Ứng dụng Tia FAR-UVC (222 nm) trong khống chế dịch COVID-19 ở nơi công cộng

Tia UV và khả năng diệt khuẩn

Tia UV (ultraviolet), còn gọi là tia tử ngoại hay tia cực tím, là bức xạ có bước sóng trong khoảng 100-400 nm, ngắn hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy và dài hơn tia X. Tùy vào độ dài bước sóng mà tia UV được chia làm ba nhóm: UVA (320-400 nm), UVB (280-320 nm), UVC (100-280 nm) [1]. Trong tự nhiên, nguồn cung cấp tia UV lớn nhất là ánh sáng mặt trời với phần lớn là UVA và UVB, trong khi UVC không đến được mặt đất vì bị cản lại ở tầng ozone. Tia UV có thể tiêu diệt tế bào sống nhờ khả năng làm tổn thương DNA của tế bào thông qua cơ chế xúc tác quá trình dimer hóa các nucleotide thymine trên DNA [2, 3]. Các tia UV có bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng cao, do đó khả năng tiêu diệt tế bào sống cũng càng mạnh. Vì vậy trong ba nhóm trên, tia UVC được ứng dụng nhiều nhất để diệt khuẩn (trong các bệnh viện, phòng thí nghiệm sinh học,…) vì năng lượng của nó là cao nhất nên có khả năng diệt khuẩn mạnh nhất. Hiện nay, nguồn UVC được con người sử dụng đều là nhân tạo từ các thiết bị đèn UV với bước sóng thường sử dụng khoảng 254 hay 235 nm.

Bức xạ far-UVC và khả năng ức chế xâm nhiễm của coronavirus

Từ cuối năm 2019, virus SARS-CoV-2 lần đầu xuất hiện tại Vũ Hán (Trung Quốc) và sau đó nhanh chóng lan rộng sang nhiều nước tạo thành đại dịch COVID-19 trên toàn cầu. Tính đến hiện tại, trên thế giới đã có hơn 200 triệu ca mắc SARS-CoV-2, trong số đó có 4,3 triệu ca tử vong [4]. Ở Việt Nam, cả nước ghi nhận hơn 350.000 ca nhiễm trong đó có hơn 8.600 ca tử vong và hơn 8.000 ca nhiễm mới mỗi ngày tính từ 15/8/2021 đến nay [5]. Virus SARS-CoV-2 nguy hiểm với khả năng lây lan nhanh qua đường hô hấp từ hơi thở và giọt bắn khi ho hoặc hắt hơi của người bệnh [6, 7], người bệnh có thể lây cho người khác ngay khi bệnh vẫn chưa xuất hiện triệu chứng [8], kèm theo khả năng tồn tại lâu của virus ngoài không khí và trên một số bề mặt rắn [9]. Vì vậy, khu vực công cộng đông người có nguy cơ cao là những nơi chứa đựng và phát tán virus ra cộng đồng. Các biện pháp đeo khẩu trang và giữ khoảng cách nơi công cộng tuy có những hiệu quả nhất định, nhưng vẫn chưa đủ sức để ngăn chặn sự lây lan của virus trong bối cảnh nhiều nước trên thế giới vẫn chưa đạt được miễn dịch cộng đồng, cùng với việc hầu hết các vaccine hiện nay vẫn chưa thể giúp loại bỏ hoàn toàn khả năng nhiễm bệnh, đặc biệt là đối với biến thể Delta của virus. Vì vậy, việc phát triển các biện pháp bảo vệ hiệu quả hơn ở những nơi công cộng là hết sức cần thiết trong cuộc chiến chống lại virus.

