Zusammenfassung

Die Übertragung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) durch die Luft wurde als potenzielle Pandemieherausforderung identifiziert, insbesondere in schlecht belüfteten Innenräumen, wie bestimmte Krankenhäuser, Schulen, öffentliche Gebäude und Verkehrsmittel. Die Auswirkungen der meteorologischen Parameter (Temperatur und Luftfeuchtigkeit) und physikalischen Eigenschaften (Tröpfchengröße) auf die Übertragung des Coronavirus durch die Luft in Innenräumen wurde bereits untersucht. Dementgegen sind die Auswirkungen der chemischen Eigenschaften von Viruströpfchen und Aerosolpartikeln (d. h. die chemische Zusammensetzung und der Säuregehalt (pH)) auf die Viabilität und die Übertragung von Coronaviren in Innenräumen nach wie vor weitgehend unbekannt. Jüngste Studien deuten darauf hin, dass ein hoher organischer Gehalt (Proteine) in den Viruströpfchen und Aerosolpartikeln das Überleben des Virus durch Bildung einer glasartigen Gelstruktur verlängert, die den Virusinaktivierungsprozess bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit (relative Humidity, RH) einschränkt. Darüber hinaus wurde das Überleben des Virus bei neutralem pH-Wert festgestellt. Die Inaktivierung war bei niedrigen (< 5) und hohen (> 10) pH-Werten am besten (umhüllte Bakteriophage Phi6). Angesichts begrenzter verfügbarer Informationen zeigt dieser Artikel, dass ein dringender Bedarf besteht, die Auswirkungen chemischer Eigenschaften ausgeatmeter Viruspartikel auf die Lebensfähigkeit des Virus zu untersuchen. Dies wird unser grundlegendes Verständnis der Übertragungsmechanismen von Viren über die Luft in Innenräumen verbessern.

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Einführung

Tröpfchen in der Atemluft sind aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Größe, Verhältnis Oberfläche/Volumen und räumlich heterogene Zusammensetzung recht komplex. Das Virus, das in Tröpfchen eingebettet ist, erfährt dynamische und höchst variable Mikroumgebungen. Tröpfchen, die aus dem menschlichen Atmungssystem ausgestoßen werden, durchlaufen einen schnellen Wechsel der RH von 100 % auf Innenraumbedingungen [1-3]. Diese Tröpfchen verdunsten schnell und die Konzentration von Salz, Protein und anorganischen Stoffen steigt aufgrund des Verlusts an Wassergehalt um fast eine Größenordnung [1,2]. Liu et al. [4] nehmen in ihrem Modell zur Vereinfachung an, dass der wässrige Teil eines Atemtropfens aus Natriumchloridlösung (NaCl) besteht. Für ein Tröpfchen jedoch, das hauptsächlich aus NaCl und Wasser besteht, steigt die Verdunstungsrate wahrscheinlich schneller an, sobald sich ein Salzkern gebildet hat und die kritische Größe überschreitet [5]. Daher berichteten Liu et al. [4] über eine Abnahme des Tröpfchendurchmessers um den Faktor 3. Allerdings beobachteten Vejerano und Marr [1] in ihrer Studie keinen solchen Effekt. Sie zeigen, dass dieses Verhalten zum Teil auf das Vorhandensein von Mucin und Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) zurückzuführen ist, die Phasenwechsel erfahren. Die verdunstend ausgestoßenen Tröpfchen, die aufgrund ihrer geringen Größe nicht auf den Boden fallen, werden als „Aerosolpartikel“ bezeichnet [6]. Der COVID-19-Transportweg über die Luft wurde in jüngsten Studien weltweit bestätigt [7–9]. Die Übertragung von SARS-CoV-2 über die Luft in Innenräumen unterlag den folgenden Einflüssen meteorologischer Parameter wie Temperatur und RH [6,10-12]. Währenddessen dominierten die physischen Eigenschaften von Atemtröpfchen und viralen Aerosolpartikeln die Diskussion rund um die Übertragung durch die Luft [9]. Allerdings gibt es nur wenige neuere Experimental- und Modellierungsstudien über die Rolle der chemischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln bei der Virusausbreitung und das Überleben des Virus in Innenräumen [13-15]. In diesem Artikel vermitteln wir Informationen zu den chemischen Eigenschaften von Atemtropfen und Aerosolpartikeln, einschließlich ihrer chemischen Zusammensetzung und ihres Säuregehalts (pH-Wert), um den Einfluss dieser Eigenschaften auf die Virusviabilität in Aerosolpartikeln zu erklären. Gleichwohl handelt sich um ein neuartiges Virus handelt und es wird schwierig sein, viele Studien zu finden, die einen direkten Bezug zu den chemischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln und SARS-CoV-2 herstellen. Daher untersuchten wir die umhüllten Viren wie zum Beispiel Influenza, Influenza-A-Virus (IAV), Langat, den umhüllten Bakteriophage-Phi6-Virus und SARS-CoV-1 und deren Assoziation mit den chemischen Eigenschaften von Tröpfchen und Aerosolpartikeln. Hierin konzentrieren wir uns ausschließlich auf die Auswirkungen der chemischen Eigenschaften von Aerosolen auf umhüllte Viren. In diesem Artikel werden wir die Auswirkungen der chemischen Zusammensetzung und des pH-Werts auf die Lebensfähigkeit von Viren in Aerosolpartikeln und Tröpfchen beschreiben. Weiterhin werden wir über die Veränderungen der chemischen Eigenschaften der Tröpfchen durch die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen berichten, die sich letztlich auf die Lebensfähigkeit der Viren und die potenziellen Instrumente zur Messung ausgestoßener viraler Atemtröpfchen und der chemischen Eigenschaften von Aerosolen auswirken.

