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Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22588 (2022) Citare questo articolo

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Esiste una grande richiesta di sviluppo e dimostrazione di nuove tecnologie di disinfezione per la protezione contro vari virus e batteri patogeni. In questo contesto, l’irradiazione ultravioletta (UV) offre un metodo efficace e conveniente per l’inattivazione dei microrganismi patogeni. La valutazione quantitativa dell'efficacia della sterilizzazione UV si basa sulla semplice legge di reciprocità tempo-dose proposta da Bunsen-Roscoe. Tuttavia, le costanti di velocità di inattivazione riportate in letteratura variano ampiamente, anche a parità di dose e lunghezza d’onda di irradiazione. Pertanto, è probabile che il meccanismo fisico dell’inattivazione UV non possa essere descritto dalla semplice legge di reciprocità tempo-dose ma richieda un processo di inattivazione secondario, che deve essere identificato per chiarire le basi scientifiche. In questo articolo, abbiamo condotto un esperimento di inattivazione UV con Escherichia coli alla stessa dose ma con irradiazioni e durate di irradiazione diverse, variando l'irradianza di due o tre ordini di grandezza. Abbiamo dimostrato che l'efficacia dell'inattivazione ottenuta mediante irradiazione con diodi emettitori di luce UV differisce significativamente di un ordine di grandezza alla stessa dose ma con irradiazioni diverse a una lunghezza d'onda fissa. Per spiegare questo, abbiamo costruito un modello stocastico introducendo un secondo tasso di inattivazione, come quello dovuto alle specie reattive dell'ossigeno (ROS) che contribuiscono al danno al DNA e/o alle proteine, insieme al tasso di inattivazione UV basato sulla fluenza. Risolvendo le equazioni differenziali basate su questo modello, è stata chiaramente chiarita l'efficacia dell'inattivazione in funzione dell'irradiazione e della durata dell'irradiazione nelle stesse condizioni di dose UV. Il modello proposto mostra chiaramente che almeno due tassi di inattivazione sono coinvolti nell'inattivazione UV, dove il tasso di inattivazione UV generalmente utilizzato non dipende dall'irradianza, ma il tasso di inattivazione dovuto ai ROS dipende dall'irradianza. Concludiamo che i risultati di inattivazione UV ottenuti fino ad oggi erano semplicemente adattati da un tasso di inattivazione che sovrapponeva questi due tassi di inattivazione. L'efficacia dell'irradiazione UV a lungo termine a un basso irraggiamento ma alla stessa dose fornisce informazioni utili per le future tecnologie di disinfezione come la disinfezione di ampi spazi, ad esempio le stanze d'ospedale utilizzando la luce UV, perché può ridurre la dose di radiazioni e il suo rischio al corpo umano.

C’è una grande richiesta di sviluppare e dimostrare tecnologie di disinfezione efficienti per la protezione da vari virus e batteri patogeni. In questa situazione, la sterilizzazione mediante irradiazione ultravioletta (UV) sta suscitando particolare interesse perché l’irradiazione UV offre un metodo efficace e conveniente per l’inattivazione di microrganismi patogeni, compresi i coronavirus1,2,3,4,5.

Il principio della sterilizzazione si basa sulla legge di reciprocità tempo-dose proposta da Bunsen-Roscoe6, Log(N/N0) = − Γ × D, dove Γ (cm2/mJ) è la costante di velocità di inattivazione che dipende dalla lunghezza d'onda, D = τ × P, D (mJ/cm2) è la dose UV, P (mW/cm2) è l'irradiazione UV e τ (s) è la durata dell'irradiazione (di seguito utilizzeremo D come dose UV, P come irradianza UV e τ come durata dell'irradiazione.). Questa legge di reciprocità è stata applicata a molte diverse categorie di processi di fotoreazione, come fotopolimerizzazione, fotoconduttanza e fotodegradazione, nonché sterilizzazione UV7. La legge di reciprocità presuppone che la velocità del processo di reazione fotochimica sia proporzionale all'irradiazione luminosa (processo stocastico lineare) in modo tale che l'entità del processo dipenda solo dalla D. Mentre questo è vero per la maggior parte dei processi di reazione fotochimica primaria a irradiazioni luminose che non inducono effetti non lineari, ci sono molte reazioni che non obbediscono alla legge di reciprocità in un intervallo significativo di condizioni di reazione, come le polimerizzazioni radicaliche8. Inoltre, le costanti di velocità di inattivazione di molti batteri e virus mediante irradiazione UV riportate in letteratura variano ampiamente, anche per studi in cui sono stati utilizzati la stessa lunghezza d'onda di irradiazione e gli stessi tipi e ceppi di batteri e virus9,10,11. Questa ampia gamma di valori riportati sembra suggerire che il meccanismo fisico dell'inattivazione UV non può essere descritto dalla semplice legge di reciprocità tempo-dose; occorre invece individuare un processo di inattivazione secondario per chiarirne le basi scientifiche7.