Với khả năng diệt khuẩn mạnh, UVC bắt đầu được kì vọng để phát triển thành một công cụ để tiêu diệt virus ở nơi đông người. Cụ thể, các thiết bị đèn UVC có thể được lắp đặt tại các khu vực công cộng như công sở, bệnh viện để diệt virus có trong không khí giúp hạn chế tối đa nguy cơ lây nhiễm. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của ứng dụng này là khả năng gây hại của tia UV đối với tế bào cơ thể người, đặc biệt là tác động ở da và mắt [10, 11]. May mắn thay, một số nghiên cứu gần đây đã chứng minh bức xạ far-UVC (tia UVC ở bước sóng 207-222 nm) có khả năng tiêu diệt mầm bệnh hiệu quả nhưng lại không gây hại cho cơ thể người. Tia far-UVC có độ thâm nhập thấp ở mức vài micromet (do bức xạ này bị hấp thụ mạnh bởi protein và các liên kết disulfide) nên sẽ bị hấp thụ bởi lớp sừng trên cùng chứa các tế bào chết của da hoặc bởi nước mắt ở mắt, do đó sẽ không ảnh hưởng đến các tế bào và mô bên dưới [12].

Các nghiên cứu gần đây trên thế giới đã chứng minh được hiệu quả của tia far-UVC trong việc bất hoạt khả năng xâm nhiễm của các chủng coronavirus ở người. Cụ thể, nghiên cứu của Buonanno và cộng sự (2020) [13] đã cho thấy tia far-UVC 222 nm ở năng lượng 0,56 và 0,39 mJ/cm² bất hoạt 90% khả năng xâm nhiễm nguyên bào sợi phổi của lần lượt các chủng alpha HCoV-229E và beta HCoV-OC43. Kết quả thể hiện sự giảm dần tỷ số plaque forming unit (PFU) (chỉ thị khả năng virus xâm nhập và tăng trưởng được trong tế bào) giữa virus được chiếu xạ và virus bình thường khi tăng dần năng lượng chiếu xạ. Kết quả nhuộm miễn dịch huỳnh quang kháng nguyên protein gai của virus ở các tế bào nguyên bào sợi phổi (Hình 1) cho thấy cường độ tín hiệu huỳnh quang màu xanh lá của kháng nguyên (tức mức độ xâm nhiễm vào tế bào) giảm dần khi tăng dần năng lượng far-UVC chiếu xạ lên virus. Với những đặc điểm tương đồng cao giữa những chủng coronavirus sử dụng trong nghiên cứu này và những chủng SARS-CoV-2 hiện tại, kết quả nghiên cứu cho thấy tiềm năng ứng dụng của bức xạ far-UVC trong việc khống chế virus SARS-CoV-2. Kỳ vọng này cũng đã được hiện thực hóa thông qua nghiên cứu của Kitagawa và cộng sự (2021) khi chứng minh bức xạ far-UVC 222 nm ở năng lượng 3 mJ/cm² sau thời gian chiếu xạ 30 giây đã tiêu diệt gần như hoàn toàn (99,7%) virus SARS-CoV-2 [14].

Hình 1. Khả năng xâm nhiễm nguyên bào sợi phổi người của các chủng Alpha HCoV-229E và Beta HCoV-OC43 được chiếu xạ far-UVC ở các năng lượng khác nhau [13].