Auswirkung chemischer Eigenschaften von menschlichen Atemtröpfchen und Aerosolpartikeln
auf die Virusviabilität in Innenräumen

2.1. Auswirkung der chemischen Zusammensetzung auf die Virusviabilität von umhüllten Viren

Es ist anerkannt, dass physikalische Eigenschaften wie die Partikelgröße von Viruströpfchen die Lebensfähigkeit eines Virus beeinflussen. Die Größe der Tröpfchen wird durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt. Daher sind die Informationen über die Auswirkungen der chemischen Zusammensetzung von Atemtröpfchen und Aerosolpartikeln auf die Lebensfähigkeit von eingebetteten Viren sehr wichtig [2,16,17]. Die Veränderungen der chemischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln und Tröpfchenkernen können Veränderungen in der Virusinfektiosität zur Folge haben [16,18]. Üblicherweise wird die Erzeugung von Aerosolpartikeln in den unteren (alveolären), mittleren (laryngealen) und oberen (Mundhöhle) Atemwegen betrachtet [19]. Die Zusammensetzung der Tröpfchen in der Atemluft hängt also von ihrem Entstehungsort ab [19]. Allerdings sind die Informationen über die chemischen Eigenschaften von Viruströpfchen aus verschiedenen Atemwegsregionen nicht vollständig verfügbar. Bozic und Kanduc [20] berichteten jedoch über die Grundzusammensetzung von Atemtröpfchen unterschiedlicher Herkunft in tabellarischer Form. Sie erwähnten, dass Tröpfchen und Aerosolpartikel aus der Atemluft des Menschen hauptsächlich aus organischen und anorganischen Bestandteilen bestehen (Abbildung 1). In den früheren Studien wurden die wichtigsten Bestandteile der Atemflüssigkeit als Salz, Proteine und oberflächenaktive Stoffe angegeben [21]. Die wichtigsten anorganische Verbindung in der Atemflüssigkeit ist Natriumchlorid (NaCl), während Laktat und Glykoproteine die primären organischen Substanzen darstellen [21,22]. Nicas et al. [23] berichteten, dass der aerosolierte Atemwegsschleim aus Natriumchlorid (NaCl) besteht (150 _ 20 mM, etwa 8,8 g/l) und Protein (76 _ 18 g/l). Es ist jedoch anzumerken, dass das Sputum und die Sekrete aus anderen Regionen wie der Nase, dem Oropharynx, der Luftröhre und dem Bronchoalveolarraum eine andere Zusammensetzung aufweisen [24]. Außerdem variiert die Zusammensetzung von viralen Tröpfchen (chemische Zusammensetzung, pH-Wert) bei verschiedenen Arten von Krankheiten [24]. Die Verteilung von Proteinen menschlicher Schleimhautflüssigkeiten in verschiedenen Atemwegsregionen können einer von Niazi et al. bereitgestellten [2] und auf früheren Studien Tabelle entnommen werden [25,26]. Darüber hinaus berichteten Vejerano und Marr [1] über Salze, Proteine und oberflächenaktive Stoffe als Hauptbestandteile des menschlichen Atemwegsschleims. Wenn also eine Messung der viralen Tröpfchen und Aerosolpartikel in Umweltumgebungen durchgeführt wird, sollte das Hauptaugenmerk auf den Eigenschaften von Aerosolpartikeln liegen (z. B. Konzentration der gelösten Stoffe, pH-Wert, Größe), die aus den menschlichen Atemwegen ausgeatmet werden. Es gibt einige neuere Studien, die die Wirkung von Schleim auf das Überleben der Influenza in Aerosolen und Tröpfchen nachgewiesen haben.[27,28].

