В борьбе с вирусами: древесина
Биосфера планеты Земля полнится самыми разнообразными организмами, связь между которыми обусловлена эволюционным взаимодействием и небезызвестной пищевой цепочкой. Те или иные экосистемы по своей сложности и хрупкости порой напоминают механические часы, и если какой-то вид вдруг исчезнет, то механизм перестанет работать. Однако у человека к определенным соседям по планете весьма предвзятое отношение, хотя и не лишенное более чем веского обоснования. К таким «не любимчикам» относятся, естественно, вредоносные бактерии, грибки и вирусы, которые могут вызывать целый ряд заболеваний, далеко не все из которых поддаются лечению. В ходе изучения вирусов ученые часто обращают внимание на его выживаемость вне носителя, ибо это имеет прямое отношение к его способности быстро и эффективно инфицировать новых жертв. Насколько долго вирус может прожить на какой-либо поверхности зависит и от факторов окружающей среды, и от физико-химических свойств поверхностей. Ученые из Американского химического общества (Вашингтон, США) провели исследование, в ходе которого подтвердили, что древесина обладает не только антибактериальными свойствами, о чем было известно и ранее, но и антивирусными свойствами, которые варьируются в зависимости от вида дерева. Какие опыты проводили ученые, что они показали, и как данное исследование может помочь в борьбе с быстро распространяющимися вирусами. Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Еще с незапамятных времен древесина была одним, если не самым, распространенным материалом для изготовления инструментов, бытовых предметов, строительных материалов и т. д. Это объясняется простотой добычи и обработки данного материала, а также его полезными свойствами. С развитием технологий и ростом населения планеты внимание с древесины переключилось на пластик, который является на данный момент более дешевым, простым в производстве и универсальным материалом, применяемым практически в любой сфере деятельности человека, от кухонных принадлежностей до лабораторного оборудования на МКС.
В последние годы, учитывая более серьезное отношение к экологической ситуации, пластик стал, хоть и пока незаменимым, но уже не столь «любимым» материалом, а потому древесина вновь стала набирать популярность. Естественно, полностью отказаться от пластика и вернуться к использованию древесины, как в «старые добрые времена», может и звучит заманчиво для некоторых эко-активистов, но эта идея не менее вредна для экологии. Однако это уже отдельная тема разговора.
События прошлых лет, связанные со здоровьем населения, а именно пандемия COVID-19, стала толчком к более серьезному изучения вирусологии. Механизмы передачи таких вирусов включают не только прямой контакт от человека к человеку, но и взаимодействие с зараженными поверхностями. Вирусы не размножаются за пределами клеток-хозяев, однако они способны сохраняться в течение длительного периода времени на различных поверхностях в виде фомитов*.
Фомиты* — любые предметы, контаминированные патогенными микроорганизмами или другими паразитами, при соприкосновении с которыми возникает риск заражения. Типичными фомитами являются одежда, поверхность кожи, волосы, а также постельные принадлежности в медицинских учреждениях.
В то время как вирусы с оболочкой, такие как коронавирусы, демонстрируют довольно непродолжительную устойчивость на поверхности — до 5 дней, вирусы без оболочки защищены прочными белковыми капсидами*, а потому могут сохраняться неделями, часто сопротивляясь стандартным методам дезинфекции. Хотя дезинфицирующие средства остаются основной стратегией нейтрализации поверхностных патогенов, их эффективность ограничена, а их постоянное использование приводит к ухудшению состояния окружающей среды, здоровья человека и свойств материалов.
Капсид* — внутренняя оболочка вируса, состоящая из белков.
Учитывая вышесказанное, ученые начали активно изучать материалы, которые могут быть потенциально противовирусными и оказывать положительное влияние на снижение циркулирующей вирусной нагрузки.
История продемонстрировала присущие древесине антимикробные свойства, о чем свидетельствуют традиционные методы, такие как использование деревянных досок при производстве сыра и вина. Считается, что основные антимикробные механизмы возникают из гигроскопической природы древесины, которая способствует быстрому высыханию, и антимикробных соединений, которые содержатся в ее структуре. Однако взаимодействие различных факторов, таких как тип древесины, состояние поверхности и условия окружающей среды, требует более комплексных исследований.
