Imagine um mundo onde as pessoas viajam como desejam. Apertam as mãos quando se conhecem, abraçam-se quando cumprimentam amigos íntimos e parentes idosos. Eles não se incomodam em desinfetar laboriosamente suas superfícies de trabalho ou lavar as mãos depois de lidar com uma luminária.
Eles vão às compras como bem entendem e não faltam provisões. Eles trabalham em escritórios, laboratórios, lojas, restaurantes e canteiros de obras. Eles conduzem reuniões pessoalmente e não pensam nisso quando se dirigem para o destino de férias favorito. Eles fazem tudo isso porque uma vacina COVID-19 foi desenvolvida, implementada e administrada a toda a população, tornando todo o caos de 2020 uma memória distante. Tudo está de volta ao normal.
Este é o fim da pandemia de coronavírus que todos esperamos e, mais ou menos, alguns dos detalhes, não há razão para que isso não seja possível. Mas mesmo nesse cenário otimista, existe um profundo medo entre cientistas e formuladores de políticas: o que acontece na próxima vez? Pois, se há uma lição que o COVID-19 nos ensinou, é que nosso estilo de vida moderno é fatalmente inadequado para o surgimento de novos vírus – e sempre haverá novos vírus. Quaisquer medicamentos e vacinas que desenvolvemos para o COVID-19 serão ineficazes contra a próxima pandemia viral, que pode muito bem consistir em uma família diferente de vírus. De fato, a menos que algo em nossa abordagem às pandemias mude, a próxima implicará outro bloqueio psicológico e economicamente prejudicial enquanto os cientistas encontrarem uma cura – por mais tempo que isso leve.
No entanto, de acordo com um cientista, há algo que podemos fazer de maneira diferente da próxima vez. Charlie Ironside, da Curtin University, em Perth, na Austrália, não é virologista ou epidemiologista, mas físico – alguém que passou 30 anos se especializando em optoeletrônica de semicondutores. Sua solução: diodos emissores de luz ultravioleta remotos (LEDs UV remotos).
Uma faixa estreita de comprimentos de onda de UV distante parece ser segura para os seres humanos, enquanto é letal para vírus. A esterilização pode se tornar fácil, rotineira e eficaz
Para evitar qualquer mal-entendido, a luz UV é, no geral, incrivelmente perigosa, e as pessoas nunca devem procurar exposição a ela. No entanto, existem evidências emergentes de que uma faixa estreita de comprimentos de onda de UV distante é segura para os seres humanos, embora seja letal para vírus. Se os LEDs pudessem ser fabricados em massa com esse ponto ideal na emissão de UV, explica Ironside, eles poderiam ser integrados à iluminação cotidiana e à tecnologia do consumidor para controle de pandemia. A esterilização pode se tornar fácil, rotineira e eficaz, diz ele, prevenindo novas infecções e permitindo que muitos aspectos da vida cotidiana continuem. “Isso poderia achatar a curva de novas infecções sem muito distanciamento social”, acrescenta. Os bloqueios podem não ser necessários.
Ironside está se referindo à sua proposta como um “chamado às armas” para pesquisadores de LED e a indústria de semicondutores como um todo. Mas é realista?
Armamento antigo
Por mais de um século, a luz UV – que consiste em fótons de comprimento de onda de 200 a 400 nm – é conhecida por matar bactérias e vírus. Como resultado, já está em nosso arsenal contra o COVID-19 – ou mais precisamente o SARS-CoV-2, o novo coronavírus do qual emerge a atual doença respiratória grave. Os holofotes UV são instalados em hospitais para esterilizar o ar e as superfícies horizontais ou dentro de bandejas para esterilizar instrumentos médicos. As tochas UV portáteis esterilizam onde os holofotes não podem alcançar. Na China, os ônibus ficam estacionados à noite em depósitos iluminados por UV. Nos locais onde as instalações de UV ainda não estão instaladas, carrinhos robóticos com lâmpadas UV são enviados para as salas via controle remoto.