ABBILDUNG 1
Auswirkungen der chemischen Eigenschaften von viralen Aerosolpartikeln und -tröpfchen auf die Übertragung von SARS-CoV-2 in Innenräumen. Die wichtigsten Übertragungswege von SARS-CoV-2 in Innenräumen sind entweder auf Tröpfchen (direkter Kontakt) oder Aerosolpartikel (über die Luft) zurückzuführen. Die chemische Zusammensetzung und der pH-Wert sind wichtige chemische Eigenschaften, die sich auf die Viabilität von SARS-CoV-2 in ausgeschiedenen Tröpfchen auswirken. Chemische Bestandteile sind typischerweise Proteine und NaCl zusammen mit dem Virus in einer ausgestoßenen viralen Flüssigkeit. Hierzu möchten wir zudem auf die Literatur verweisen, laut der sich auch pH-Werte auf das Überleben von Viren auswirken, wobei Phi6-Bakteriophagen bei verschiedenen pH-Werten getestet wurden[13]. Im Hinblick auf Atemwegserkrankungen sind die Übertragungsraten und die Umweltbedingungen eng miteinander verknüpft [29]. Die relative Luftfeuchtigkeit und die Temperatur der Innenraumluft sind die wichtigsten Umweltfaktoren, die die Lebensfähigkeit von luftgetragenen Atemwegsviren beeinflussen können [30]. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Viruströpfchen aufgrund von Veränderungen in Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Innenraumluft können aufgrund der Verdunstung der Tröpfchen schwanken [1], was sich letztlich auf die Lebensfähigkeit der eingebetteten Viren auswirken kann. Während nach und nach mehr Wasser aus den Tröpfchen verdunstet, steigt die Konzentration der weniger flüchtigen gelösten Stoffe, wie Salze und organische Verbindungen [29]. Zuvor wurden mehrere Hypothesen entwickelt, um die Beziehung zwischen der Virusviabilität und den physikalisch-chemischen Veränderungen in viralen Tröpfchen zu erklären. Zu diesen physikalisch-chemischen Veränderungen in Viruströpfchen gehören Wasseraktivität, Oberflächeninaktivierung, Salztoxizität [31] und Phasentrennung von Trägeraerosolenkomponenten [32]. Bei der Verdunstung von Viruströpfchen mit höherem organischen Anteil (Proteine) steigt die Konzentration der gelösten Stoffe bei vergleichbarer RH langsamer an als bei Tröpfchen, die einen höheren anorganischen Anteil aufweisen [29]. Der langsame Anstieg der Konzentration von gelösten Stoffen bildet die längere Zeit ab, die erforderlich ist, um ihre Konzentrationen auf jenes Niveau zu erhöhen, das die Inaktivierung von Viren in Aerosolpartikeln und Tröpfchen zur Folge hat [29]. Daher kann die Entstehung eines Mantels oder einer dicken, gelartigen Hülle auf Aerosolen zum verlängerten Überleben von Viren in Tröpfchen und Aerosolpartikeln mit höherem organischem Anteil beitragen [3,29]. In trockenen Innenräumen verdampfen kleine Virentröpfchen schnell und schrumpfen zu kleineren Tröpfchen, ihrerseits bekannt als Aerosolpartikel, bevor sie sich schnell verteilen [11]. Im Fall von schlecht belüfteten Innenräumen verbleiben die viralen Aerosolpartikel über längere Zeiträume in einem luftgetragenen Zustand. Daher könnten höhere Konzentrationen an organischem Inhalt in Tröpfchen und Aerosolpartikeln in schlecht belüfteten Räumen die Übertragung von COVID-19 in Innenräumen durch Verlängerung der Lebensdauer des Virus im Aerosolpartikel beeinflussen [33]. Wegen seines hygroskopischen Verhaltens kann NaCl (anorganischer Anteil in den Tröpfchen) eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Wasseraufnahme und des Wasserverlusts in Aerosolpartikeln spielen. Daher steigt die Konzentration der gelösten Stoffe in Tröpfchen und Aerosolpartikeln mit höherem anorganischem Anteil (NaCl) im Vergleich zu denen mit höherem organischem Anteil (d. h. Proteine) bei ähnlicher RH schneller an [29].