Хотя антибактериальные и противогрибковые свойства древесины были задокументированы в разных культурах и в разные периоды времени, исследование ее противовирусного потенциала до последних лет оставалось относительно неисследованным. Кроме того, не было всесторонне проверено влияние факторов окружающей среды, таких как температура и относительная влажность или изменение свойств поверхности древесины, на устойчивость вирусов.
Данное исследование нацелено на восполнение этого пробела в знаниях путем исследования противовирусных свойств деревянных поверхностей, уделяя особое внимание вирусам как с оболочкой, так и без нее.
Результаты исследования
Изображение №1
Ученые использовали анализ CPE (от cytopathic effect inhibition, т. е. анализ ингибирования цитопатического эффекта) для определения устойчивости HCoV-OC43 на различных породах древесины (результаты на графиках выше). Исследуемые породы древесины включали сосну обыкновенную, березу серебристую, ольху серую, эвкалипт, дуб черешчатый и ель обыкновенную. Ученые исследовали как более короткое (1–15 минут), так и более длительное (1–4 часа) время инкубации вируса на поверхности древесины. Результаты, полученные в ходе анализа CPE, выявили значительные различия в стойкости HCoV-OC43 на разных деревянных поверхностях, особенно в более короткие промежутки времени.
Примечательно, что на поверхности сосны инфекционность вируса начала снижаться уже через 5 минут инкубации на поверхности, тогда как на поверхности ели инфекционность резко снижалась, начиная с 10 минуты. В случае поверхностей березы и ольхи инфекционность вируса снижалась в течение тестируемых более коротких периодов инкубации, но не достигала такой высокой эффективности, как у сосны и ели. Поразительно, но поверхности эвкалипта и дуба не смогли снизить инфекционность вируса HCoV-OC43 за более короткое время инкубации.
Когда время инкубации вируса на поверхности увеличивалось до 1 часа, сосна, ель, береза и ольха продемонстрировали полное снижение инфекционности, тогда как эвкалипт и дуб проявили полную активность только через 2 часа. Эти результаты показали, что эвкалипт и дуб не так быстро, как другие породы древесины, инактивируют HCoV-OC43 на своей поверхности, и могут быть потенциальными фомитами для передачи коронавирусов в течение первых нескольких часов.
Изображение №2
Первоначальные оценки деревянных поверхностей проводились в условиях повышенной влажности (более 90%) при комнатной температуре, чтобы поддерживать оптимальные условия для заражения вирусом. Однако, учитывая, что реальные условия значительно различаются, необходимо было изучить, как колебания температуры и влажности могут повлиять на наблюдения. С этой целью эксперименты были организованы при двух различных температурах: 21 °C (отражает климат более северных стран) и 37 °C (напоминает тропический климат). Кроме того, ученые выбрали три уровня относительной влажности: 20, 40 и 60%, тем самым охватывая диапазон от 20 до 90%, который соответствует диапазону, часто встречающемуся как в помещении, так и на открытом воздухе, независимо от сезонных колебаний.
Сравнительный анализ двух температурных режимов показал, что вирусная инфекционность заметно снижается при 37 °C по сравнению с таковой при 21 °C (графики выше). Эвкалиптовое дерево является яркой иллюстрацией этой тенденции. Здесь вирус был полностью инактивирован после 1 часа при 37 °C. Однако вирусные единицы персистировали и оставались заразными в аналогичных условиях при 21 °C. Аналогичным образом, поверхность березы продемонстрировала полную инактивацию вируса всего за 15 минут при 37 °C, в отличие от более умеренного эффекта при 21 °C. Этот тепловой эффект согласуется с уже имеющимися данными из литературы. Например, ученые ранее уже установили, что снижение температуры и повышенная влажность часто продлевают выживаемость коронавирусов на поверхностях.
В отличие от влияния температуры, по-видимому, не существует прямой линейной зависимости между различными уровнями влажности и потерей инфекционности вируса. При температуре 21 °C колебания влажности от низкой до высокой оказались несущественными с точки зрения влияния на инфекционность вируса. Однако при более высоких температурах экстремальные значения относительной влажности, такие как 20 и 90%, поддерживали устойчивость вируса в течение более длительного времени по сравнению с 40%. Важное наблюдение было сделано при оценке поведения вируса на древесине ольхи при температуре 37 °C. Хотя при относительной влажности 20 и 90% вирус становился неинфекционным после 15-минутного воздействия, более быстрая инактивация происходила при влажности 40%, когда вирус терял свою инфекционность менее чем за 10 минут. Однако эти результаты в целом позволяют предположить, что относительная влажность играет незначительную роль в инактивации вирусов, тогда как температура играет куда более важную роль.
