In-vitro-Test der Salzbeschichtung von Stoffen als potenzielles antivirales Mittel in wiederverwendbaren Gesichtsmasken

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17041 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Während der Coronavirus-Pandemie (COVID-19) wurde das Tragen von Gesichtsmasken im öffentlichen Raum in den meisten Ländern zur Pflicht. Das Risiko einer Selbstkontamination beim Umgang mit Gesichtsmasken, das zu den ersten Bedenken zählte, kann durch das Hinzufügen antiviraler Beschichtungen auf den Masken gemindert werden. In der vorliegenden Studie haben wir die antivirale Wirksamkeit von Natriumchlorid untersucht, das auf einem Stoff abgelagert wurde, der für die Herstellung wiederverwendbarer Stoffmasken geeignet ist, und zwar unter Verwendung von Techniken, die an die häusliche Umgebung angepasst sind. Wir haben acht Beschichtungsbedingungen getestet, die sowohl Sprüh- als auch Tauchmethoden sowie drei Salzverdünnungen umfassten. Partikel des Influenza-A-H3N2-Virus wurden direkt auf den salzbeschichteten Materialien inkubiert, gesammelt und menschlichen 3D-Atemwegsepithelkulturen zugesetzt. Die Replikation lebender Viren im Epithel wurde über die Zeit in gesammelten apikalen Waschflüssigkeiten quantifiziert. Im Vergleich zum unbeschichteten Material reduzierten Salzablagerungen von 4,3 mg/cm2 oder mehr die Virusreplikation deutlich. Allerdings blieb die Wirksamkeit der Beschichtung auch bei größeren Salzmengen von der Kristallgröße und -verteilung abhängig, die wiederum von der Beschichtungstechnik abhing. Diese Ergebnisse bestätigen die Eignung der Salzbeschichtung als antiviralen Schutz auf Stoffmasken, unterstreichen aber auch, dass dem Beschichtungsprotokoll bei der Entwicklung von Verbraucherlösungen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte.

Als Reaktion auf die Coronavirus-Pandemie (COVID-19) und gemäß den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation1 haben die meisten Länder Strategien und Richtlinien entwickelt, um die Übertragung des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) im Allgemeinen zu kontrollieren Bevölkerung. Zusätzlich zur sozialen Distanzierung fördern oder schreiben die Richtlinien die Verwendung von Gesichtsmasken (entweder Einweg- oder Mehrwegmasken) an öffentlichen Orten2 vor. Dies hat dazu geführt, dass die allgemeine Bevölkerung zunehmend Gesichtsmasken verwendet, um die Übertragung von Atemwegserkrankungen einzudämmen. Die Verwendung von nicht-medizinischen, wiederverwendbaren Gesichtsmasken aus Stoff3, unabhängig davon, ob sie selbst hergestellt oder kommerziell hergestellt wurden, war eine akzeptierte Lösung für den anfänglichen Mangel an Einweg-Gesichtsmasken4 und wurde sofort als Potenzial zur Verbesserung der Nachhaltigkeit der festgelegten Richtlinien für die öffentliche Gesundheit erkannt . Der Schutz, den wiederverwendbare Gesichtsmasken vor der Übertragung von Viren bieten, hängt von ihrer Filterleistung für Partikel mit einem Durchmesser von 1–3 μm ab5,6, die je nach dem für ihre Herstellung verwendeten Material stark schwankt7,8,9,10,11. Über 3 μm liegt die Filtereffizienz bei den meisten gängigen Textilien in der Regel bei 100 %10, was zu einer effizienten Blockierung aller Partikel mit einem Durchmesser > 3 μm führt, die mit der Maske in Kontakt kommen könnten. Da Partikel dieser Größe große Viruslasten übertragen können12, kann die Beschichtung der Oberfläche der Maske mit einem antiviralen Mittel die Übertragung von Fomiten verringern.