Cơ chế tác động của tia UVC lên khả năng xâm nhiễm của virus SARS-CoV-2

Cơ chế phân tử của tác động ức chế xâm nhiễm virus SARS-CoV-2 của tia UVC cũng đã được làm rõ. Nghiên cứu của Lo và cộng sự (2021) [15] đã chứng minh sự ức chế xâm nhiễm được kích hoạt nhờ tác động làm tổn thương của tia UVC lên bộ gen của virus. Kết quả của nghiên cứu cho thấy tia UVC không làm ảnh hưởng đến hình thái cũng như các protein spike (S) và nucleocapsid (N) của virus. Cụ thể, kết quả chụp SEM cho thấy hạt virus bình thường và hạt virus sau khi chiếu xạ UVC đều có hình thái tròn đều và kích thước tương tự nhau (~100 nm). Kết quả lai Western blot cũng ghi nhận không có hiện tượng phân hủy của các protein S và N của virus sau quá trình chiếu xạ. Ngược lại, tác động của bức xạ lên RNA bộ gen của virus là rất rõ rệt. Kết quả RT-PCR với đoạn khuếch đại dài (long RT-PCR) cho thấy số lượng bản sao của các vùng 1, 2, 3, 4, cùng các gen S và N trên RNA bộ gen của virus (Hình 2A) giảm dần khi tăng dần thời gian chiếu xạ (Hình 2B và Hình 2C). Điều này chứng tỏ thời gian chiếu xạ càng lâu thì những hư tổn xảy ra trên RNA bộ gen của virus càng nhiều. Hơn nữa, giá trị liều gây nhiễm 50% TCID₅₀ (tức nồng độ của virus mà tại đó 50% số lượng mẫu mô nuôi cấy bị nhiễm) cũng giảm dần khi tăng dần mức độ hư tổn trên bộ gen virus (được tính bằng tỉ lệ phần trăm độ sáng vạch điện di sản phẩm PCR giữa mẫu virus được chiếu xạ và mẫu virus bình thường) (Hình 2D), điều này cho thấy mức độ hư tổn trên RNA bộ gen của virus càng cao (do thời gian chiếu xạ càng lâu) thì khả năng xâm nhiễm của virus cũng càng bị suy yếu.

Hình 2. Tác động của bức xạ UVC lên sự hư tổn RNA bộ gen của virus. (A) Các đoạn khuếch đại bằng RT-PCR trên bộ gen của virus; (B) Độ sáng của sản phẩm PCR của các đoạn khuếch đại trên gel agarose; (C) Tỷ lệ cường độ sáng của sản phẩm PCR của các đoạn khuếch đại giữa virus bị chiếu xạ với virus bình thường; (D) Sự tương quan tuyến tính giữa mức độ hư tổn trên RNA bộ gen virus và giá trị TCID₅₀ [15].

Bước đầu ứng dụng far-UVC trong kiểm soát dịch COVID-19 ở nơi công cộng

Với những điểm sáng từ những nghiên cứu trên, bức xạ far-UVC bắt đầu được triển khai áp dụng tại một số địa điểm công cộng nhằm kiểm soát sự lây lan của virus trong cộng đồng [12]. Nghiên cứu của Olcay và cộng sự (2021) đã thử nghiệm mô hình hệ thống chiếu xạ far-UVC ở phòng mổ bệnh viện [12]. Hệ thống này sử dụng một nguồn đèn far-UVC được phối hợp sản xuất bởi hai công ty Vestel và InnowayRG (Thổ Nhĩ Kỳ) (Hình 3). Nguồn đèn UVC này sử dụng một tấm lọc để đảm bảo bức xạ phát ra là far-UVC ở bước sóng 222 nm. Cường độ của tia far-UVC phát ra là 2,23 µW/cm² ở trung tâm và 1,34 µW/cm² ở khoảng cách 2,5 m. Ngoài ra, thiết bị đèn far-UVC này còn được kết hợp với một tấm vải sợi chỉ cho phép 1,5% tia far-UVC đi qua, do đó hạn chế tối đa lượng bức xạ tiếp xúc lên cơ thể của người làm việc trong phòng mổ. Với cách bố trí hệ thống đèn UV (có tấm vải sợi bao phủ) trên cao cách mặt đất 2,2 m (Hình 4), nghiên cứu đã cho thấy năng lượng far-UVC 222 nm tiếp xúc lên vùng đầu của người làm việc cao 1,7 m (tức khoảng cách giữa đèn UV và bộ phận gần nhất trên cơ thể đạt tối thiểu 50 cm) trong phòng mổ là 22 mJ/cm² trong thời gian 8 giờ và nằm trong giới hạn cho phép được đặt ra bởi Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Bức xạ Không Ion hóa (ICNIRP). Nghiên cứu này là một bước đi tiên phong về việc ứng dụng tia far-UVC trong khống chế virus SARS-CoV-2 ở nơi công cộng theo những quy trình đảm bảo an toàn cho con người.