2.2. Auswirkung einer pH-Änderung (aufgrund einer Änderung der Luftfeuchtigkeit) auf die Lebensfähigkeit umhüllter Viren

Eine weitere wichtige Eigenschaft, nämlich der pH-Wert, kann ebenfalls die Lebensfähigkeit der Viren in den Tröpfchen und Aerosolpartikeln beeinflussen. Die pH-Werte ändern sich, wenn die ausgeatmeten Töpfchen und Aerosolpartikel entweder durch Wasseraufnahme wachsen oder sich durch die Verdunstung von Wasser verringern. Dies kann zu zusätzlichen Phasenübergängen führen. Frühere Studien haben berichtet, dass die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung und andere Phasenübergänge stark von den pH-Werten beeinflusst werden (Abbildung 2) [34]. Tröpfchen können in ihrem pH-Wert der sich mit der RH ändern kann, variieren. Dies wird die Viabilität der aerosolierten Viren beeinträchtigen, indem es die Konformation der viralen Proteine oder die elektrostatischen Eigenschaften verändert [20].Hierin werden wir zunächst die Auswirkungen von Änderungen in den Konformationen von viralen Glykoproteinen beschreiben und im letzten Teil die Wirkung der elektrostatischen Eigenschaften wie isoelektrische Punkte, die mit Änderungen des pH-Werts zusammenhängen.

2.2.1. Auswirkungen von Konformationsänderungen in viralen Glykoproteinen in Verbindung mit Änderungen des pH-Werts

Wie bereits erwähnt, sinkt die relative Luftfeuchtigkeit in Innenräumen während der Wintersaison durch die übermäßige Nutzung von Heizungen zur Aufrechterhaltung einer angenehmen Raumlufttemperatur auf unter 30 %. Dies geschieht meist, wenn die Außenlufttemperaturen niedrig sind (< 4 _C), mit trockener Luft (Dampfdruck < 0,75 kPa) [15]. Aufgrund der niedrigen RH in Innenräumen verdunsten die Tröpfchen schneller. Dies würde die Konzentration freier H+ -Ionen in einem Aerosolpartikel und damit auch die pH-Werte senken. Dies führt zu Umbildungen in der Struktur des eingebetteten Glykoproteins (abhängig von ihrer Reaktion auf niedrige pH-Werte), die in den Membranen der umhüllten Viren vorhanden sind. Diese Glykoproteine sind für die Anheftung des Virus und den anschließenden Eintritt in die Wirtszellen unerlässlich [31]. Die genauen Änderungen der pH-Werte nach der Verdunstung bei einer bestimmten RH sind weitaus komplizierter als die einfachen Annahmen, die in früheren Studien getroffen wurden [31]. Die Komplikation kann viele verschiedene Gründe haben, (i) aufgrund von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen gelösten Stoffen, (ii) Puffereffekte von Proteinen, (iii) der Einfluss der chemischen Zusammensetzung der Umgebung und (iv) die Heterogenität in der räumlichen Verteilung der verschiedenen gelösten Stoffe in einem Aerosolpartikel [31]. Diese wichtige Studie zeigte, dass die Tröpfchen schrumpften, was zu einem Anstieg in