Eine Betrachtung

Far-UVC – die UV-Strahlung der Zukunft?

UV-Strahlung wird eingesetzt, um Mikroorganismen abzutöten, doch kann sie auch dem Menschen schaden. Ob eine UV-Strahlung in einem anderen Wellenlängenbereich auch in Anwesenheit von Menschen eingesetzt werden könnte, dies beleuchten Professor Hessling und sein Team von der Technischen Hochschule Ulm.

© Technische Hochschule Ulm

Mit Far-UVC wird der Spektralbereich 200 – 230 nm bezeichnet. Im Gegensatz zur 254-nm-UVC-Emission von Quecksilberdampflampen soll Far-UVC-Strahlung Krankheitserreger inaktivieren, ohne dabei Menschen zu schädigen. Trotz bisheriger und vielversprechender Studien ist noch weitere wissenschaftliche und organisatorische Arbeit notwendig, bevor Far-UVC großflächig eingesetzt werden könnte. Langfristig könnten Far-UVC-Strahlungsquellen wie Kryptonchlorid-Lampen jedoch Quecksilberdampflampen ablösen und aufgrund ihres geringeren Risikos für Menschen neue Einsatzgebiete ermöglichen.

Seit Beginn der Coronapandemie im Dezember 2019 gehören Desinfektionsmaßnahmen und das Auftauchen immer neuer Ideen zur Eindämmung von Coronainfektionen weltweit zum Alltag. Einige der geäußerten Vorschläge sind kurios oder sogar bedenklich und manches klingt zu gut, um wahr zu sein. So wird zurzeit z. B. diskutiert, ob es UVC-Strahlung (ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge unter 280 nm) gibt, die nur Krankheitserreger wie Coronaviren zerstört, aber harmlos für Menschen ist.

Bisher wird UVC-Strahlung überwiegend von Quecksilberdampflampen erzeugt, die bei 254 nm emittieren, und es ist seit Jahrzehnten bekannt, dass diese Strahlung sehr stark antimikrobiell wirkt, weil sie die DNA und RNA der Erreger zerstört. Leider ist diese Strahlung aber auch sehr schädlich für menschliche Zellen, so dass UVC-Licht bisher praktisch kaum eingesetzt wird, wenn die Gefahr besteht, dass Menschen dieser Strahlung ausgesetzt werden.

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Die Idee, dass es kurzwelligeres UVC-Licht geben könnte, welches Mikroorganismen deutlich stärker schädigt als Zellen höherer Lebewesen, wurde bereits 2004 zum ersten Mal präsentiert [1], geriet jedoch zunächst in Vergessenheit. Erst etwa 10 Jahre später wurde der Ansatz erneut aufgegriffen und weiter untersucht [2, 3], aber außerhalb der Fachwelt wenig beachtet. Die Coronapandemie hat in den letzten Monaten für eine erhöhte Aufmerksamkeit für diesen Vorschlag gesorgt, da wichtige neue Anwendungsmöglichkeiten vorstellbar wären, wie z. B. die Bestrahlung von Räumen oder Aufzügen auch in der Anwesenheit von Menschen.

Wirkung der Far-UVC-Strahlung

Aber wieso sollte die 254-nm-Strahlung der Quecksilberdampflampe schädlicher sein als andere Wellenlängen im UVC-Bereich? Wie in Bild 1 zu erkennen ist, befindet sich der 254-nm-Emissionspeak in der Nähe eines DNA-Absorptionsmaximums, was der Grund für die starke antimikrobielle Wirkung dieser Strahlung ist. Im Vergleich zu kurzwelligerem UV-Licht ist die Absorption von Proteinen bei 254 nm gering.

