Știința din spatele acestei inovații se bazează pe conceptul de acțiune concertată a ionilor anumitor metale asupra membranei virusurilor ARN, fără efecte adverse asupra celulelor umane. Un dispozitiv bazat pe o ionizare unică, în două etape, a fost creat cu scopul de a preveni răspândirea virusurilor în spații mici, închise.

Cercetarea și soluția

Scopul nostru a fost acela de a dezvolta o soluție și de a o pune în practică pentru a combate eficient virusurile ARN în aer, inclusiv coronavirusurile, în special COVID-19 ⁽¹⁾. În același timp, soluția nu trebuie să aibă un efect negativ asupra celulelor umane. S-au studiat lucrări de cercetare din domeniul nanomedicinei efectuate începând cu anii 1970 și s-au aplicat concepte din fizica teoretică și din chimie ⁽²⁾.

Un virus nu este considerat o ființă vie, fiind însă un agent infecțios non-celular viu sau o „unitate flash” care este activată numai atunci când este atașată la un animal viu sau la o celulă umană. Virusul nu se poate reproduce în afara celulei. Cele mai bune condiții pentru transmiterea virusurilor sunt date de vremea rece, umedă și de ceață. Virusurile, spre deosebire de bacterii, sunt foarte greu de distrus, așa că am căutat o modalitate non-banală de a lupta împotriva lor.

Coronavirusurile sunt particule sferice cu un diametru de aproximativ 125 nm, cu un înveliș protector în două straturi, în care sunt încorporate membrana (M), anvelopa (E) și proteinele spike. Învelișul coronavirusului constă în principal din M. Este unic printre virusurile de tip E ⁽³⁾.

La baza ipotezei studiului a fost faptul că grupurile de ioni de anumite metale, cum ar fi K- și Pt0, datorită energiei concentrate în ele, ar fi atrase de învelișul exterior încărcat pozitiv al membranei, fapt care duce la o reacție izotermă galvanică. Ca urmare, ionii „ard” membrana virusului, ducând la distrugerea acesteia. Ionii de magneziu sunt, de asemenea, bine cunoscuți pentru capacitatea lor de a întări celulele vii ^{(4, 5)}. În timpul studierii compozițiilor de ioni care pot afecta negativ membrana coronavirusului, o atenție deosebită a fost acordată grupului de platină, deoarece elementele acestui grup (platină, aur) au o greutate atomică suficient de mare și structura optimă a învelișului electronic. Ionii cu o greutate atomică mai mare (mercurul și următoarele elemente din tabelul periodic) ar putea fi mai eficienți, dar sunt cunoscuți pentru efectul lor negativ asupra celulelor organice.

Compoziția selectată a substanței ionice include Na11, Mg12, Ag47, Cl17, H1, Pt78, Au79, I53, K19 printre altele. Materialul ionic a fost produs prin reacții exoterme de difuzie succesivă a substanțelor în prezența catalizatorilor corespunzători, folosind o sursă de energie externă. Substanța ionică rezultată este stabilă, nu intră într-o reacție chimică cu apa sau cu aerul și nu se evaporă în condiții naturale. Materialul ionic nu se solidifică și rămâne lichid la temperaturi cuprinse între -55 și 135 ° C.

Ionii complecși eliberați în aer conțin printre elementele enumerate și așa-numiții radicali liberi OH-. Se presupune că astfel de ioni atrag învelișul exterior încărcat pozitiv al membranei virusului, iau hidrogenul sau oxigenul din acesta și lasă membrana să fie distrusă de reacția izotermă. Cu toate acestea, reacția nu este atât de simplă. Ciclul de viață al ionului este foarte scurt. Ionii emiși în aer sunt forțați să treacă în mod constant prin mutații în spațiu; pe tot parcursul timpului, mutațiile includ diferite grupuri de ioni care creează potențial de fază între membrana virusului și ionul care duce la distrugerea virusului. Toate componentele materialului ionic sunt selectate pentru a menține ionii emiși în mediu cât mai mult timp posibil, fără a dăuna celulelor vii.