der H+ -Ionen-Konzentration und folglich zur Senkung des pH-Werts führte [31]. Neben einer Verringerung der Tröpfchengröße und des pH-Werts aufgrund eines Anstiegs von H+-Ionen, neigen diese H+ dazu, sich auf Aerosolpartikeln und Tröpfchenoberflächen mit einem Verteilungskoeffizienten von 1,5 (Verhältnis der Oberflächenkonzentration zur Massenkonzentration) anzusammeln. Dieses Phänomen würde die die pH-Werte auf der Oberfläche, wo sich die umhüllten Viren ansammeln, im Vergleich zu Aerosolpartikeln und Tröpfchen um zusätzliche 0,2 Einheiten senken [31]. Die Änderungen des pH-Werts können sowohl für die Inaktivierung/das Überleben des Virus im Inneren der viralen Tröpfchen als auch für die Interaktion mit den Wirtszellen entscheidend sein. Bevor wir mit der Rolle des pH-Werts im Fusionsprozess fortfahren, müssen wir uns ein Bild davon machen, wie sich das Virus repliziert und in Wirtszellen eindringt. Der Replikationsprozess beginnt mit der Verschmelzung, ausgehend davon, wie die umhüllten Viren in die Wirtszellen eindringen. Anschließend wird der Fusionsprozess durch den geringen pH-Wert von Endosomen aktiviert, indem sie irreversible Konformationsänderungen im Glykoprotein ermöglichen [35]. Es gibt zwei Mechanismen, die mit dieser Aktivität verbunden sind: (1) direkte Fusion mit der Plasmamembran oder (2) Fusion nach Endozytose und intrazellulärem Transport (einige Viren können jeden Pfad nehmen) [31]. Aus der Literatur geht hervor, dass bei umhüllten Viren wie RSV und Alpha-Herpesviren bei neutralen pH-Werten der direkte Fusionsprozess stattfindet [36,37]. Unser Interesse gilt eher jenen umhüllten Viren, die für den Fusionsprozess niedrigere pH-Werte benötigen. Die anderen Viren, wie IAV und Langat, dringen über den Endozytose-Pfad in die Wirtszellen ein. Um den Fusionsprozess zu aktivieren, benötigen diese Viren in der Regel niedrige pH-Werte (5 bis 6 oder niedriger) [38-40]. Typischerweise liegt die Bindung von IAV an Sialinsäure vor, die durch das Glykoprotein Hämagglutinin (HA) Rezeptoren enthält. Nach diesem Vorgang verschmilzt es durch Endozytose. Bei einem pH-Wert von ~5 erfährt das HA-Glykoprotein eine säurekatalysierte Konformationsänderung innerhalb des Endosoms. Dadurch wird das Fusionspeptid freigelegt. Anschließend verschmilzt es mit der endosomalen Membran [31]. Die SARS-Viren lösen den Fusionsprozess ebenfalls bei niedrigeren pH-Werten aus [41]. Ähnliche säurekatalysierte Konformationsänderungen können bei den viralen Glykoproteinen bei niedrigen pH-Werten auftreten. In ähnlicher Weise erfahren Glykoproteine Konformationsänderungen, wenn die Ansäuerung ohne die Existenz der Zielmembran außerhalb der Wirtszelle erfolgt. Dies würde die Fusionsaktivität des Virus und damit die Infektiosität inaktivieren [37].