Embora eficaz, existem duas grandes desvantagens com essas tecnologias. A primeira é que a luz UV geralmente é emitida por tubos fluorescentes, grandes, frágeis e difíceis de manejar para todas as aplicações, exceto as especializadas. A segunda maior desvantagem é o efeito da radiação UV nos seres humanos.
Estamos todos familiarizados com as duas primeiras bandas de UV – UVA (315-400 nm) e UVB (280-315 nm) – pois esses são componentes da luz solar que filtram nossa atmosfera. Ambos causam queimaduras solares – mais UVB – e, nos piores casos, câncer de pele. Mas raramente encontramos UVC (200-280 nm), porque é absorvido pela camada de ozônio da Terra. O UVC não apenas causa queimaduras solares terríveis, como também é extremamente eficaz na destruição do DNA, tornando a exposição humana a ele altamente perigosa. Infelizmente, o comprimento de onda emitido pelos tubos fluorescentes UV é geralmente em torno de 250 nm – bem no meio da banda UVC. Por esse motivo, as lâmpadas germicidas UVC não podem ser operadas com ninguém em sua linha de tiro, fato que limita bastante a sua aplicação em tempos de pandemia; afinal, o risco de infecção é maior quando as pessoas vivem ou trabalham em locais próximos, como hospitais. Em abril, a Associação Internacional Ultravioleta e a RadTech North America – duas organizações educacionais e de defesa de direitos que consistem em fornecedores de equipamentos UV, cientistas, engenheiros, consultores e profissionais de saúde – emitiram uma declaração conjunta para lembrar ao público que não há meios seguros aceitos de expor o ser humano. corpo ao UV para matar vírus (veja a caixa de análise abaixo).
Mas nem todos os comprimentos de onda da UVC são tão prejudiciais quanto os outros, como mostrou um grupo de pesquisadores liderados pelo físico David Brenner, da Universidade de Columbia, em Nova York, EUA, em 2017. Sua pesquisa contou com uma lâmpada excimer – um tipo de tubo de luz contendo moléculas , ou excimers, que podem existir brevemente em um estado eletrônico excitado antes de retornar ao seu estado fundamental e, ao fazê-lo, emitem radiação UV em vários comprimentos de onda na banda UVC, dependendo das moléculas usadas. Ao expor camundongos a 222 nm, luz UVC distante de uma lâmpada excimer de criptônio-cloro, Brenner e colegas não encontraram evidências de danos à pele, apesar de descobrirem que a mesma luz era eficaz para matar a superbactéria MRSA (Radiat. Res. 187 493)
O resultado foi corroborado um ano depois por Kouji Narita, da Faculdade de Medicina da Universidade Hirosaki, no Japão, e colegas. Essa equipe também confirmou que a emissão do comprimento de onda de 254 nm de uma lâmpada germicida convencional induzia danos à pele semelhantes a queimaduras solares (PLOS One 13 e0201259). Nesse mesmo ano, Brenner e colegas descobriram que a luz de 222 nm também é capaz de destruir vírus transportados pelo ar. Em seu teste, com uma exposição de apenas 2 mJ / cm2, a radiação UVC distante inativou com segurança mais de 95% da influenza H1N1 no ar, o vírus por trás da pandemia de gripe suína de 2009 (Sci. Rep. 8 2752). Há até evidências de que a luz UVC distante é segura para os olhos: no ano passado, Sachiko Kaidzu, da Universidade Shimane, em Izumo, Japão, não encontrou danos nas córneas de ratos expostos à radiação eletromagnética de 222 nm (Free Radic. Res. 53 611 )
A razão para a falta de danos à pele devido à luz UVC distante, segundo Brenner, é simplesmente o nível de absorção em materiais biológicos (veja o quadro acima). Sendo um comprimento de onda mais curto que a outra luz UVC, os fótons UVC remotos mal conseguem penetrar na camada mais externa de células mortas da pele, que geralmente tem dezenas de mícrons de espessura. Por outro lado, ele ainda pode penetrar facilmente bactérias e vírus, que geralmente têm menos de 1 µm de espessura. Como Brenner disse em uma palestra do TED no final de 2017, “estou emocionado por termos agora uma arma completamente nova contra superbactérias” – e, mais tarde, ele observou vírus. (Brenner não respondeu aos pedidos do Physics World para uma entrevista.)
