Diese UV-Geräte könnten die Raumluft frei von Viren halten

Geräte, die kürzeres UV-Licht verwenden, könnten die Raumluft frei von Viren halten, ohne die menschliche Gesundheit zu schädigen

Die Bostoner Pianobar, in der Edward Nardell Kabarettlieder singt, wäre normalerweise ein idealer Ort für die Ausbreitung von durch die Luft übertragenen Krankheiten. Aber Nardell und sein Publikum sind vor der COVID-19-Pandemie durch die fernultravioletten (UV-)Lichter geschützt, die er so installiert hat, dass sie von der Decke herabstrahlen.

Far UV ist eine neue Form der keimtötenden UV-Bestrahlung (GUV), eine etablierte Desinfektionstechnologie und eine wachsende Ressource im Kampf gegen das Virus SARS-CoV-2 und andere Krankheitserreger, die sich in geschlossenen Räumen leicht über die Luft verbreiten können.

Die Sicherheit der Innenraumluft beginnt mit der Belüftung, kann dort aber normalerweise nicht enden, sagt Nardell, ein Arzt und Forscher für Luftinfektionen an der Harvard TH Chan School of Public Health in Boston, Massachusetts. Lüftungssysteme, die die Luft in einem Raum ersetzen, seien selten stark genug, um vollständig vor Coronaviren und anderen leicht übertragbaren Krankheiten zu schützen, erklärt er.

Systeme, die aktiv versuchen, die Luft in Räumen zu reinigen, beispielsweise solche, die hocheffiziente Partikelluftfilter (HEPA) verwenden, entfernen schädliche Partikel effektiver. Sie sind jedoch teuer in der Installation und im Betrieb, oft laut und haben eine begrenzte Reichweite – möglicherweise sind mehrere Geräte erforderlich, um einen Raum abzudecken. „Hier kommt die Lufthygiene mit UV-Strahlung ins Spiel“, sagt Donald Milton, Umweltgesundheitsforscher an der University of Maryland School of Public Health in College Park.

Mit GUV-Licht „kann man bei relativ geringer Luftbewegung sehr hohe Luftdesinfektionsraten erzielen“, sagt Milton. „Und mit der neuesten Technologie müssen Sie sich vielleicht nicht einmal um Luftbewegungen kümmern, denn jetzt gibt es Wellenlängen, die sicherer zu verwenden sind, und Sie können GUV im gesamten Raum verwenden.“ In überfüllten Räumen wie Schulen, Krankenhäusern und Restaurants, in denen sich Krankheiten leicht ausbreiten können, kann GUV unbemerkt wirken, „noch bevor man merkt, dass man ein Problem hat“, sagt Milton. „Das ist wirklich entscheidend, um diese Dinge unter Kontrolle zu halten.“

Herkömmliche GUV-Systeme verwenden Quecksilberdampflampen, die Licht erzeugen, indem sie einen elektrischen Strom durch verdampftes Quecksilber leiten, und ähneln herkömmlichen Leuchtstofflampen. Die Lampen emittieren Strahlung im UVC-Band mit einer Wellenlänge von etwa 254 Nanometern. UVC-Strahlung wird von der Atmosphäre gefiltert, daher ist das Leben auf der Erde nicht darauf ausgelegt, ihr standzuhalten. Die Strahlung verursacht photochemische Schäden, die Nukleinsäuren zerstören – wodurch pathogene Viren und Bakterien inaktiviert, aber nicht unbedingt abgetötet werden.

Die Lampen werden häufig zur Desinfektion von Wasser, zur Reinigung von Obst und Gemüse sowie zur Desinfektion von Oberflächen in Räumen wie Operationssälen eingesetzt. Da diese Wellenlänge jedoch Augen und Haut des Menschen schädigen kann, wird das Licht dieser Systeme vom Menschen ferngehalten. Das bedeutet jedoch nicht, dass es nicht im öffentlichen Raum eingesetzt werden kann. Bei einem vor Jahrzehnten entwickelten cleveren Ansatz namens Upper-Room-GUV werden die Lampen hoch oben im Raum platziert und aufsteigende Luftströme genutzt, um Krankheitserreger weit entfernt von Menschen zu inaktivieren.