In der Anfangsphase der COVID-19-Pandemie haben Bedenken hinsichtlich des Risikos einer Selbstkontamination1 eine Debatte darüber entfacht, ob die ungeschulte Allgemeinbevölkerung Gesichtsmasken tragen sollte, da die Angst vor einer Selbstkontamination die Vorteile ihrer Verwendung zunichte macht13. In diesem Zusammenhang befürwortete die wissenschaftliche Gemeinschaft nachdrücklich das Tragen von Masken14,15, was durch Studien16,17 und mathematische Modelle18,19 gestützt wurde. Daher kann die Beschichtung der Maskenoberfläche mit antiviralen Wirkstoffen dazu beitragen, die indirekte Übertragung von Atemwegsviren zu reduzieren20,21,22. Metalle und Metalloxide, antimikrobielle Polymere, photoreaktive oder aus Kohlenstoff gewonnene Materialien und Biomoleküle wurden als antivirale Maskenbeschichtungen in Betracht gezogen23,24,25,26,27 und wurden ausführlich überprüft13,28,29. Quan et al.20 beschrieben eine einfache Methode zur Beschichtung von chirurgischen Gesichtsmasken aus nicht gewebtem (schmelzgeblasenem) Polypropylen mit Natriumchlorid (NaCl). Sie berichteten, dass H1N1-Influenza-Viruspartikel durch physikalische Zerstörung ihres Kapsids innerhalb von 5 Minuten aufgrund der lokalen Auflösung und Rekristallisation des beschichteten Salzes bei Benetzung mit virusbeladenen Aerosolen inaktiviert wurden20,30. Diese Beschichtung war stabil und behielt ihre Wirksamkeit auch nach Lagerung unter rauen Bedingungen20. Die Autoren zeigten später, dass Salzbeschichtungen inerte Membranen für die effiziente Erfassung und Inaktivierung luftübertragener Krankheitserreger funktionalisieren31. Für den Einsatz in antiviralen Beschichtungen ist NaCl sicher, kostengünstig, leicht erhältlich und könnte in nichtprofessionellen Umgebungen für die Herstellung sowohl hausgemachter als auch kommerzieller wiederverwendbarer Gesichtsmasken verwendet werden.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die von Quan et al.20 beschriebene Salzlösungsformel zur Beschichtung wiederverwendbarer Gesichtsmasken aus gewöhnlichen Stoffen weiter zu bewerten. Da Stoffmasken zur Wiederverwendung regelmäßig gewaschen werden, müssen die Benutzer die antivirale Salzbeschichtung nach jedem Waschen erneuern. Daher haben wir untersucht, ob für den Heimgebrauch geeignete Salzablagerungsmethoden, d. h. Sprühen und Eintauchen, und gängige Stoffe, die für die Herstellung wiederverwendbarer Gesichtsmasken10 empfohlen werden, die antiviralen Eigenschaften der abgeschiedenen Salzschicht beeinflussen würden.

Als Testgewebe wählten wir ein universelles Haushaltsreinigungstuch aus und beschichteten es durch automatisierte, kontrollierte Sprüh- oder Tauchanwendung mit inkrementellen Salzkonzentrationen. Die Menge des abgeschiedenen Salzes sowie die Kristallgröße und -verteilung wurden bewertet, um die Beschichtungsbedingungen vor der Virusexposition zu charakterisieren. Die antiviralen Eigenschaften der Beschichtungen wurden durch In-vitro-Bioassays unter Verwendung des Influenza-A-H3N2-Virus (A/H3N2, Familie Orthomyxoviridae, Gattung Alfainfluenzavirus, Spezies Influenza-A-Virus, Serotyp H3N2) getestet und verglichen, das in einem dreidimensionalen (3D) Lungenepithelgewebe kultiviert wurde Kulturmodell.