Bild 1: Spektraler Verlauf von DNA- und Protein-Absorption sowie der Emission typischer Hg- und KrCl-Lampen (nach [4]). © Technische Hochschule Ulm

Mit Far-UVC wird der Spektralbereich 200 – 230 nm bezeichnet, und die stärksten zurzeit kommerziell verfügbaren Strahlungsquellen sind Kryptonchlorid (KrCl)-Excimerlampen mit einer Peakwellenlänge von 222 nm. Auch dieses Spektrum findet sich in Bild 1. Die DNA-Absorption ist bei dieser Wellenlänge etwas geringer, aber der größere Unterschied liegt in der deutlich höheren Absorption dieser Strahlung durch Proteine. Die Auswirkung dieser starken Proteinabsorption wird anhand von Bild 2 deutlich. Die menschliche Haut besteht aus mehreren Schichten. Die äußere ist das Stratum corneum (abgestorbene Hautzellen), die eine hohe Konzentration des Proteins Keratin enthält. Dieses Protein absorbiert Far-UVC-Strahlung, so dass nur ein geringer Anteil dieser Strahlung in die tieferen Hautschichten mit vitalen Zellen gelangt. In einem Selbstversuch haben britische Forscher ihre eigene Haut mit einer Far-UVC-Dosis von 18 000 mJ/cm2 bestrahlt, ohne dauerhafte Hautschäden zu beobachten [5]. Dieser Wert liegt um den Faktor 6 000 über der täglich maximal erlaubten 254-nm-Dosis von 3 mJ/cm2 [6].

Bild 2: Links: Absorption von Far-UVC-Strahlung in der obersten Schicht der menschlichen Haut; rechts: Transmission durch Bakterien und Viren ohne starke Absorption (nach [4]). © Technische Hochschule Ulm

Sogar freie menschliche Zellen – ohne eine solche Schutzschicht – sollen gegenüber Far-UVC widerstandsfähiger als gegenüber 254 nm sein, da der DNA-haltige Zellkern in der Regel von Proteinen umgeben ist, die die Strahlung zumindest teilweise absorbieren, so dass die DNA einer reduzierten Strahlungsintensität ausgesetzt ist [7].

Die diversen Krankheitserreger enthalten in der Regel auch Proteine und sind trotzdem nicht gegenüber Far-UVC geschützt. Das liegt nicht nur daran, dass sie keine Schutzschicht wie das Stratum corneum besitzen, sondern vor allem daran, dass sie viel kleiner sind. Das Volumen eines Bakteriums ist ca. eine Million mal kleiner als das einer menschlichen Zelle, und das Volumen eines Virus ist noch einmal um den Faktor 1 000 geringer als das eines Bakteriums. Damit findet kaum Far-UVC-Absorption durch Proteine statt und die Krankheitserreger werden wie bei 254 nm einfach durchstrahlt und dabei vor allem DNA und RNA geschädigt (Bild 2).

Bild 3. Vergleich der antimikrobiellen Wirkung von 222-nm- und 254-nm-Strahlung auf Staphylococcus carnosus. In beiden Fällen lassen sich bereits mit Bestrahlungsdosen unter 10 mJ/cm2 Reduktionen von mehr als drei Log-Stufen erreichen. © Technische Hochschule Ulm

Die antimikrobielle Wirkung von Far-UVC-Strahlung sollte daher ungefähr in derselben Größenordnung wie die Wirkung der klassischen 254-nm-UVC-Strahlung sein, wie in Bild 3 an Staphylococcus carnosus, einem nicht pathogenen Surrogate für den bekannten Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus, dargestellt wird. Die notwendigen Bestrahlungsdosen für eine Reduktion um 99,9 % (oder drei Log-Stufen) unterscheiden sich um etwas mehr als Faktor 2. D. h., die 254-nm-Strahlung wirkt stärker antimikrobiell, aber die notwendigen Bestrahlungsdosen für 222 nm und 254 nm liegen etwa in derselben Größenordnung, was auch bereits für andere Mikroorganismen beobachtet wurde [4].