Изображение №3
Помимо вирусов с оболочкой, не менее важно было также протестировать на тех же поверхностях более стабильные вирусы без оболочки, такие как CVA9. Персистенция CVA9 также тестировалась в течение более короткого времени от 1 до 15 минут и в течение более длительных периодов от 1 до 4 часов (графики выше). Результаты с более коротким временем инкубации на поверхности не показали значительной потери инфекционности ни на одной из протестированных деревянных поверхностей, за исключением дуба, который показал потерю вирусной инфекционности уже через 7.5 минут. Наблюдения с более длительным временем инкубации на поверхности показали разные результаты для разных пород древесины. Вирус на поверхности ели показал полную потерю инфекционности через 1 час инкубации, тогда как сосна, береза и эвкалипт показали хорошую потерю инфекционности только через 4 часа. Ольха показала незначительный эффект даже после длительного инкубационного периода.
Эти результаты демонстрируют, что определенные породы древесины могут влиять на стойкость вирусов без оболочки, но эти виды отличаются от тех, которые влияют на коронавирусы с оболочкой. Дуб показал самую быструю способность к инактивации, за ним следовали сосна, береза и эвкалипт, в то время как некоторые поверхности, такие как ольха, вообще не показали противовирусного эффекта.
Изображение №4
Чтобы расшифровать механизм, посредством которого деревянная поверхность демонстрирует противовирусный эффект, РНК вирусов, взятая с поверхности древесины, была количественно определена с помощью количественного ПЦР анализа.
Помимо сосны был выбран дуб, поскольку эти поверхности обладают столь разными способностями инактивировать коронавирусы и энтеровирусы. Вирусная РНК, взятая с поверхностей после 15-минутной инкубации, сначала превращалась в более стабильную форму кДНК, а затем кДНК амплифицировалась с помощью кПЦР. Результаты количественной ПЦР показали, что и сосна, и дуб поглощали коронавирусы на поверхностях, поскольку их относительное количество было явно ниже количества введенного вируса соответственно (график выше). Разница в 2.5 и 1.1 логарифма соответствует снижению вирусной РНК на поверхности сосны и дуба на 99.68% и 92.37% соответственно по сравнению с исходными показателями вирусов.
Интересно, что энтеровирусы не показали различий между поверхностями сосны и дуба и показали, что вирусная нагрузка полностью смывается с поверхности после 15-минутной инкубации. Это интересно, так как дуб показал большую эффективность против энтеровирусов уже через 15 минут. Эти результаты показывают, что сосновая древесина поглощает больше коронавирусов, но не безоболочковых энтеровирусов.
Изображение №5
Далее ученые проверили потенциал заражения на образцах, взятых с поверхности сосны после 1 часа с помощью конфокальной микроскопии. Чтобы проследить за циклом заражения коронавирусами внутри клеток MRC-5, белок-пепломер* вириона* был помечен и визуализирован. В клетках отслеживали две временные точки: вирусу давали возможность развиваться в течение 2 часов, а в другом случае — в течение 15 часов. В качестве контроля для сравнения использовали вирус без поверхностной обработки и вирусы, взятые с поверхности полиэтилена.
Белок-пепломер* (белок-шип) — белок, который образует большую структуру, известную как шип или пепломер, выступающую из поверхности оболочечного вируса. Белки обычно представляют собой гликопротеины, образующие димеры или тримеры.
Вирион* — полноценная вирусная частица, состоящая из нуклеиновой кислоты и капсида (оболочки, состоящей из белка и, реже, липидов) и находящаяся вне живой клетки.
Результаты конфокальных изображений через 2 часа после заражения показали ярко-красные пятна внутри клеточных границ в случае вирусного контроля и вирусов, собранных с поверхности полиэтилена. Это указывает на то, что в этих двух случаях были инициированы прикрепление и интернализация вируса (5A). В случае образцов вирусов с поверхности сосны такой картины не наблюдалось. Кроме того, после 15 часов инкубации вирусы, взятые с поверхности сосны, не показали клеток, полных вновь синтезированных белков-пепломеров, как в других образцах. Это подтвердило, что вирусы, взятые с поверхности сосны, утратили свой инфекционный потенциал (5B).