Es wurden fünf Sprüh- und drei Tauchbeschichtungsbedingungen definiert. Die Sprühabscheidung mit der Salzformulierung, die Tween-20 als Benetzungsmittel20 enthielt, wurde durchgeführt, ein Stück Stoff pro Bedingung, unter Verwendung einer Sprühvorrichtung, deren Ventilöffnung entsprechend den willkürlichen Hubeinheiten 1, 3, 5 und 10 geändert wurde, gekennzeichnet mit Spr S1 , Spr S3, Spr S5 bzw. Spr S10. Die Sprayformulierung wurde für eine zusätzliche Probe mit Stroke Unit 3 (Spr S3 Dil5 ×) fünffach verdünnt. Die Tauchbeschichtung wurde auf drei Materialstücken pro Bedingung mit der unverdünnten (Dip No Dil), fünffach (Dip Dil5 ×) und zehnfach verdünnten Salzformulierung (Dip Dil10 ×) durchgeführt. Die auf dem Stoff abgelagerte Salzmenge (mg/cm2), die Verteilung und Größe der Salzkristalle wurden gemessen, um jeden Beschichtungszustand zu charakterisieren, bevor er Viruspartikeln ausgesetzt wurde.

Die Sprüh- und Tauchbeschichtungsmethoden führten zu einem linearen Anstieg der auf den Stoffen abgelagerten Salze im Verhältnis zur angewandten Hubeinheit oder zur Verdünnung der Salzkonzentration der Tauchlösung (Abb. 1).

Auf sprüh- und tauchbeschichteten Stoffen abgelagerte Salzkonzentrationen (Natriumchlorid, NaCl). Für die Spr-Behandlungen wurde ein einzelnes Stück Material (42,25 cm2) vorbereitet und drei Stücke (1 cm2-Replikate) daraus herausgeschnitten. Für die Tauchbehandlungen wurden drei Proben (7,5 cm2) separat vorbereitet. (a) Sprühbeschichtung mit den Hubeinheiten 1, 3, 5 und 10. Regressionsgeradengleichung: Y = 2,0805x − 2,076; R2 = 0,9774; R = 0,9886; P < 0,05. (b) Tauchbeschichtung mit einer Salzlösung, verdünnt 10 ×, 5 × oder ohne Verdünnung. Bei den Daten handelt es sich um Mittelwerte ± Standardabweichungen. Gleichung der Regressionslinie: Y = 45,256x + 0,3492; R2 = 0,9968; R = 0,9984; P < 0,0001. Die gewogenen Salzkonzentrationen werden angezeigt und in Milligramm pro Quadratzentimeter ausgedrückt.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen des Testmaterials (Abb. 2) zeigen, dass nach der Abscheidung und Verdampfung sowohl die Sprüh- als auch die Tauchbeschichtungsmethode eine verteilte Streuung von Kristallen entlang der Stofffasern erzeugte.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Testmaterial, das im Sprüh- und Tauchverfahren mit Salz beschichtet wurde. Die Salzformulierung wurde unverdünnt oder verdünnt verwendet. Sprühbehandlungen ermöglichten die Ablagerung zunehmender Salzmengen durch Variation der Ventilöffnung der Sprühvorrichtung entsprechend willkürlichen Hubeinheiten. (a) Unbeschichtet, (b) Spray, unverdünnte Salzformulierung, Hubeinheit 1 (Spr S1), (c) Spray, fünffach verdünnte Salzformulierung, Hubeinheit 3 (Spr S3 Dil5 ×), (d) Spray, unverdünnt Salzformulierung, Stricheinheit 3 (Spr S3), (e) Spray, unverdünnte Salzformulierung, Stricheinheit 5 (Spr S5), (f) Spray, unverdünnte Salzformulierung, Stricheinheit 10 (Spr S10). Für Tauchbehandlungen wurden die Testmaterialien in (g) zehnfach verdünnte (Dip Dil10 ×), (h) fünffach verdünnte (Dip Dil5 ×) und (i) unverdünnte (Dip No Dil) Salzformulierungen getaucht. Pfeile auf den Bildern weisen auf Beispiele von Salzkristallen und -aggregaten hin, die auf den Testmaterialien gefunden wurden.

Die Kristallgröße wurde durch die Sprühdurchflussrate beim Sprühbeschichtungsverfahren und durch die Verdünnungsrate der Tauchlösung beim Tauchbeschichtungsverfahren bestimmt. Bei der Sprühbeschichtungsmethode führten niedrige Flussraten zu kleinen, monodispersen Kristallen, wohingegen sich bei höheren Flussraten nach dem Trocknen der auf der Stoffoberfläche abgelagerten koaleszierten Flüssigkeit größere, polydispersere Kristalle bildeten.