Os médicos suspeitavam, já no final do século XIX, de que havia uma ligação entre câncer de pele e exposição ao sol. No entanto, foi somente por volta de 1940 que os cientistas perceberam pela primeira vez que as mutações celulares estudadas no laboratório andavam de mãos dadas com os níveis de absorção ultravioleta (UV) pelo DNA e, portanto, era especificamente a radiação UV a observar. Muito mais tarde, eles descobriram, através de técnicas modernas de sequenciamento de DNA, que essas mesmas mutações estão presentes em tumores de pele reais, cimentando a ligação entre câncer e UV.
Mas como o UV danifica o DNA em primeiro lugar? O DNA é composto de quatro bases contendo nitrogênio, uma das quais é a timina. Quando uma molécula de timina absorve um fóton UV, um de seus elétrons é promovido a um orbital não preenchido, tornando a molécula muito reativa. Nesse caso, ele pode se ligar a outra molécula de timina, formando um dímero. Uma proteína especial é capaz de reparar esse dano – desde que não seja muito extensa. Se for extensa, na maioria das vezes a célula que contém o DNA simplesmente morre e você sofre queimaduras solares; mas às vezes o DNA danificado faz com que a célula se torne cancerosa, cresça e se divida incontrolavelmente. Esta é a base de um tumor.
Para ser absorvida pelos elétrons na timina, no entanto, a radiação UV precisa atingir o DNA, e alguns comprimentos de onda da radiação UV têm mais chances do que outros. Isso ocorre porque a camada externa de 5 a 20 µm de espessura da pele “morta”, conhecida como estrato córneo, contém apenas proteínas – sem núcleos contendo DNA. Os espectros de absorção de proteínas são bem conhecidos. Abaixo de um comprimento de onda de 250 nm, sua absorção da luz UV aumenta rapidamente: são necessários cerca de 3 µm de tecido biológico para reduzir a intensidade da radiação UV de 250 nm pela metade, mas apenas 0,3 µm para a mesma atenuação de UVC distante de 200 nm. Segundo David Brenner, da Columbia University, e colegas, o UVC distante é “drasticamente” atenuado antes de atingir o núcleo de uma célula viva, potencialmente tornando-o seguro para a exposição humana.
Grande impacto
O trabalho de Brenner ganhou muita atenção, com artigos sobre ele aparecendo em Time, Newsweek, Wall Street Journal e CBS News, entre outros veículos. É fácil ver por que a luz UVC distante pode melhorar radicalmente nossa capacidade de lidar com vírus, incluindo aqueles para os quais não temos cura. Se as lâmpadas excimer de 222 nm pudessem ser instaladas em ou ao lado de luminárias existentes, elas poderiam operar mais ou menos continuamente em espaços públicos, como hospitais, escolas, estações de trem e ônibus e aeroportos – assim como nos próprios trens, ônibus e aviões – sem qualquer risco de prejudicar as pessoas. Vírus como o SARS-CoV-2 se espalham no ar: se esse ar é irradiado, os vírus acham muito mais difícil encontrar novos hospedeiros. Mesmo sem distanciamento social, as pessoas poderiam minimizar infecções.
Mas tudo isso será possível apenas se a segurança da UV de 222 nm for comprovada sem dúvida. Peter Setlow, biólogo molecular da UConn Health em Farmington, Connecticut, EUA, está entre aqueles que gostariam de ver estudos de longo prazo sobre o efeito do UVC distante na pele, uma vez que os estudos realizados até agora se basearam em estudos únicos. doses ou exposições em apenas algumas horas. “A questão é exatamente quanto UV de 222 nm penetra nas células mortas da pele para chegar àquelas que estão vivas e trabalhando?” ele diz. “Parece que a resposta é certamente ‘não muito’, mas ‘muito’ não é um termo absoluto. Para fazer avaliações de risco, você provavelmente precisaria realizar testes experimentais em animais por mais tempo e também estabelecer, por exemplo, se as roupas de hospital oferecem alguma proteção contra essa luz UV.”