Изображение №6
Образцы древесины показали заметные различия в выбросах общего количества летучих органических соединений (TVOC от total volatile organic compound). Чтобы исследовать различия в химическом составе, особенно в отношении легко испаряющихся веществ, были собраны и проанализированы выбросы как сухих, так и влажных образцов древесины.
Результаты выявили четкую корреляцию между выделяемыми химическими соединениями при температурах 25 и 40 °C и способностью образцов инактивировать вирусы. Среди оцененных видов сосна выделялась тем, что показала самый высокий совокупный уровень выбросов, сопровождаемый обширным диапазоном идентифицированных химических веществ как в сухих, так и влажных образцах (6A, 6B). Аналогичным образом, береза и ель продемонстрировали повышенные показатели выбросов, преимущественно заметные во влажных образцах (6B). Напротив, образцы ольхи, эвкалипта и дуба показали значительно более низкие показатели выбросов во всех образцах.
Образцы сухой древесины преимущественно выделяли альдегиды, спирты, органические кислоты и терпены, хотя общее количество компонентов и их объем были относительно небольшими. И наоборот, образцы влажной древесины постоянно демонстрировали более разнообразные и обильные химические выбросы, при этом температура испытания также оказывала заметное влияние. Идентифицированные компоненты очень похожи на те, что содержатся в сухой древесине, включая терпены (в сосне), альдегиды, спирты и органические кислоты, а также некоторые циклические углеводороды и кетоны.
Изображение №7
Химический анализ SVOC соединений с помощью масс-спектрометрии выявил значительные различия между исследуемыми породами древесины. Температурный диапазон 200–300 °С (фаза десорбции) был выбран для более детального анализа. На графиках выше представлены диаграммы Ван Кревелена для соединений, обнаруженных при термодесорбции образцов сосны, березы, дуба и эвкалипта при 200 °С (2.8–3.0 минуты), 250 °С (4.3–4.5 минуты) и 300 °С (5.8–6.0 минуты).
Основными соединениями, десорбированными при 200 °C, были насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, при этом заметных различий между породами древесины не наблюдалось. Напротив, в древесине сосны при 250 °C наблюдалась десорбция соединений при H/C ≈ 0.1–0.3 и при O/C ≈ 1–1.5, представляющих собой различные смоляные кислоты и другие дитерпеноиды. При 250 °C остальные три породы древесины показали очень мало отличий от тех, которые наблюдались при 200 °C. Наибольшие различия наблюдались при 300 °C, когда древесина сосны выделяет смесь фенольных кислот и альдегидов (например, циннамата и кониферилового альдегида), стильбенов и флавоноидов (например, флаван-3-ола), а также ряда смоляных кислот. В отличие от других пород древесины, у сосны также наблюдалась десорбция различных терпеновых углеводородов, наблюдаемая при О/С = 0 и ≈ 0.2–0.8. Все образцы лиственных деревьев также высвобождали фенольные экстрактивные вещества при 300 ° C, а в древесине дуба также обнаруживались некоторые виды конденсированных углеводородов, а также небольшое количество моносахаридов, полученных из гемицеллюлозы. Кроме того, в древесине березы обнаружено наличие тритерпеноидов и гидрокси/эпоксидных жирных кислот. Ель показала характеристики, весьма схожие с сосной, хотя наблюдалось значительно меньше смоляных кислот, а результаты ольхи были очень похожи на таковые у других лиственных деревьев.
Изображение №8
Древесные материалы, используемые в домашних и коммерческих условиях, модифицируются физически или химически, чтобы увеличить срок их хранения и защитить их от неблагоприятного воздействия атмосферных воздействий, вредителей и биологического разложения. Чтобы проверить, сохранят ли такие модификации, как уменьшение шероховатости или сочетание пластиковой или термической обработки, противовирусную эффективность, ученые проверили стойкость HCoV-OC43 на этих модифицированных деревянных поверхностях.
Первые испытания были проведены с древесно-пластиковым композитом, а в качестве контроля для сравнения использовался полиэтилен. Вирус HcoVOC43 добавляли к двум поверхностям и инкубировали в течение 1 часа, после чего инфекционность вирусов, собираемых с этих поверхностей в каждый момент времени, оценивали с использованием CPE анализа.