Realizarea practică

Tehnologia unică a fost dezvoltată în așa fel încât să plaseze substanța cu un lichid ionizat compozit pe o structură poroasă, să o acopere într-o carcasă mare, de dantelă de cristal a unui polimer, să o facă suficient de stabilă pentru o lungă perioadă de timp și potrivită pentru emisiile de ioni. Astfel, atunci când materialul este turnat într-o capsulă, polimerul reacționează cu aerul, formând o structură poroasă, care absoarbe și reține substanța ionizată. Polimerul în sine este 100% dielectric și nu interferează cu funcționarea substanței ionice lichide.

Materialul ionizat (stadiul 1) permite emiterea grupurilor de ioni în aer prin aplicarea unui voltaj ridicat, dar cu o putere foarte rezonabilă (etapa 2). Folosim doar 10W pentru a aplica 14-20kV pentru emisiile de ioni. Testele au arătat că o astfel de putere este suficientă pentru a crea 30-34k ioni pe centimetru cub în spațiu, la 50 cm de dispozitiv, sau 15k ioni la un metru de dispozitiv. Este o concentrație mult mai mare decât  concentrația de ioni din munți și un nivel similar cu cel întâlnit la baza unei cascade.

Atât metoda de ionizare monopolară, cât și cea bipolară pot fi aplicate pentru a realiza a doua etapă a ionizării: emiterea ionilor în aer. Am folosit metoda de ionizare bipolară. În acest scop, gelul ionic este plasat în două părți separate ale unei capsule, formând catodul și anodul difuzorului ionic, cu câțiva centimetri de spațiu umplut cu aer între ele. Când capsula este umplută cu substanța ionică, polimerul reacționează cu aerul, formând un material poros, care absoarbe soluția ionică. Polimerul în sine este și el dielectric și nu interferează cu funcționarea substanței ionice lichide.

Aplicarea unei tensiuni de 14kV până la 20kV între anod și catod permite crearea unui arc electric stabil similar descărcării în gaze (glow discharge) între lamele cu materialul format din gel. Sub influența acestui arc electric, plasma se formează în interiorul gelului ionic și se emit ioni, trecând în a patra stare de agregare a materiei. Plasma ionică nu se acumulează la catod și nici la anod, ci este eliberată și difuzată în mediul extern.

Unul dintre avantajele-cheie ale soluției noastre este că nu emite ozon. Nivelul acestuia este sub pragul superior al reglementărilor de siguranță, după cum a fost confirmat de numeroase teste. Spre deosebire de generatoarele de ozon, lămpile cu raze ultraviolete sau cu cuarț, dispozitivele bazate pe soluția noastră pot fi utilizate în mod continuu în prezența oamenilor în case, birouri, unități de producție, mașini, taxiuri și mijloace de transport public (autobuze, trenuri, metrou).

Rezultate ale testelor care susțin conceptul

Pentru a efectua teste de laborator asupra unui virus ARN extrem de contagios, în cazul acesta, SARS-CoV-2, am apelat la un laborator independent microbiologic de nivel 3, care este certificat în mod corespunzător și posedă licențele, abilitățile și cunoștințele relevante pentru efectuarea unor astfel de teste. Pentru testarea corectă, este necesar să se crească artificial SARS-CoV-2 pe substraturi speciale, apoi să infecteze celule epiteliale plate, similare cu cele care acoperă bronhiile, cu acest virus, deoarece acestea sunt cel mai adesea expuse virusului COVID-19 ⁽⁶⁾. Pentru teste au fost utilizate celulele L929. A fost aplicată metoda Efectelor citopatologice (CPE), deoarece masa celulelor moarte este mult mai mică decât masa celulelor vii, ceea ce înseamnă că celulele moarte pot fi separate prin centrifugare. După aceea, s-au numărat celulele vii rămase pe placă. Trebuie remarcat faptul că, în conformitate cu reglementările de laborator, ionizarea plăcilor infectate cu COVID-19 s-a făcut o singură dată, la începutul experimentului și numai timp de 60 de minute.

Ziua 2. Fotografia de mai jos arată că numărul de celule neionizate încă în viață este semnificativ mai mic. Aceasta înseamnă că un număr mare dintre acestea au fost ucise de coronavirus.