2.2.2. Einfluss von relativer Luftfeuchtigkeit und pH-Wert auf die Virusviabilität

Die umhüllten Viren, die vor der Fusion eine Ansäuerung benötigen (wie Influenzavirus und SARS-assoziiertes Coronavirus) erwiesen sich bei mittlerer RH (~ 50 bis 90%) im Vergleich zu höheren und niedrigeren RH als weniger stabil [20]. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50–90 % trocknen die viralen Aerosolpartikel nicht unbedingt aus, doch intensiviert sich die Verdunstung bei etwa 50 % RH-Wert innerhalb des RH-Bereichs von 50–90 % [29,37].

ABBILDUNG 2
Einfluss von pH-Wert und relativer Luftfeuchtigkeit auf die Lebensfähigkeit von umhüllten Viren in viralen Aerosolpartikeln modifizierte Version [17,42].

In Abbildung 2 werden drei verschiedene Fälle betrachtet, wobei Fall I für trockene Innenräume bei Beheizung bei Tin = 20 °C, RHin < 40 % und Außentemperatur, d. h., Tout < 4 °C steht. Hier verdunsten die ausgestoßenen Atemtropfen schnellen, wodurch der pH-Wert aufgrund der hohen H+-Ionen sinkt. Später findet die Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (liquid-liquid phase separation, LLPS) (z. B. amorphe organische Schale und wässriger anorganischer Kern) bei niedriger Luftfeuchtigkeit statt und aufgrund einer extrem schnellen Verdunstung trocknen die Partikel vollständig aus. Daher könnte vollständige Trockenheit die umhüllten Viren tatsächlich vor den hohen Konzentrationen an gelösten Salze und einem niedrigen pH-Wert [14] schützen. Dies bedeutet, dass die umhüllten Viren trotz der sauren Umgebung keine Chance auf Inaktivierung haben. Die schnelle Bildung der organischen Schicht auf der Oberseite sorgt dafür, dass keine Inaktivierung stattfindet. Typischerweise schadet ein plötzlicher Anstieg der Salzkonzentration und/oder die Expositionszeit gegenüber steigenden Salzkonzentrationen und sinkendem pH-Wert dem Virus wahrscheinlich [13,14,29]. Erreger, die in einer gelartigen oder glasartigen Struktur eingekapselt sind, können jedoch vor oxidativer Schädigung oder Lösungsmittelwirkungen geschützt werden [3]. In Fall II (Tin = 20 °C, RHin = 40–60 %) findet eine kontinuierliche Verdunstung statt und der pH-Wert nimmt kontinuierlich ab, sodass genügend Zeit bleibt, um die Konzentration der gelösten Stoffe zu erhöhen (mit sauren Bedingungen), um das Virus zu inaktivieren (erhöhter osmotischer Stress). Dies geschieht bei einer mittleren RH von ~ 40–60 % [29]. Fall III (Tin = 20 _C, RHin > 80 %) zeigt eine langsame Verdunstung unter feuchteren Bedingungen, d. h. > 80 % RH mit etwas höheren pH-Werten um 6 oder mehr. Bei einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit werden die Virionen aufgrund des flüssigkeitsähnlichen Zustands der Aerosolpartikel und -tröpfchen freigesetzt, obwohl niedrige Konzentrationen an gelösten Stoffen festgestellt werden und der Desinfektionsprozess mit geringerer Geschwindigkeit fortgesetzt wird [3]. Dies führt zu einem geringen Grad der Virusinaktivierung [29]. Wie oben erläutert, erfolgt die Verdunstung bei einer niedrigeren RH im Raum, wodurch der pH-Wert sinkt und infolgedessen die meisten Oberflächenproteine ihre Konformation ändern. Die viralen50 Glykoproteine erfahren Konformationsänderungen unterhalb eines pH-Schwellenwerts (z. B. pH 5 bei IAV). Darüber hinaus kann bei einer bestimmten RH selbst ein geringfügiger Abfall des pH-Werts auf in etwa den Schwellenwert die Denaturierung von Glykoproteinen aktivieren, was einen irreversiblen Prozess darstellt [38]. Eine andere wichtige Studie legt nahe, dass niedrige pH-Werte eine wichtige Rolle bei der Stabilität von umhüllten Viren spielen [43]. Allerdings weist diese Analyse auch darauf hin, dass die mit der Tröpfchenverdunstung verbundene Veränderung der pH-Werte ein mögliches Bindeglied zur Lebensfähigkeit des Virus sein könnte [31]. Ein kürzlich durchgeführtes Experiment von Lin et al. [13] legt nahe, dass sich die relative Viabilität von Phi6 bei variierenden pH-Werten bei drei verschiedenen RH-Leveln signifikante unterschied. Bei einem pH-Wert von 4,0 wurde 1 Stunde nach dem Versuch weder in den Verdampfungstropfen noch in der Kontrolllösung lebensfähiges Phi6 nachgewiesen. Dies deutet auf einen starken Inaktivierungseffekt von sauren Bedingungen auf Phi6 hin. Bei einem pH-Wert von ~10,0 zerfiel das Virus nach 1 Stunde um ~1–3 log10 Einheiten (RH-abhängig). Die Virusüberlebensrate war in pH-neutralen Tröpfchen (7,0) nach 1 Stunde am höchsten, wo er nur bei ~1–2 log10 Einheiten (RH-abhängig) zerfiel. Der Zerfall von Phi6 erwies sich in sauren oder basischen Tröpfchen als deutlicher. Das Überleben von Phi6 war am besten in pH-neutralen Tröpfchen. Eine neuere Studie hat ergeben, dass der pH-Effekt auf die Viablität von umhüllten Viren stärker ausgeprägt ist als auf unumhüllte Viren [13]. Aus diesem Grund berücksichtigten wir in unserer Studie nur umhüllte Viren (Tabelle 1). Es ist erwähnenswert, dass SARS-CoV-2 in die Kategorie der umhüllten Viren fällt, weshalb es äußerst wichtig ist, die Auswirkungen des pH-Werts auf das Überleben von SARS-CoV-2 in Aerosolpartikeln und -tröpfchen zu studieren.
2.2.3. Isoelektrische Punkte von Viren und ihre Abhängigkeit vom pH-Wert