Die Technik funktioniert gut, sagt William Bahnfleth, ein Architekturingenieur an der Pennsylvania State University in University Park, der sich auf die Luftqualität in Innenräumen konzentriert. In einem Raum steigt die Luft von Personen, Geräten und vorhandener Belüftung auf, strömt durch die Strahlungszone der Lampen und zirkuliert dann wieder nach unten in den Aufenthaltsraum.

Obwohl es keine allgemein anerkannten und durchgesetzten Standards für die Luftqualität in Innenräumen gibt, werden Ziele typischerweise dadurch ausgedrückt, wie oft die Luftmenge in einem Raum pro Stunde ausgetauscht wird. Die Empfehlung für Untersuchungsräume in US-Krankenhäusern liegt beispielsweise bei sechs Luftwechseln pro Stunde. Das sei für Lüftungssysteme eine Herausforderung und brauche typischerweise viel Energie, sagt Bahnfleth. Ein GUV-System im oberen Raum hingegen kann leicht das Äquivalent des Zwei- bis Dreifachen des Luftaustauschs zu Desinfektionszwecken erreichen und dabei viel weniger Energie verbrauchen als ein Lüftungssystem. „Das ist für nichts anderes als ein Krankenhaus oder eine spezielle Einrichtung fast unmöglich.“ sechs Luftwechsel“, sagt Nardell. „GUV ist die einzige Methode, die eine so unglaublich hohe Anzahl gleichwertiger Luftwechsel ermöglicht, weil man so ein großes Luftvolumen auf einmal desinfizieren kann.“

In einer unveröffentlichten Studie, in der verschiedene Kombinationen aus Belüftung, Filterung, UV-Strahlung und dem Tragen von Masken in verschiedenen Gebäuden, darunter Büros, Hotels und Schulen, zum Einsatz kamen, „war UV die einzige Technologie, die die Risiken routinemäßig auf ein einigermaßen akzeptables Niveau senkte“, heißt es Shelly Miller, Maschinenbauingenieurin und Spezialistin für Raumluftqualität an der University of Colorado Boulder. „Für mich bedeutet das, dass UV ein unglaublich leistungsstarkes Luftreinigungswerkzeug ist, auf das wir gerade den Ball fallen lassen.“

GUV in Oberräumen wurde nach Studien1 in den späten 1930er und 1940er Jahren unter der Leitung von William Wells, einem Biologen, der damals an der University of Pennsylvania in Philadelphia arbeitete, in Schulen und Krankenhäusern weit verbreitet. Wells und seine Kollegen zeigten, dass GUV im Obergeschoss die Ausbreitung von Masern in Schulen in einem Vorort von Philadelphia drastisch reduzierte. Obwohl auf vielen Tuberkulosestationen immer noch GUV im Oberraum eingesetzt wird, ist sein Einsatz mit dem Aufkommen wirksamerer Interventionen wie Impfstoffen zurückgegangen.

Auch wenn das herkömmliche UVC-Licht von GUV in oberen Räumen wirksam ist, wird es durch die Anforderung, es von Menschen fernzuhalten, grundsätzlich eingeschränkt. Die Luft wird nur dann gereinigt, wenn sie zur Oberseite des Raums zirkuliert und am GUV-Licht vorbeiströmt, wodurch Krankheitserregern die Möglichkeit bleibt, auf einen neuen Wirt zu springen. Kürzere Wellenlängen könnten helfen, diese Einschränkung zu überwinden.

Das liegt daran, dass Wellenlängen unter 254 nm das Gewebe nicht annähernd so gut durchdringen, sagt David Brenner, ein auf radiologische Forschung spezialisierter Physiker an der Columbia University in New York City. Fernes UV-Licht mit einer Wellenlänge von 222 nm dringt nicht über die Schicht abgestorbener Zellen auf der Hautoberfläche oder den Tränenfilm auf der Augenoberfläche hinaus. Da Bakterien und Viren viel kleiner sind als diese Schichten, kamen Brenner und seine Kollegen zu dem Schluss, dass Fern-UV-Strahlung die Krankheitserreger zerstören könnte, ohne Haut und Augen zu schädigen. Die Wissenschaftler überprüften ihre Hypothese mit Lampen, die Kryptonchloridgas enthielten, dessen Moleküle bei elektrischer Anregung UVC-Strahlung hauptsächlich im 222-nm-Bereich freisetzen.

