对各种 COVID-19 变体有效的新型光催化剂抗病毒涂层

诸平

Figure 1. The TiO2/CuxO coating inactivates viruses even under dark condition. Its antiviral activity is further enhanced by visible light irradiation. Credit: Ryuichi Nakano from Nara Medical University

Figure 2. Small Cu_xO nanoclasters are grafted on TiO₂ particles. Credit: Masahiro Miyauchi from Tokyo Institute of Technology

Figure 3. The TiO2/CuxO coating inactivates the virus by fragmenting and oxidizing spike proteins and RNAs of SARS-CoV-2. Credit: Ryuichi Nakano from Nara Medical University

据日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology） 2022年4月14日提供的消息，该校的研究人员与日本奈良医科大学（Nara Medical University）及日本神奈川工业科学技术研究所(Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology简称KISTEC)的研究人员合作，使用二氧化钛 (TiO₂)和氧化铜(Cu_xO) 纳米团簇组合制成的光催化剂，可灭活各种不同类型的新型冠状病毒SARS-CoV-2。奈良医科大学、神奈川工业科学技术研究所和东京工业大学的科学家在最近的一项突破中开发了这种抗病毒光催化剂，已被证明在黑暗和室内光线下都有效。相关研究结果于2022年4月14日在《科学报告》（Scientific Reports）杂志网站发表——Ryuichi Nakano, Akira Yamaguchi, Kayano Sunada, Takeshi Nagai, Akiyo Nakano, Yuki Suzuki, Hisakazu Yano, Hitoshi Ishiguro, Masahiro Miyauchi. Inactivation of various variant types of SARS-CoV-2 by indoor-light-sensitive TiO₂-based photocatalyst. Scientific Reports, 2022, 12, Article number: 5804. DOI: 10.1038/s41598-022-09402-7. Published: 14 April 2022. https://www.nature.com/articles/s41598-022-09402-7

上述图1(Fig. 1)由奈良医科大学的中野竜一（Ryuichi Nakano）提供，显示出TiO₂/Cu_xO涂层即使在黑暗条件下也能灭活病毒。可见光照射进一步增强其抗病毒活性。Cu_xO/TiO₂在可见光照射下使SARS-CoV-2的各种变体类型包括Alfa（α）、Beta（β）、Gamma（γ）和 Delta(δ),在其检测限以下2小时内失活。Cu _xO/TiO₂即使在黑暗条件下也表现出抗病毒活性。Cu_xO/TiO₂的抗病毒活性是由刺突蛋白(spike proteins)的变性和SARS-CoV-2 病毒的RNA片段化引起的。

导致持续的COVID-19大流行的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)已影响全球数百万人。病毒的主要传播途径是通过感染者释放到空气中的飞沫。此外，这些液滴也存在于各种表面上。病毒感染主要发生在许多人聚集的室内环境中，抗病毒化学物质，如酒精和过氧化氢，通常用于对经常接触的表面进行净化。这些化学物质通过分解蛋白质使病毒失去活性。然而，这些化学物质本质上是挥发性的，因此会蒸发掉，故必须定期进行消毒过程。

现在，在2022年4月14日发表在《科学报告》上的一项研究中，奈良医科大学、神奈川工业科学技术研究所和东京工业大学的一个研究小组开发了一种抵御新冠病毒的固态光催化剂。与化学消毒剂不同，固态涂层可以保留很长时间，并且自病毒爆发以来，一直是世界各地深入研究的主题。固态抗病毒涂层具有无毒、丰富、化学稳定和热稳定的优点。

上述图2(Fig. 2)是由东京工业大学宮内雅浩（Masahiro Miyauchi）教授提供，显示出小型的Cu_xO纳米粒被接枝在TiO₂颗粒上。

这些固态涂层中的许多都使用TiO₂光催化剂，当暴露在紫外线(UV)光下时，会引起氧化反应，从而破坏冠状病毒表面上的刺突蛋白等有机物。然而，这些涂层只有在暴露于紫外线时才会被激活，这在典型的室内环境中是不存在的。在大多数室内环境中，灯光通常在夜间关闭，因此需要在黑暗条件下的抗病毒材料。

为了使涂层在可见光和黑暗条件下都能正常工作，该团队开发了一种由TiO₂和Cu_xO纳米团簇组成的复合材料(Fig. 2)。Cu_xO纳米团簇由混合价数氧化物组成，其中存在Cu(I)和Cu(II) 物质。Cu_xO中的Cu(II)物种有助于可见光驱动的光催化反应，而Cu(I)物种在使病毒蛋白变性中起关键作用，从而导致它们在黑暗条件下失活。

通过在玻璃上涂覆Cu_xO/TiO₂粉末，该团队表明它甚至可以灭活SARS-CoV-2的高毒性Delta（δ）变体，如图1(Fig. 1)所示。该团队还证实了Cu_xO/TiO₂除野生型菌株（wild type strain）外，还能灭活Alfa（α）、Beta（β）和Gamma（γ）变异株。

上述图3(Fig. 3)由奈良医科大学的中野竜一提供，图示TiO₂/Cu_xO涂层通过裂解和氧化 SARS-CoV-2的刺突蛋白和RNA来灭活病毒。该团队使用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳 (sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis简称SDS-PAGE)、 酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immuno sorbent assay简称ELISA）检测和 RT-qPCR分析仔细研究了抗病毒机制。这些分析强烈表明，即使在黑暗条件下，Cu_xO中的Cu(I)物种也会使刺突蛋白变性，并且还会导致SARS-CoV-2的RNA片段化(Fig. 3)。此外，白光照射会导致 SARS-CoV-2 的有机分子发生光催化氧化。基于这种抗病毒机制，本发明的抗病毒材料不限于病毒的特定变体，将有效灭活各种类型的潜在突变株。

本研究中的白光照明通常用作室内照明设备。这可以使Cu_xO/TiO₂光催化剂非常有效地降低室内环境中COVID-19感染的风险，室内环境通常会定期受到光照和黑暗的影响。希望这项研究能让我们更接近于更好地保护自己免受冠状病毒的侵害，并适应后COVID时代。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

抗ウイルス材料Cu_xO/TiO₂による新型コロナウイルス（変異株）の不活化およびそのメカニズム解明に成功

Abstract

Photocatalysts are promising materials for solid-state antiviral coatings to protect against the spread of pandemic coronavirus disease (COVID-19). This paper reports that copper oxide nanoclusters grafted with titanium dioxide (Cu_xO/TiO₂) inactivated the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virus, including its Delta variant, even under dark condition, and further inactivated it under illumination with a white fluorescent bulb. To investigate its inactivation mechanism, the denaturation of spike proteins of SARS-CoV-2 was examined by sodium dodecyl sulphate–polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). In addition to spike proteins, fragmentation of ribonucleic acids in SARS-CoV-2 was investigated by real-time reverse transcription quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR). As a result, both spike proteins and RNAs in the SARS-CoV-2 virus were damaged by the Cu_xO/TiO₂ photocatalyst even under dark condition and were further damaged under white fluorescent bulb illumination. Based on the present antiviral mechanism, the Cu_xO/TiO₂ photocatalyst will be effective in inactivating other potential mutant strains of SARS-CoV-2. The Cu_xO/TiO₂ photocatalyst can thus be used to reduce the infectious risk of COVID-19 in an indoor environment, where light illumination is turned on during the day and off during the night.