Bild 4: Links: Far-UVC-Bestrahlung einer menschlichen Hand mit ca. 100mJ/cm2; rechts oben: Agarplatte eines Abdrucks von drei Fingern der unbestrahlten Hand; rechts unten: Agarplatte eines Abdrucks von drei Fingern der bestrahlten Hand mit deutlich reduzierter Anzahl an Kolonien. © Technische Hochschule Ulm

Diese Eigenschaften von Far-UVC-Strahlung, effektiv gegen Mikroorganismen zu wirken, ohne die menschliche Haut zu schädigen, macht Experimente wie das folgende möglich: Eine Hand wird mit einer Far-UVC-Dosis von knapp 100 mJ/cm2 bestrahlt (Bild 4, links). Die andere Hand wird nicht bestrahlt. Drei Finger von beiden Händen werden auf je eine Agarplatte gedrückt und ca. 24 h bei 37 °C bebrütet. Das Ergebnis findet sich rechts in Bild 4, wobei oben die Agarplatte zur unbestrahlten und unten die Platte zur bestrahlten Hand gehört. Die Anzahl der sichtbaren Kolonien auf der unteren Agarplatte ist um ca. 1 – 2 Größenordnungen reduziert, ohne dass die bestrahlte Hand Reaktionen wie Rötung gezeigt hat. Letzteres war auch nicht zu erwarten, da nur ca. 2 % der in [5] genannten Dosis angewendet wurde.

Aktueller Stand gemäß Studien

Alle bisher genannten Fakten sprechen dafür, dass eine antimikrobielle Far-UVC-Bestrahlung in Anwesenheit von Menschen möglich ist und dass diese Strahlung auch gegen Coronaviren eingesetzt werden könnte. Trotzdem wird dieser Ansatz aus verschiedenen Gründen keine schnelle und großflächige Maßnahme gegen die aktuelle Coronapandemie sein: Denn im Gegensatz zu Quecksilberdampflampen gibt es bisher weltweit für Far-UVC-Strahlungsquellen nur sehr wenige Hersteller, zu denen die Firma Ushio gehört, deren Geräte auch für fast alle aktuellen Studien verwendet wurden. Wenn neue Geräte anderer Hersteller auf den Markt kommen, muss überprüft werden, ob diese auch keine schädigende Wirkung auf Menschen zeigen. Kritisch sind dabei unerwünschte Emissionen über 230 nm, die tiefer in menschliche Haut eindringen und dort Zellen schädigen könnten [5, 8]. Diese unerwünschten spektralen Anteile müssen mit geeigneten Filtern geblockt werden.

Alle bisherigen Studien, die mit KrCl-Lampen und Filtern gegen Emissionen über 230 nm durchgeführt wurden, kommen zu dem Schluss, dass diese Strahlung antimikrobiell wirkt, aber den Menschen nicht schädigt [4, 9]. Allerdings gibt es bisher noch nicht viele Studien, die an menschlicher Haut erfolgten, und die existierenden Untersuchungen erfolgten an gesunder Haut und über einen relativ kurzen Zeitraum. Für eine längere Anwendung mit höheren Dosen oder für besonders dünne oder krankhaft veränderte Haut gibt es bislang keine Ergebnisse. Auch nicht für die Frage, wie sich das Hautmikrobiom durch Bestrahlung verändert und ob z. B. strahlungsresistentere Mikroorganismen dazukommen und aktuelle „Hautbewohner“ unerwünscht verdrängen.

Außer der Haut sind vor allem die Augen einer möglichen Far-UVC-Strahlung ausgesetzt. Aufgrund von Untersuchungen an Tieren ist anzunehmen, dass die Strahlung von Tränenfilm und äußeren Hornhautschicht absorbiert wird, ohne dass sie einen dauerhaften Schaden anrichtet [10]. Studien an menschlichen Augen haben allerdings noch nicht stattgefunden.

Neben diesen noch offenen wissenschaftlichen Fragen gibt es auch noch regulatorische Aspekte zu beachten. Die aktuellen Richtlinien zum Schutz vor Strahlung [6] erlauben nur eine maximale tägliche 222-nm-Far-UVC-Dosis von ca. 23 mJ/cm2. D. h., selbst wenn es sich bestätigen sollte, dass der Mensch höhere Dosen verträgt, wird es eine Zeit dauern, bis solche Bestrahlungen auch erlaubt sind.