Die unbeschichtete Probe (Abb. 2a) und die Proben mit den niedrigsten abgeschiedenen Volumina, Spr S1 (Abb. 2b) und Spr S3 Dil5 × (besprüht mit einem höheren Volumen, aber einer geringeren Salzkonzentration; Abb. 2c), hatten ein ähnliches Aussehen. Auf den Fasern der Spr S1- und Spr S3 Dil5 ×-Proben wurden nur sehr wenige Salzkristalle verstreut beobachtet. Obwohl durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) nicht sichtbar, waren Salzkristalle auf den Fasern der Spr S1- und Spr S3 Dil5 ×-Proben vorhanden, was durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) bestätigt wurde (Ergänzende Abbildungen S1a und b). , jeweils). Bei den mittleren Sprühvolumina Spr S3 und Spr S5 waren Salzkristalle auf rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen deutlicher sichtbar; Sie bildeten kleine Aggregate entlang der Fasern, deutlicher in Spr S3-Proben als in Spr S5-Proben (Abb. 2d bzw. e). Beim höchsten Sprühvolumen, dh bei Spr S10-Proben (Abb. 2f), bildeten sich große Kristalle, die mehrere Fasern umhüllten. In Spr S3-, Spr S5- und Spr S10-Proben waren zusätzlich zu den durch REM beobachteten großen Kristallen kleine Salzkristalle entlang der Fasern im gesamten Material verteilt, wie durch EDX gezeigt (ergänzende Abbildung S1c – e).

Bei der Tauchbeschichtungsmethode führten sowohl verdünnte (Dip Dil10 × und Dip Dil5 ×) als auch unverdünnte (Dip No Dil) Lösungen (Abb. 2g–i) zur Bildung von Salzkristallen, die die Fasern bedeckten. Wie bei den besprühten Testproben variierte die durchschnittliche Kristallgröße auf tauchbeschichteten Fasern mit der Salzkonzentration in der Lösung. Die Dip Dil10 ×-Probe zeigte mittelgroße Salzkristalle (Abb. 2g), wohingegen die Dip No Dil-Probe durch sehr große Salzkristalle gekennzeichnet war, die die Fasern vollständig bedeckten (Abb. 2i). Stark mit Salz beschichtete Testmaterialien, z. B. Spr S10- und Dip No Dil-Proben, wurden bei der Handhabung sehr steif. Bei niedrigeren Salzkonzentrationen wurde eine solche Versteifung nicht beobachtet.

Nach direktem Kontakt mit den beschichteten Proben wurden Viruspartikel gesammelt und zur Beimpfung menschlicher Atemwegsepithelzellkultureinsätze von MUCILAIR verwendet. Das gleiche Protokoll wurde mit Stoffproben durchgeführt, die mit einer 1 %igen Tween-20/Wasser-Lösung mit den Strichen 3, 5 und 10 (Tween Str3, Tween Str5 und Tween Str10) sprühbeschichtet wurden. Die Integrität des Epithels im Verlauf der Virusinfektion wurde durch Messung des transepithelialen Widerstands (TEER) im Vergleich zu unbehandelten, nicht infizierten Kulturen (Mock) und direkt infizierten Kulturen (keine Maske) überwacht. TEER ist eine dynamische und nicht-invasive Messung, die die Integrität des Epithels widerspiegelt und in unbeschädigten MUCILAIR-Kulturen typischerweise zwischen 200 und 600 Ω·cm2 liegt32. Störungen der Zellverbindungen und das Vorhandensein von Löchern im Epithel führen zu TEER-Werten unter 100 Ω·cm2.

