exposición y evitarían daños en la piel si la desinfección con UVC se hace más frecuente en los espacios públicos.

“El sistema que hemos ideado puede convertirse en el modelo para cualquiera que quiera estandarizar la dosis. Así es como se puede determinar la erradicación del SARS-CoV-2 utilizando UVC – tal vez también el SARS-CoV-3, SARS-CoV-4, SARS-CoV-5. Esperamos no llegar nunca a ese punto, pero tenemos que estar preparados”, concluye Ye.