Hình 3. Đèn far-UVC 222 nm được phối hợp sản xuất bởi Vestel và InnowayRG (Thổ Nhĩ Kỳ) [12].

Hình 4. Phòng mổ sử dụng hệ thống đèn far-UVC 222 nm [12].

Kết luận

Hiện nay, các khu vực đông người tiềm ẩn nguy cơ rất cao về khả năng lây lan virus SARS-CoV-2. Mặc dù nhiều tỉnh, thành ở Việt Nam hiện nay đang thực hiện Chỉ thị 16 của Chính phủ nhằm hạn chế tối đa việc người dân ra ngoài, tuy nhiên một số nơi như bệnh viện, khu điều trị bệnh nhân COVID-19, khu cách ly tập trung vẫn không thể trì hoãn hoạt động. Do đó, việc áp dụng hệ thống chiếu xạ far-UVC nhiều hi vọng sẽ trở thành một biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế tối đa khả năng lây nhiễm chéo ở những khu vực có nguy cơ chứa đựng virus rất cao trên. Trong các biện pháp kìm hãm sự lây lan của virus, khử khuẩn luôn là một hoạt động hết sức cần thiết. Các biện pháp khử khuẩn tay, khử khuẩn bề mặt có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các hóa chất diệt khuẩn cơ bản như xà phòng, cồn, nước javel. Tuy nhiên, việc khử khuẩn trong không khí bằng hóa chất lại gặp phải nhiều khó khăn hơn vì hóa chất sau khi phun dễ bị phân tán và bay hơi trong những không gian rộng hoặc bị hấp phụ lên các bề mặt khiến hóa chất không duy trì liên tục được nồng độ diệt khuẩn tối thiểu trong không khí sau thời gian dài. Do đó, tia far-UVC có thể được sử dụng như một công cụ khử khuẩn đắc lực ở những nơi có không gian lớn. Mặc dù hệ thống đèn chiếu xạ far-UVC có thể được lắp đặt và sử dụng dễ dàng ở nơi đông người, cần lưu ý không phải mọi khu vực đều có thể áp dụng được. Cụ thể, những điểm tiêm chủng vaccine không nên sử dụng phương pháp này vì tia far-UVC, với khả năng làm hư tổn RNA, có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng của một số vaccine mRNA như vaccine của Pfizer/BioNTech hay Moderna. Một dạng khu vực khác cũng không nên áp dụng phương pháp khử khuẩn bằng tia xạ này là những nơi lấy mẫu và xét nghiệm RT-PCR vì tia far-UVC có thể làm ảnh hưởng RNA của virus trong các mẫu sinh phẩm gây nên kết quả âm tính giả. Ngoài ra, những khu vực muốn áp dụng phương pháp chiếu xạ far-UVC nên được trang bị các hệ thống thông khí để loại bỏ khí ozone, sản phẩm hình thành từ oxy trong không khí dưới xúc tác của tia UV [16], để tránh những tác hại của ozone đối với sức khỏe con người. Bên cạnh đó, đèn far-UVC cũng cần được kết hợp rèm chắn và bố trí ở khoảng cách phù hợp với người (tốt nhất là trên trần nhà) kèm theo những cách thức kiểm soát để mức năng lượng tác động lên cơ thể người không quá 22 mJ/cm² theo quy định của ICNIRP [12]. Tuy nhiên, nếu kiểm soát tốt được những biện pháp an toàn này, tia far-UVC hoàn toàn có thể được áp dụng để kiểm soát dịch bệnh ở nơi công cộng.