Ironside concorda que a segurança do UVC distante para humanos precisa ser comprovada de forma abrangente antes que possa ser usada rotineiramente. Mas se sua segurança puder ser mostrada (e a Ironside assumir que sim), ainda haverá o problema de que as lâmpadas excimer não são pesadas, tornando-as adequadas apenas para acessórios fixos. Eles também são uma tecnologia legada.
Isso ocorre porque na última década, gradualmente, vimos a iluminação incandescente e fluorescente substituída por aquela com base em LEDs, que são mais baratos, mais eficientes, mais ajustáveis, mais seguros (porque são de menor voltagem) e mais duradouros. Essa revolução de estado sólido foi provocada em grande parte graças a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura, que no início dos anos 90 desenvolveram os primeiros LEDs azuis, pelos quais foram posteriormente premiados com o Prêmio Nobel de Física de 2014. A saída dos LEDs azuis pode ser facilmente convertida em branco adicionando uma camada fosforescente, tornando-os convenientes para todos os tipos de aplicações de iluminação, incluindo as luzes de fundo dos monitores de tela plana.
É por isso que a Ironside vê os LEDs como a fonte mais conveniente de UVC distante. “Se produzíssemos um LED UVC distante, comprovadamente seguro [para seres humanos], acho que faria uma grande diferença”, diz ele. “Tudo o que você precisa fazer é imaginar como seria se houvesse um dispositivo de controle de infecção disponível em todos os celulares agora – o dispositivo poderia ser usado para esterilizar superfícies e mãos”.
“Sempre haverá um período após a evolução de um novo patógeno e antes que uma vacina esteja disponível, quando a primeira linha de defesa for o controle de infecções”, continua ele. “Um LED de luz UVC distante será um componente importante … Também pode revolucionar o equipamento de proteção individual para os profissionais de saúde.”
Em princípio, não há razão para que os LEDs não possam ser fabricados para emitir quase qualquer comprimento de onda, ajustando as ligas dos semicondutores usados
Em princípio, não há razão para que os LEDs não possam ser fabricados para emitir quase qualquer comprimento de onda, ajustando as ligas dos semicondutores utilizados. O nitreto de gálio (GaN), por exemplo, que forma a base da maioria dos LEDs comerciais, possui um gap de cerca de 3,4 eV, correspondendo a uma emissão violeta visível do comprimento de onda 360 nm. O intervalo de banda do nitreto de alumínio (AlN), entretanto, é de cerca de 6,4 eV, correspondendo a uma emissão natural muito profunda no UVC, a 210 nm. Como resultado, os LEDs Al-GaN emitem luz em comprimentos de onda em algum lugar no meio, dependendo aproximadamente da proporção de alumínio para gálio.
Os LEDs Far-UVC baseados nessas ligas já foram demonstrados em laboratório. Desde 2007, por exemplo, Hideki Hirayama, no instituto de pesquisa Riken em Saitama, Japão, e colegas criaram LEDs Al-GaN com comprimentos de onda de emissão de até 222 nm (Electr. Commun. Jpn 10.1002 / ecj.11667). Enquanto isso, com uma emissão a 210 nm, o LED UVC de menor comprimento de onda foi demonstrado em 2006 por Yoshitaka Taniyasu e colegas dos Laboratórios de Pesquisa Básica da NTT em Atsugi, Japão, com base em puro AlN (Nature 441 325).
Infelizmente, esses dispositivos de laboratório têm uma eficiência de apenas alguns por cento – bem abaixo dos 20-40% necessários para uso prático – o que significa que nenhum deles já foi comercializado. Apesar de os LEDs estarem disponíveis em comprimentos de onda cada vez mais curtos – com a Nitride Semiconductors no Japão oferecendo um a 275 nm – os LEDs UV mais disponíveis comercialmente emitem em comprimentos de onda UVA de cerca de 350 nm, onde encontram aplicações na cura de adesivos e impressão a jato de tinta .