24 Stunden nach der Virusinfektion zeigten alle MUCILAIR-Epithelien TEER-Werte, die mit denen der Scheinkontrolle vergleichbar waren (Abb. 3). 72 Stunden nach der Infektion (hpi) sanken die TEER-Werte unter der Kontrollbedingung ohne Maske auf unter 100 Ω·cm2, was auf eine schwere Störung der Epithelstruktur aufgrund der intensiven Virusreplikation hinweist. Im Durchschnitt behielten alle mit dem nach der Inkubation mit den behandelten Testmaterialien gesammelten Viren beimpften Kulturen TEER-Werte bei, die mit denen der Scheinkontrolle vergleichbar waren. Unter Testbedingungen mit den niedrigsten Salzkonzentrationen (Spr S1 und Spr S3Dil5 ×) und Tween-20 (Tween Str3 und Tween Str5) wies jedoch eine Replikatkultur in jeder Behandlungsgruppe einen TEER-Wert unter 100 Ω·cm2 auf. Im Gegensatz dazu wiesen alle Replikatkulturen unter den Testbedingungen mit höheren Salz- und Tween-20-Konzentrationen TEER-Werte auf, die denen der Scheinkontrolle ähnelten. Bei 144 hpi wurde die Gewebeintegrität unabhängig von den Testbedingungen in allen Kulturen durch eine Virusinfektion stark beeinträchtigt.

Messungen des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) in MUCILAIR-Epithelien 24, 72 und 144 Stunden nach der Infektion. Mittelwerte ± Standardfehler werden angezeigt; n = 3 bei allen Behandlungen, außer bei nicht beschichteten Proben (n = 5). Die gestrichelte Linie stellt die 100 Ω·cm2-Grenze der Gewebeintegrität dar. Schein-, nicht infizierte, nicht behandelte Kontrollkultur; Als Positivkontrolle wurde das Waschmittel Triton X-100 verwendet.

Eine vergleichende Analyse der Virusreplikation in Zellen konnte nur 24 und 72 Stunden nach der Infektion durchgeführt werden; In keiner der Proben waren Kopien des viralen Genoms vor 24 Stunden nachweisbar. Über 72 hpi hinaus nahm die Virusreplikation in Zellen im Kontrollzustand ohne Maske deutlich ab und erreichte in der nicht beschichteten Probe ein Plateau, was den Vergleich zwischen den Behandlungen verzerrte (Daten nicht gezeigt), wie es zuvor bei diesem Epithelsystem festgestellt wurde32.

Bei 24 hpi konnten virale Genomkopien in zellapikalen Waschungen nachgewiesen und quantifiziert werden, die aus der Kontrolle ohne Maske und den mit den niedrigsten Salz- (Spr S1, Spr S3Dil5 × und Spr S3) und Tween-20-Konzentrationen (Tween Str3 und Tween Str5), jedoch nicht aus den anderen Proben (Abb. 4a, c).

TAQMAN-Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion zur Bestimmung der Genomkopiezahlen (GC) des A/H3N2-Virus im apikalen Medium infizierter MUCILAIR-Epithelien nach direktem Kontakt des Virus mit einem unbeschichteten Testmaterial oder einem mit verschiedenen Konzentrationen beschichteten Testmaterial Salz oder Tween. (a) Salzbeschichtungen, log10 A/H3N2 GC-Zahl/ml, quantifiziert 24 und 72 Stunden nach der Infektion. (b) Salzbeschichtungen, Virusreplikation 72 Stunden nach der Infektion. (c) Tween-Beschichtungen, log10 A/H3N2-GC-Zahl/ml, quantifiziert 24 und 72 Stunden nach der Infektion. (d) Tween-Beschichtungen, Virusreplikation 72 Stunden nach der Infektion. Die Daten werden als Prozentsatz relativ zum Mittelwert der log10 A/H3N2-Virus-GC-Zahl/ml ausgedrückt, der in der infizierten, nicht beschichteten Behandlungsgruppe quantifiziert wurde und auf 100 % normalisiert wurde. Mittelwerte ± Standardfehler werden angezeigt; n = 3 bei allen Behandlungen, außer bei unbeschichtet (n = 5). *P < 0,05.