Tài liệu tham khảo

1. https://www.who.int/news-room/q-a-detail/radiation-ultraviolet-(uv)
2. Wang X, Yu H. The effect of DNA backbone on the triplet mechanism of UV-induced thymine-thymine (6-4) dimer formation. J Mol Model. 2018 Oct 23;24(11):319. doi: 10.1007/s00894-018-3863-9. PMID: 30353277.
3. Sinha RP, Häder DP. UV-induced DNA damage and repair: a review. Photochem Photobiol Sci. 2002 Apr;1(4):225-36. doi: 10.1039/b201230h. PMID: 12661961.
4. https://covid19.who.int/
5. https://ncov.moh.gov.vn/
6. Stadnytskyi V, Anfinrud P, Bax A. Breathing, speaking, coughing or sneezing: What drives transmission of SARS-CoV-2? J Intern Med. 2021 Jun 8:10.1111/joim.13326. doi: 10.1111/joim.13326. Epub ahead of print. PMID: 34105202; PMCID: PMC8242678.
7. Dhand R, Li J. Coughs and Sneezes: Their Role in Transmission of Respiratory Viral Infections, Including SARS-CoV-2. Am J Respir Crit Care Med. 2020 Sep 1;202(5):651-659. doi: 10.1164/rccm.202004-1263PP. PMID: 32543913; PMCID: PMC7462404.
8. Oran DP, Topol EJ. Prevalence of Asymptomatic SARS-CoV-2 Infection : A Narrative Review. Ann Intern Med. 2020 Sep 1;173(5):362-367. doi: 10.7326/M20-3012. Epub 2020 Jun 3. PMID: 32491919; PMCID: PMC7281624.
9. van Doremalen N, Bushmaker T, Morris DH, Holbrook MG, Gamble A, Williamson BN, Tamin A, Harcourt JL, Thornburg NJ, Gerber SI, Lloyd-Smith JO, de Wit E, Munster VJ. Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1. N Engl J Med. 2020 Apr 16;382(16):1564-1567. doi: 10.1056/NEJMc2004973. Epub 2020 Mar 17. PMID: 32182409; PMCID: PMC7121658.
10. D’Orazio J, Jarrett S, Amaro-Ortiz A, Scott T. UV radiation and the skin. Int J Mol Sci. 2013 Jun 7;14(6):12222-48. doi: 10.3390/ijms140612222. PMID: 23749111; PMCID: PMC3709783.
11. van Kuijk FJ. Effects of ultraviolet light on the eye: role of protective glasses. Environ Health Perspect. 1991 Dec;96:177-84. doi: 10.1289/ehp.9196177. PMID: 1820264; PMCID: PMC1568237.
12. Olcay A, Albayrak SB, Aktürk IF, Akbülbül MC, Yolay O, İkitimur H, Bayer MC. A new Far-UVC based method for germ free hospitals and travel: Initus-V. MedRxiv. 2021 Apr 27; doi: 10.1101/2021.04.23.21255969.
13. Buonanno M, Welch D, Shuryak I, Brenner DJ. Far-UVC light (222 nm) efficiently and safely inactivates airborne human coronaviruses. Sci Rep. 2020 Jun 24;10(1):10285. doi: 10.1038/s41598-020-67211-2. PMID: 32581288; PMCID: PMC7314750.
14. Kitagawa H, Nomura T, Nazmul T, Omori K, Shigemoto N, Sakaguchi T, Ohge H. Effectiveness of 222-nm ultraviolet light on disinfecting SARS-CoV-2 surface contamination. Am J Infect Control. 2021 Mar;49(3):299-301. doi: 10.1016/j.ajic.2020.08.022. Epub 2020 Sep 4. PMID: 32896604; PMCID: PMC7473342.
15. Lo CW, Matsuura R, Iimura K, Wada S, Shinjo A, Benno Y, Nakagawa M, Takei M, Aida Y. UVC disinfects SARS-CoV-2 by induction of viral genome damage without apparent effects on viral morphology and proteins. Sci Rep. 2021 Jul 5;11(1):13804. doi: 10.1038/s41598-021-93231-7. PMID: 34226623; PMCID: PMC8257663.
16. Claus H. Ozone Generation by Ultraviolet Lamps†. Photochem Photobiol. 2021 May;97(3):471-476. doi: 10.1111/php.13391. Epub 2021 Feb 22. PMID: 33534912.