Согласно результатам анализа, вирусная инфекционность оставалась неизменной даже после 1 часа инкубации на обеих поверхностях (8A, 8B). Эти результаты показывают, что из-за присутствия пластика в древесном композите поверхность материала вела себя так же, как чистый пластик, и полностью потеряла способность инактивировать вирусы.
Аналогичным образом было также проверено влияние различных уровней грубости (сосна 80, 120, 320, 1000 и строганная) на стойкость HCoV-OC43. CPE анализ показал, что отличий в показателях инфекционности в ответ на разную степень полированности поверхности не наблюдалось. Для всех полированных поверхностей из сосновой древесины инфекционность вируса терялась через 15 минут. Эти результаты позволяют предположить, что шероховатость поверхности не играла основной роли в изменении стойкости HcoVOC43 на поверхности сосновой древесины.
Далее ученые протестировали два типа термически обработанных поверхностей ThermoWood (Thermo-S и Thermo-D) из сосны и ели. Thermo-S (термическая обработка при 190 °C) относится к классу материалов для использования внутри помещений. А Thermo-D (D означает durability, т.е. долговечность; термическая обработка при 212 °C) ориентирована для наружного применения. Вирусы инкубировали на различных поверхностях в течение 5, 10 и 15 минут и оценивали их инфекционность с помощью CPE анализа.
На поверхностях сосны Thermo-S и Thermo-D полная инактивация вируса произошла в течение 15 минут, как и у необработанной сосны. Однако ель, обработанная Thermo-S и Thermo-D, показала разные результаты. В то время как необработанная ель инактивировала вирус в течение 10 минут, Thermo-S требовалось 15 минут, а Thermo-D сохранял вирусную инфекционность на протяжении всей инкубации. Это означает, что эффекты термической обработки различаются в зависимости от породы древесины, причем ель, обработанная Thermo-D, потенциально способствует передаче вируса.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые впервые детально охарактеризовали противовирусные характеристики разных пород древесины.
Ранее уже было установлено, что древесина обладает отличными антибактериальными и противогрибковыми свойствами, потому данный материал и обладает столь высокой популярностью в определенных видах деятельности человека, особенно при приготовлении пищи. Однако взаимодействие древесины и вирусов ранее подробно не изучалось.
Ученые отмечают, что многие патогенные микроорганизмы, в том числе и вирусы, могут жить вне носителя на какой-либо поверхности определенное время. Срок жизни на поверхности, а значит и инфицируемость вируса, зависит от множества факторов, в том числе и от окружающей среды, и от материала поверхности.
Ученые провели опыты с использованием сосны, березы, ольхи, эвкалипта и дуба. Вирусы, которые проверялись учеными, были двух типов: с оболочкой и без нее. Также в ходе опытов регулировались значения температуры и относительной влажности среды.
Стоит отметить, что вирусы с оболочкой, такие как коронавирус, могут жить на поверхностях до пяти дней, а вирусы без оболочки, включая энтеровирусы, вызывающие простуду, могут жить неделями, в некоторых случаях даже если поверхности продезинфицированы.
Результаты опытов показали, что вирусы с оболочкой на поверхности сосны, ели, березы и ольхи теряли свою инфицируемость уже спустя 1 час, тогда как в случае эвкалипта и дуба требовалось 2 часа. Сосна оказалась самым активным борцом с вирусами, начиная их инактивацию уже через 5 минут. Ель заняла место с показателем в 10 минут.
Для энтеровируса без оболочки исследователи обнаружили, что инкубация на поверхностях дуба и ели приводила к потере инфекционности в течение примерно 1 часа. Начало инактивации у дуба составляло 7.5 минут, а у ели — 60 минут. Сосна, береза и эвкалипт снижали инфекционность вируса через четыре часа, а ольха не проявляла противовирусного эффекта.
Данное исследование является доказательством того, что древесина обладает противовирусными свойствами. В чем секрет этих свойств еще предстоит выяснить, чем и намерены заняться ученые в своем следующем исследовании. Факт того, что многие вирусы передаются не только при прямом контакте человека с человеком, но и при контакте с поверхностями, говорит о том, что поиск и изучение материалов, способных инактивировать вирусы, может сыграть важную роль в снижении скорости распространения патогенных микроорганизмов, тем самым потенциально став одной из дополнительных преград против потенциальных пандемий будущего.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