72 Stunden nach der Infektion wurde das Virus in apikalen Waschungen aller Beschichtungsbehandlungsgruppen nachgewiesen. Allerdings wirkten sich alle Behandlungen, auch ohne Beschichtung (nicht beschichtet), auf die Virusreplikation aus, was sich in einer Abnahme der Kopienzahlen des viralen Genoms in den apikalen Waschungen der Zellkultur im Vergleich zu denen in der infizierten Kontrollkultur widerspiegelt (Kontrolle ohne Maske, Abb . 4b). Im Vergleich zum unbeschichteten Zustand übte die Salzbeschichtung unter den Behandlungen Spr S3, Spr S10, Dip No Dil und Dip Dil10 × eine zusätzliche, deutliche antivirale Wirkung aus, die für Spr S3 (P = 0,0269) und Dip No Dil (P) signifikant war = 0,0454). Die niedrigsten Zahlen an A/H3N2-Genomkopien wurden in apikalen Waschungen erhalten, die aus den Spr S3- und Dip No Dil-Kulturen gesammelt wurden, die log10-Reduktionen der Genomkopienzahlen um 4,31 bzw. 3,95 im Vergleich zu denen in den infizierten, nicht infizierten Kulturen aufwiesen. beschichtete Behandlungskulturen. Obwohl statistisch nicht signifikant, war der Rückgang der Virusreplikation unter den Behandlungen Spr S10, Dip Dil 5 × und Dip Dil immer noch bemerkenswert, mit log10-Reduktionen von 3,5, 2,99 bzw. 3,65. Wir beobachteten keine eindeutige Korrelation zwischen der Salzkonzentration in der Beschichtung und den Kopien des Virusgenoms, da die besten Ergebnisse mit Spr S3- und Dip No Dil-Proben mit Salzkonzentrationen von 4,73 bzw. 45,54 mg/cm2 erzielt wurden. Eine relevante antivirale Aktivität schien ab einem bestimmten Schwellenwert von Salzablagerungen auf der Materialoberfläche erreicht zu werden. Die Spr S5-Behandlung war die einzige Ausnahme von dieser Beobachtung, von der man hätte erwarten können, dass sie zu einer deutlicheren Verringerung der Genomkopienzahlen führt. Dennoch zeigten zwei der drei Replikate deutliche log10-Reduktionen der Genomkopienzahlen um 3,74 und 3,54, wohingegen nur ein Replikat keine Auswirkung auf die Virusreplikation zeigte.

Unter den Tween-20-Testbedingungen (Abb. 4c, d) beeinflusste nur die höchste Konzentration von Tween-20, d. h. die Tween-Str10-Behandlung, die Virusreplikation deutlich, mit einer log10-Reduktion der Genomkopienzahlen um 3,57 im Vergleich dazu der unbeschichteten Prüfkörper.

Da die Quantifizierung der Virusgenomkopie in Zellapikalwaschungen möglicherweise kein vollständiger Indikator für das Infektiositätspotenzial der Viruspartikel ist, haben wir die 50 %ige Gewebeinfektiositätsdosis (TCID50) für ausgewählte Testbedingungen (Abb. 5) durch zellbasierte Durchführung bestimmt Virustitrationen in Madin-Darby-Hundenierenzellen, die mit cDNA transfiziert wurden, die für menschliche α-2,6-Sialyltransferase (MDCK-SIAT1) kodiert.

A/H3N2-Virustiter im apikalen Medium von infizierten MUCILAIR-Epithelien nach direktem Kontakt des Virus mit einem unbeschichteten Testmaterial oder Testmaterial, das mit verschiedenen Salzkonzentrationen beschichtet ist, bestimmt 72 Stunden nach der Infektion. Die Daten werden als Prozentsatz relativ zum Mittelwert von log10 TCID50/ml in der infizierten, nicht beschichteten Behandlungsgruppe ausgedrückt, der auf 100 % normalisiert wurde. Mittelwerte ± Standardfehler werden angezeigt; n = 3. **P < 0,01; ***P < 0,001.