Im Folgenden werden die isoelektrischen Punkte von Viren und ihre Abhängigkeit vom pH-Wert erörtert. Der pH-Wert, an dem die Netto-Oberflächenladung ihr Vorzeichen ändert, wird als isoelektrischer Punkt bezeichnet. Dies ist als charakteristischer Parameter der Viruspartikel bekannt, die sich im Gleichgewicht mit der Wasserchemie ihrer Umgebung befinden [51]. Bei umhüllten Viren steuert die Oberflächenladung des Kapsids hauptsächlich seine Interaktion mit der Lipiddoppelschicht [52]. Das Kapsid ist die Schutzschicht des Virusgenoms, während die Hülle ein schützender Mantel des Proteinkapsids ist. Die Rolle der Hüllphospholipide ist jedoch wesentlich für die Oberflächenladung der Hülle. Dies kann in der Regel zu einem wahrscheinlichen Rückgang des scheinbaren pKa-Werts (Stärke einer Säure) um fast eine pH-Einheit führen, aufgrund der niedrigen dielektrischen Konstante von Phospholipid-Doppelschichten [53]. Bei pH-Werten unterhalb des isoelektrischen Punkts könnte eine positive Ladung auf einem Virus vorkommen, wenn sowohl Carboxylat- als auch Amingruppen auf der äußeren Oberfläche protoniert sind und Wasserstoffbrückenbindungen zu hydroxylhaltigen Oberflächen gebildet werden. Bei pH-Werten oberhalb des isoelektrischen Punktes entsteht aufgrund des Deprotonierungsprozesses an der äußeren Oberfläche der Virionen eine negative Ladung auf dem Virus [54]. Auf Grundlage eines Prozesses, der mit den isoelektrischen Punkten des Virus zusammenhängt, kann die Virusinaktivierung kann durch die Bevorzugung von pH-Werten geschützt werden [29]. Darüber hinaus würden die in Aerosolpartikeln und -tröpfchen vorliegenden pH-Gradienten das Choate-Verfahren weiter verkomplizieren, vor allem wenn die Kenntnisse über die räumliche Verteilung von Viren in Aerosolen und Tröpfchen unzureichend sind [29]. Schließlich haben der pH-Wert und die RH zusammen einen erheblichen Einfluss auf die Lebensfähigkeit von umhüllten Viren. Darüber hinaus kann der Inaktivierungsprozess auch durch das physikalische Verhalten von Viren beeinflusst werden, wie z. B. die Abtrennung der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche und die Bildung von Aggregaten, die aus Veränderungen der Tröpfcheneigenschaften resultieren. Bis heute ist die Rolle des pH-Werts (sowohl saures als auch basisches Verhalten) bei der Lebensfähigkeit des SARS-CoV-2-Virus weitgehend unbekannt und muss in Zukunft erforscht werden.

Erforderliche Ausrüstung für die Messung von ausgeschiedenen Virentröpfchen und Aerosolen Chemische Eigenschaften der Partikel

Die direkte Messung des pH-Werts von Aerosolen in Tröpfchen und Aerosolpartikeln ist äußerst schwierig, kann aber mit thermodynamischen Modellen auf der Grundlage der bekannten chemische Zusammensetzung und des Gleichgewichts zwischen Säuren und ihren konjugierten Basen geschätzt werden [55,56]. Kurz gesagt, es gibt zahlreiche mögliche spektroskopische und mikroskopische Techniken, einschließlich Elektronenmikroskopie, Röntgenmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie, Einzelpartikel- Aerosol-Massenspektroskopie und Raman-Mikroskopie, die für die Charakterisierung von Einzelpartikeln genutzt werden können. Diese können auch zur Erforschung der chemischen Eigenschaften von viralen Tröpfchen und Aerosolpartikeln aus der Atemluft des Menschen verwendet werden [55]. Die Time-of-flight-Sekundärionen- Massenspektrometrie (TOF-SIMS) kann auch für die Analyse von ausgeatmeten Partikeln und für die Identifizierung von Phospholipiden, die vor allem im Lungensurfactant vorkommen [57]. Unter diesen Phospholipiden wurde DPPC als Hauptbestandteil der Lungensurfactants angesehen. Jüngste Studien haben das Vorhandensein dieser pulmonalen Surfactants durch eine Kombination von verschiedenen Verfahren wie Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgel- Elektrophorese (SDS-PAGE) [58], Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS) und Triple-Quadrupol-Massenspektrometrie (TQMS) bestätigt. Darüber hinaus kann Gesundheit II (G-II), das hergestellt wurde, um das Influenzavirus in der Ausatemluft nachzuweisen, zur Untersuchung der Eigenschaften von viralen Aerosolpartikeln mit SARS-CoV-2 in der ausgeatmeten Luft genutzt werden [59]. Vor Kurzem hat ein europäisches Netzwerk damit begonnen, die chemische Zusammensetzung von Viruspartikeln zur Identifizierung der COVID-19-Krankheit mit Hilfe von Massenspektrometern in Echtzeit innerhalb von Sekunden zu untersuchen [60]. Dies ist ein Schritt nach vorn bei der Nutzung der vorhandenen Massenspektrometer im Bereich der Virologie.