Ziua 3. Leziunile celulelor vii de pe placa neionizată continuă să scadă. Noi celule vii continuă să apară pe placa tratată cu ioni: există o creștere semnificativă a celulelor vii.

Ziua a 4-a. În ambele fotografii, numărul de celule vii a scăzut semnificativ. Pe placa cu celule infectate care nu a fost tratată cu un ionizator, celulele sunt aproape complet afectate de virus. Numărul de celule vii de pe placa tratată cu ioni este mult mai mare. Presupunem că faptul că numărul celulelor vii de pe această placă a scăzut, de asemenea, se datorează faptului că placa a fost tratată cu ioni doar o singură dată, la început și numai timp de 60 de minute.

Testele arată că infecția celulelor netratate cu un ionizator are loc în progresie geometrică. După trei zile, mai mult de 50% din celule au fost infectate de virus. Pe plăcile tratate cu ionizatorul, doar 8% din celule sunt infectate de virus în a patra zi. Aceasta confirmă faptul că eficacitatea metodei noastre de combatere a SARS-CoV-2 este de cel puțin 92%.

De asemenea, am efectuat teste pentru a identifica efectul ionilor asupra celulelor vii sănătoase. Am tratat celulele cu ionizatorul timp de 120 de minute, iar testele arată că reproducerea lor s-a accelerat în comparație cu cele care nu au fost procesate cu ionizare. Acest lucru arată că metoda noastră de ionizare creează un mediu favorabil proliferării celulare. Celulele au devenit mai active. Prin urmare, am primit confirmarea că metoda noastră nu afectează negativ celulele vii și sănătoase.

Testele pe celulele Vero au dovedit, de asemenea, că tratamentul cu ionizare nu afectează viabilitatea celulei. Celulele Vero au fost cultivate cu un mediu nutritiv format din mediu Dulbecco, 10% ser fetal bovin (FBS), 10% streptomicină / penicilină, 10% L-glutamină și l-alanină și ulterior incubate la 5% CO2 și 37 °C. În ziua experimentelor, celulele au fost desprinse din vasul de cultură folosind Trypsin / EDTA (10 min la 37 °C) și colectate în 5 vase Petri (60x15mm) prin centrifugare (6 min / 1000 rpm / 25 °C) la densitate finală de 200.000 celule ml^-1. Patru plăci Petri au fost influențate de ionizare (a cincea placă Petri a fost folosită ca control). Toate plăcile Petri au fost apoi incubate la 37 °C cu 5% CO2 și observațiile zilnice au fost efectuate cu ajutorul unui microscop compus biologic inversat (SP-95-I) pentru a evalua rata de proliferare a celulelor pe baza ratei de proliferare a celule netratate (martor). Observațiile privind rata de proliferare a celulelor expuse la ionizare au fost observate pe parcursul a trei zile.

Concluzii

Metoda de ionizare în două etape a fost dezvoltată pentru a emite în aer diferiți compuși ionici. Tehnologia unică de creare a unei substanțe ionizate stabile sub formă de gel în structură poroasă permite aplicarea ionizării de joasă putere și de înaltă tensiune bipolară sau unipolară, pentru a emite 30-40 mii de ioni pe cantimetru cub pe distanța de 0,5 metri.

Rezultatele testelor efectuate au confirmat decelerarea răspândirii infecției virale, precum și o stimulare a creșterii celulelor umane sănătoase. Testele cu celule L929 epiteliale sănătoase, precum și testele pe celulele vero nu au arătat niciun efect negativ al ionizării.

Soluția poate fi foarte utilă pentru a crea un dispozitiv pentru a face față infecțiilor virale multiple cu ARN, inclusiv COVID-19, pentru prevenirea infecției virale sau terapie ionică a acesteia.

Dorim să mulțumim cercetătorilor științifici și inginerilor Grupului ASBIS. De asemenea, dorim să mulțumim în mod special soțiilor noastre pentru răbdare, evaluare critică și contribuție valoroasă.

Siarhei Kostevitch.      ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-5367-440X

Alexander Kornev, PhD

Noiembrie 2020 - Ianuarie 2021

Limassol, Cyprus