Das Columbia-Team hatte ursprünglich das Ziel, die Desinfektion in Operationssälen zu verbessern, und erkannte, dass Fern-UV-Strahlung auch die Übertragung von Viren in der Luft verringern könnte. In einer Studie aus dem Jahr 2018 zeigten die Forscher, dass mehr als 95 % der Influenzaviren in der Luft inaktiviert wurden, wenn sie an einer Fern-UV-Lampe mit geringer Leistung vorbeischwebten2. Brenners Gruppe hatte bereits gezeigt, dass Zellen in einem 3D-Modell der menschlichen Haut und bei Mäusen von solch niedrigen Dosen grundsätzlich nicht betroffen waren3, und andere Forscher fanden keine Hinweise auf Augenschäden durch 222-nm-Strahlung bei Ratten4.

Als COVID-19 ausbrach, führten die Columbia-Wissenschaftler analoge Experimente mit SARS-CoV-2-ähnlichen Coronavirus-Stämmen durch, wiederum mit guten Ergebnissen5. Um ihre Tests zu erweitern, arbeiteten die Forscher dann mit Wissenschaftlern im Vereinigten Königreich zusammen, darunter einer Gruppe an der Universität Leeds, die Zugang zu einer raumgroßen Testkammer hatte, die zur Aufnahme von Krankheitserregern ausgelegt war.

Bei den raumgroßen Experimenten wurden in der Luft schwebende Staphylococcus aureus-Bakterien verwendet. Dieser Mikroorganismus ist relativ einfach zu analysieren und dürfte robuster gegen UV-Strahlung sein als Coronaviren, sagt Ewan Eadie, Medizinphysiker an der University of Dundee, Großbritannien, und Hauptautor einer Arbeit6, in der die Ergebnisse des Teams dargelegt werden. „Wir hatten wirklich keine Ahnung, was am Ende herauskommen würde“, sagt er.

Die Ergebnisse waren ausgezeichnet. „Wir haben eine wirklich schnelle Reduzierung der Krankheitserreger im Raum erreicht“, sagt Brenner. „Unsere äquivalenten Luftwechsel pro Stunde waren wirklich groß, weit über 100 äquivalente Wechsel pro Stunde.“

Zur Sicherheit berichteten Brenner und Kollegen im Mai, dass sie haarlose Mäuse 66 Wochen lang der Strahlung ausgesetzt hatten, ohne dass Hautkrebs festgestellt wurde7. Ihre bevorstehende Forschung wird sich auf das Risiko für die Augen konzentrieren und die Mechanismen weiter untersuchen, wie 222-nm-Strahlung Krankheitserreger schädigt.

Trotz der vielversprechenden Labortests zur Fern-UV-Desinfektion gibt es Fragen, wie gut sich die Technologie auf stark frequentierte öffentliche Innenräume wie Krankenhäuser, Schulen und Restaurants übertragen lässt. „In den Labors herrschen ziemlich sterile, saubere Bedingungen“, sagt Eadie. „Ich würde gerne einige reale Daten sehen.“

Eine reale klinische Studie, die bereits in Nova Scotia, Kanada, läuft, untersucht den Einsatz von Fern-UV-Licht in Pflegeheimen, wo es schwierig ist, die Ausbreitung von durch die Luft übertragenen Krankheiten zu verhindern. Die kontrollierte Studie wird die Inzidenz von COVID-19 und anderen Virusinfektionen der Atemwege bei 200 Bewohnern verfolgen, von denen die Hälfte Gemeinschaftsbereiche nutzen wird, die mit Fern-UV-Lampen ausgestattet sind. Die andere Hälfte wird Placebo-Lichter haben, die im Aussehen identisch sind, denen aber die Fern-UV-Leistung fehlt. Der Versuch begann im Oktober 2021 und die Ergebnisse werden Anfang 2023 erwartet.