Schlussfolgerungen

Wir haben die Auswirkungen der chemischen Eigenschaften der menschlichen Atemtropfen und Aerosolpartikel wie chemische Zusammensetzung und pH-Wert auf die Lebensfähigkeit von Viren in der Luft in Innenräumen hervorgehoben, was für das Verständnis des Übertragungsprozess von durch die Luft übertragenen Viren in Innenräumen und die Ergreifung der erforderlichen Maßnahmen zur Kontrolle der laufenden Pandemie entscheidend ist. Trotz mehrerer Studien, die sich mit den Auswirkungen der meteorologischen Parameter und der Größe auf die Übertragung von SARS-CoV-2 in Innenräumen beschäftigten, fanden wir nur wenige Studien zu den Auswirkungen der chemischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln auf die Lebensfähigkeit des Virus und die Übertragung in Innenräumen. Auf der Grundlage derbegrenzten vorhandenen Kenntnisse zeigte unsere Analyse, dass die chemischen Eigenschaften der viralen Tröpfchen und Aerosolpartikel eine entscheidende Rolle bei der Übertragung des Virus spielen. Die wichtigsten Ergebnisse sind: 1. Hoher organischer Gehalt in Viruströpfchen und Aerosolpartikeln begünstigt längeres Überleben des Virus durch Bildung einer glasartigen Struktur, die den Inaktivierungsprozess meist in trockenen Innenräumen einschränkt [3]. 2. Der umhüllte Bakteriophage Phi6 zerfiel bei niedrigeren und höheren pH-Werten deutlicher, während er bei einem neutralen pH-Wert von 7 lebensfähig blieb [13]. Weitere experimentelle und modellgestützte Forschungsstudien zu diesem Thema sind erforderlich, um unsere Hypothese und die von uns aufgestellten Thesen zu bestätigen. Außerdem legen wir Empfehlungen zur Verhinderung der Übertragung von SARS-CoV-2 über die Luft in Innenräumen nahe, insbesondere an schlecht belüfteten Orten wie bestimmten Krankenhäusern, Schulen und öffentlichen Gebäuden [61]. Im Kampf gegen COVID-19 werden das Verständnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Viruströpfchen und Aerosolpartikeln, die Verteilung von antiviralen Arzneimitteln in den Gemeinden in kürzerer Zeit und die Einbeziehung aller in Ahlawat et al. [61] vorgestellten Maßnahmen diese globale Bedrohung schließlich mindern. Autorenbeiträge: A. A. entwickelte die Idee für das Manuskript und führte die theoretische Analyse durch, schrieb das Manuskript und redigierte die endgültige Fassung des Manuskripts. S. K. M., H. H., P. R., T. G., V. G. und Y. S. trugen zur theoretischen Analyse bei und redigierten das endgültige Manuskript. A. W. beaufsichtigte die Arbeit und redigierte das endgültige Manuskript. Alle Autoren diskutierten die Struktur des Manuskripts und trugen zum endgültigen Manuskript bei. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und sind damit einverstanden.

Finanzierung: Für diese Forschung wurden keine externen Mittel bereitgestellt.

Erklärung des Institutional Review Board: Nicht zutreffend.

Erklärung zur Einwilligung nach Aufklärung: Nicht zutreffend.

Datenverfügbarkeitserklärung: Die in der Studie vorgestellten Originalbeiträge sind Teil des Artikels, weitere Anfragen können an
den entsprechenden Autor gerichtet werden.

Danksagungen: Die Autoren bestätigen, dass alle drei Abbildungen mit BioRender.com angelegt wurden (Zugriff am 8. Mai 2022).

Interessenkonflikt: Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen erfolgte,
die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.