Fora da escuridão
Rob Harper, gerente de programa GaN no Compound Semiconductor Center (CSC) – uma joint venture entre o fabricante de wafer de semicondutores IQE e a Cardiff University no Reino Unido – explica que um dos problemas na fabricação confiável de LEDs UVC remotos eficientes é a dopagem de Al Semicondutores GaN com metais como o índio para torná-los levemente positivos ou do tipo “p”. Quando os dopantes são adicionados, eles tendem a vazar para a região emissora de luz do LED, sufocando a emissão de luz, diz ele. E quando cultivado através da técnica de epitaxia padrão da indústria de deposição de vapor químico em metal orgânico, o alto teor de alumínio em si degrada a estrutura cristalina. “Temperaturas de crescimento epitaxial acima do normal [podem ser usadas para] aliviar isso, mas resultam em maior incorporação de impurezas não intencionais na região ativa”, diz ele. “[Eles] também extinguem a geração de luz e resultam em uma eficiência muito baixa.” Outra potencial liga de UVC distante, óxido de magnésio e zinco (Mg-ZnO), sofre problemas semelhantes, acrescenta ele.
Ainda assim, Harper entende por que o desafio é tão importante. “O atual surto de COVID-19 ilustrou dolorosamente a necessidade de novas abordagens para técnicas de desinfecção de grande área e econômicas, rapidamente implantadas, como irradiação por UVC”, diz ele. “Qualquer abordagem de pesquisa que mostre potencial para realizar novas técnicas práticas de dopagem merece investigação.”
Harper não revelou se a CSC planeja trabalhar em LEDs UVC remotos. No entanto, um pesquisador que respondeu à chamada de armas de Ironside é Tony Kelly, um ex-colega e pesquisador “comercial que se tornou acadêmico” em optoeletrônica aplicada na Universidade de Glasgow, no Reino Unido. Dois dias depois de ter sido contatado pela Physics World sobre o assunto, ele já havia investigado possíveis vias de financiamento e estava no processo de procurar colaboradores para um projeto de pesquisa de LED longe do UVC. “Muitas vezes, Charlie está certo sobre as coisas, e acho que ele está certo sobre isso”, diz ele.
Como Harper, Kelly pode prever problemas na fabricação de dispositivos eficientes. A mudança para essa emissão de onde os LEDs UV estão atualmente, ele diz, “poderia ser muito mais difícil do que parece”. Ainda assim, ele tem motivos para ser positivo. Muitas agências de financiamento estão buscando projetos com urgência, cujos resultados possam mitigar os efeitos da pandemia do COVID-19, e ele espera que eles sejam acelerados. A Pesquisa e Inovação do Reino Unido, por exemplo, atualmente possui um convite à apresentação de propostas de qualquer escala financeira relacionada ao COVID-19 que poderia entregar resultados em 18 meses. “Como tudo, o impacto potencial é impulsionado pelos assuntos atuais”, diz Kelly. Ele brinca que, ironicamente, o maior atraso poderia ser voltar ao laboratório para criar protótipos. Como quase todas as outras instituições acadêmicas, a Universidade de Glasgow está atualmente [no início de maio] fechada para todos, exceto funcionários e pesquisadores essenciais. Aqueles que conduzem ciências relevantes para o COVID-19 se enquadram nessa categoria; no entanto, os aspectos práticos de administrar uma sala limpa, introduzir medidas de distanciamento social e decidir quem deve ser permitido nela são questões que Kelly terá que resolver com os administradores de sua universidade.
Embora o investimento em ferramentas de fabricação e linhas de produção para novos dispositivos semicondutores possa ser preocupante, muitas vezes chegando a bilhões, Kelly acha que essa escala de investimento pode não ser necessária para os LEDs Al-GaN, já que o GaN já é um material comercial estabelecido. Em vez disso, será uma questão de adaptar as fábricas que já existem. “Se encontrarmos um design que funcione em um ano, poderíamos começar a angariar fundos para continuar com as coisas”, diz Kelly.