Nardell hat unterdessen damit begonnen, eine Forschungseinrichtung für luftübertragene Infektionen in Emalahleni, Südafrika, zur Untersuchung von COVID-19 zu nutzen. Ursprünglich für die Analyse von Tuberkulose-Infektionen konzipiert, verfügt die Einrichtung über eine Station mit drei Betten, deren Luft in Expositionsräume geleitet wird, in denen Tiere untergebracht sind, die leicht an der untersuchten Krankheit erkranken – in diesem Fall Hamster. „Hamster sind das Versuchstier der Wahl für COVID“, sagt Nardell. Die Einrichtung wird die Wirksamkeit der Fern-UV-Strahlung im Vergleich zu GUV-Systemen in oberen Räumen testen, indem die Hamster auf Krankheitszeichen überwacht werden.

Aber Unternehmen warten nicht auf von Experten begutachtete Forschungsergebnisse. Fern-UV-Lampen sind bereits auf dem Markt und werden weltweit installiert – nicht nur in Gebäuden, sondern auch in Bussen und an anderen Infektionsherden. Einige Geräte werden sogar für den Heimgebrauch vermarktet, obwohl Brenner die Verbraucher zur Vorsicht mahnt – ein Gerät, das die falschen Wellenlängen liefert, kann Schaden anrichten.

Obwohl die Kosten für die Leuchten stark schwanken, sagt Nardell, dass 2.000 US-Dollar ein normaler Verkaufspreis für eine von Spezialisten installierte Lampe sind und die Lampen bei Dauerbetrieb eine erwartete Lebensdauer von etwa 15 Monaten haben. Es besteht die Hoffnung, dass auf Leuchtdioden (LEDs) basierende Fern-UV-Lampen letztendlich günstigere und langlebigere Alternativen zu den derzeit verwendeten Gaslampen darstellen werden, doch Prototypen von LED-Fern-UV-Lampen sind derzeit auf unpraktisch niedrige Leistungsniveaus beschränkt. sagt Eadie.

Nardell sagt, dass in der Pianobar, in der er auftritt, die Fern-UV-Lampen inzwischen für einen Luftwechsel von 35 Luftwechseln pro Stunde sorgen, was sie wahrscheinlich zu einem der sichersten Veranstaltungsorte zum Singen auf dem Planeten macht. Als er Brenner und seine Kollegen in die Bar einlud, genossen sie einen Kabarettabend ohne Masken und hofften, dass sie durch das unsichtbare Licht, das auf sie schien, beschützt würden. „Ich war ziemlich nervös und habe in der nächsten Woche viele, viele COVID-Tests gemacht, aber mir ging es gut“, sagt Brenner.

Dieser Artikel ist Teil von Nature Outlook: Pandemic Preparedness, einer redaktionell unabhängigen Beilage, die mit finanzieller Unterstützung Dritter erstellt wurde. Über diesen Inhalt.

Reed, NG, Vertreter für öffentliche Gesundheit.125, 15–27 (2010).

Welch, D. et al. Wissenschaft. Rep.8, 2752 (2018).

Buonanno, M. et al. Strahlen. Res.187, 493–501 (2017).

Kaidzu, S. et al. Freies Radikal. Res.53, 611–617 (2019).

Buonanno, M., Welch, D., Shuryak, I. & Brenner, DJ Sci. Rep.10, 10285 (2020).

Eadie, E. et al. Wissen Rep.12, 4373 (2022).

Welch, D. et al. Photochem. Photobiol. https://doi.org/10.1111/php.13656 (2022).

Eric Bender ist freiberuflicher Wissenschaftsjournalist in Newton, Massachusetts, und arbeitet derzeit an einem Buch über Boston Harbor. Folgen Sie Eric Bender auf Twitter

Steven Dashiell | Meinung

Shi En Kim

Chelsea Harvey und E&E News

Meghan Bartels

Charles Seife | Meinung

Alex Lipton und Alex Pentland | Meinung