Schlussfolgerung

Far-UVC scheint schonender für den Menschen zu sein als die bisher eingesetzte 254-nm-Strahlung von Quecksilberdampflampen. Es ist derzeit aber noch unklar, ob Far-UVC nicht doch noch mit gesundheitlichen Risiken verbunden ist.

Für die Eindämmung der aktuellen Corona- pandemie ist Far-UVC schon aus organisatorischen Gründen kaum einsetzbar. Abgesehen davon, dass nicht genug Far-UVC-Strahlungsquellen vorhanden sind, gibt es keine Richtlinien, die ihren Einsatz erlauben würden. Wenn sich aber die bisher positiven Ergebnisse in weiteren Untersuchungen bestätigen, könnten Far-UVC-Lichtquellen wie KrCl-Lampen die UVC-Strahlungsquellen der Zukunft werden und möglicherweise sogar zur Bekämpfung einer nächsten Pandemie eingesetzt werden.

AUTOREN
Prof. Dr. Martin Hessling, M. Eng. Robin Haag, M. Sc. Nicole Fehler, M. Eng. Ben Sicks, B. Sc. Anna-Maria Gierke, Dr. Petra Vatter
Technische Hochschule Ulm
Institut für Medizintechnik und Mechatronik
Albert-Einstein-Allee 55
D-89081 Ulm
info@thu.de
www.thu.de

Literatur/Quellen
[1] Sosnin EA, Stoffels E, Erofeev MV, Kieft IE, Kunts SE. The Effects of UV Irradiation and Gas Plasma Treatment on Living Mammalian Cells and Bacteria: A Comparative Approach. IEEE Trans. Plasma Sci. 2004;32:1544–50. doi: 10.1109/TPS.2004.833401.

[2] Buonanno M, Randers-Pehrson G, Bigelow AW, Trivedi S, Lowy FD, Spotnitz HM, et al. 207-nm UV light - a promising tool for safe low-cost reduction of surgical site infections. I: in vitro studies. PLoS ONE. 2013;8:e76968. doi: 10.1371/journal.pone.0076968.

[3] Buonanno M, Stanislauskas M, Ponnaiya B, Bigelow AW, Randers-Pehrson G, Xu Y, et al. 207-nm UV Light-A Promising Tool for Safe Low-Cost Reduction of Surgical Site Infections. II: In-Vivo Safety Studies. PLoS ONE. 2016;11:e0138418. doi: 10.1371/journal.pone.0138418.

[4] Hessling M, Haag R, Sieber N, Vatter P. The impact of far-UVC radiation (200-230 nm) on pathogens, cells, skin, and eyes - a collection and analysis of a hundred years of data. GMS Hyg Infect Control. 2021;16:Doc07. doi: 10.3205/DGKH000378.

[5] Eadie E, Barnard IMR, Ibbotson SH, Wood K. Extreme Exposure to Filtered Far-UVC: A Case Study†. Photochem Photobiol 2021. doi: 10.1111/php.13385.

[6] Richtlinie 2006/25/EG über Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen (künstliche optische Strahlung). In: Amtsblatt der Europäischen Union; 2006. 38-59.

[7] Coohill TP. Virus-cell interactions as probes for vacuum-ultraviolet radiation damage and repair. Photochem Photobiol. 1986;44: 359–63. doi:10.1111/j.1751-1097.1986.tb04676.x.

[8] Buonanno M, Welch D, Brenner DJ. Exposure of Human Skin Models to KrCl Excimer Lamps: The Impact of Optical Filtering†. Photochem Photobiol. 2021;97:517–23. doi:10.1111/php.13383.

[9] International Ultraviolet Association. Far UV-C Radiation: Current State-of Knowledge (White Paper). Chevy Chase (MD) USA; 2021.

[10] Kaidzu S, Sugihara K, Sasaki M, Nishiaki A, Ohashi H, Igarashi T, Tanito M. Re-Evaluation of Rat Corneal Damage by Short-Wavelength UV Revealed Extremely Less Hazardous Property of Far-UV-C†. Photochem Photobiol. 2021;97:505–16. doi: 10.1111/php.13419.

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