Enquanto isso, o próprio Ironside não está se esquivando do desafio. Embora a maior parte de sua pesquisa até o momento tenha focado em LEDs de infravermelho próximo ou médio, ele espera obter financiamento conjunto com um parceiro industrial para explorar o potencial de UVC distante dos LEDs Mg-ZnO. Ele acredita que o sucesso será devido à física inovadora combinada à experiência em fabricação.
Naturalmente, esse sucesso não é garantido. Mas com governos de todo o mundo gastando bilhões para manter suas economias à tona, o incentivo para encontrar maneiras de evitar o caos futuro é tão comercial quanto humanitário, e Ironside deseja que o máximo possível de seus colegas pesquisadores se envolva. “Assim que soube do trabalho de Brenner no distante UVC, pensei que era uma ideia que realmente valeria a pena perseguir”, diz ele. “Acho que a comunidade deve estar ciente disso.”
Análise: Apesar da má imprensa ligada a Donald Trump, a luz UV pode combater pandemias futuras
Por Matin Durrani, editor-chefe, Physics World
Muitos dos apoiadores de Donald Trump – e certamente todos os seus detratores – concordariam que ele disse e twittou algumas coisas bastante bizarras e controversas durante seu tempo como presidente dos EUA. Mas mesmo para seus padrões, as declarações de Trump em uma conferência de imprensa no final de abril estavam fora de escala. Falando a repórteres na Casa Branca, o 45º presidente dos EUA refletiu sobre se a luz ultravioleta (UV) poderia combater a propagação do vírus por trás da pandemia do COVID-19.
“Supondo que atingimos o corpo com uma tremenda … ultravioleta ou apenas uma luz muito poderosa. E então supondo que você trouxe a luz para dentro do corpo, através da pele ou de alguma outra maneira. Soa interessante. Todo o conceito da luz, a maneira como mata o vírus … é muito poderoso.” Infelizmente, enquanto o UV pode matar vírus, certas frequências são incrivelmente perigosas para os seres humanos. Para piorar a situação, Trump perguntou em voz alta se o COVID-19 poderia ser tratado injetando desinfetante no corpo.
Trump não é cientista, apesar de ter dito uma vez ao Boston Globe que compartilhava a mesma “genética muito boa” que seu tio John Trump, que era físico no Instituto de Tecnologia de Massachusetts por quase cinco décadas. De fato, os comentários do presidente forçaram duas organizações comerciais de UV dos EUA a divulgar uma declaração conjunta para lembrar ao público que não há meios seguros aceitos de expor o corpo humano ao UV para matar vírus. O fabricante da Dettol, Reckitt Benckiser, também teve que reiterar que “sob nenhuma circunstância nossos produtos desinfetantes devem ser administrados ao corpo humano”.
Há muito se sabe que o UV mata vírus danificando seu DNA – na verdade, a luz UV de tubos fluorescentes já é usada em hospitais para esterilizar equipamentos e superfícies. O problema é que acredita-se que a luz desses tubos – 250 nm, bem no meio da banda UVC – danifique o DNA celular e às vezes desencadeie o câncer. Portanto, as pessoas não são permitidas em qualquer lugar perto de lâmpadas germicidas UVC sem proteção adequada.
No entanto, houve pesquisas recentes (veja acima) sugerindo que uma pequena faixa de luz ultravioleta (aproximadamente 220 nm) pode danificar vírus e ainda assim ser segura para os seres humanos. Isso aumenta a perspectiva de o uso de UV distante para matar vírus em hospitais, trens, lojas e outros lugares, mesmo onde as pessoas estão presentes. Há um longo caminho a percorrer antes que essa noção se torne realidade. Além de corroborar completamente que o UV distante é seguro, também precisamos de uma maneira mais simples de criar essa luz do que as grandes e difíceis “lâmpadas de excimer” usadas atualmente.
É por isso que alguns físicos estão pedindo pesquisas sobre LEDs UV muito distantes, que seriam muito menores e poderiam transformar o celular de todos em um imbecil de vírus. Seria uma pena que as divagações de Trump sobre UV acabassem desacreditando uma avenida potencialmente promissora de pesquisa baseada em física que poderia nos ajudar a evitar outra pandemia.
Publicado em 04/08/2020 06h32
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