Wie zuvor für die Anzahl der Genomkopien beobachtet, waren die Virustiter unter den Testbedingungen Spr S3 (P = 0,000752) und auch unter den Bedingungen Spr S10 (P = 0,00318) und Dip Dil 10 × (P = 0,000856) signifikant niedriger als unter den Bedingungen ohne -beschichteter Testzustand. Die Ergebnisse des TCID50-Tests stimmten mit denen der quantitativen Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) überein, die auf einen deutlichen Rückgang der Anzahl der Viruspartikel hindeuteten, die nach 10 Minuten direktem Kontakt mit dem Virus überleben und sich replizieren konnten salzbeschichtete Stoffe.

Um Viruspartikel zu sammeln, wurde das beimpfte Testmaterial 5 Minuten lang in Zellmedium inkubiert. Obwohl die virushaltige Lösung vor der Zellinfektion 1:10 mit Zellmedium verdünnt wurde, lag der Salzgehalt in den meisten Zellproben immer noch über der Isotonie (Ergänzungstabelle S1) und könnte das Eindringen des Virus in die Zellen beeinträchtigt haben. Um zu verifizieren, dass die Virusdeaktivierung ausschließlich auf den direkten Kontakt der Viruspartikel mit dem salzbeschichteten Gewebe zurückzuführen ist und nicht während des Sammelschritts oder der Inokulationsphase des MUCILAIR-Epithels stattfand, haben wir A/H3N2-Viruspartikel in 0,9 %, 3,5 % inkubiert %, und 35 %ige Salzlösungen. Die virale Infektiosität wurde durch die Behandlung nicht beeinträchtigt und virale Genomkopien konnten unter allen Testbedingungen bereits bei 24 hpi quantifiziert werden (Abb. 6a).

Einfluss der Virus-Vorinkubation in hypertonen Salzlösungen auf die Virusreplikation in Zellen. (a) TAQMAN-Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion zur Bestimmung von Genomkopien (GC) des A/H3N2-Virus im apikalen Medium infizierter MUCILAIR-Epithelien nach Inkubation des Virus in Salzlösungen verschiedener Konzentrationen. Die Daten werden als log10 A/H3N2-GC-Zahl/ml ausgedrückt und 24 und 72 Stunden nach der Infektion quantifiziert. Mittelwerte ± Standardfehler werden angezeigt; n = 3. (b) Messungen des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) in MUCILAIR-Epithelien 24, 72 und 144 Stunden nach der Infektion. Mittelwerte ± Standardfehler werden angezeigt; n = 3. Die gepunktete Linie stellt die 100 Ω·cm2-Grenze der Gewebeintegrität dar. Schein-, nicht infizierte, nicht behandelte Kontrollkultur; Triton X-100, Reinigungsmittel, das als Positivkontrolle verwendet wurde.

Bei 72 hpi stieg die Anzahl der Genomkopien unter den drei Testbedingungen mit Kochsalzlösung um den log10-Faktor 2–3 an, ähnlich wie im Kontrollmedium. Die TEER-Ergebnisse bestätigten, dass die Kochsalzbehandlungen bei der Kontrolle der Virusinfektion unwirksam waren. Wie im Kontrollmedium sanken die TEER-Werte in den drei Kochsalz-Testgruppen bereits bei 72 hpi auf unter 100 Ω·cm2 (Abb. 6b). In allen Proben wurde die epitheliale Integrität aufgrund der ausgedehnten Virusreplikation schnell gestört, selbst nach 10-minütiger Inkubation des Virus in einer gesättigten Salzlösung (Kochsalzlösung 35 %).

Die vorliegende Studie erweiterte die Erkenntnisse von Quan et al.20 zu Materialien mit guten Partikelfiltrationseigenschaften, die gewaschen und in wiederverwendbare Gesichtsmasken integriert werden können10. Darüber hinaus verwendeten wir Salzbeschichtungstechniken, die im Haushalt anwendbar sind. Schließlich haben wir die antivirale Eigenschaft der Salzbeschichtung in einer einfachen Laborumgebung in menschlichen, nicht modifizierten 3D-Atemwegsepithelien überprüft33,34. Dieses Testmodell könnte auf andere Arten antiviraler Beschichtungen auf verschiedenen Materialien anwendbar sein.

Die beiden Methoden der Salzabscheidung, Sprüh- und Tauchbeschichtung, führten zur Bildung von Kristallen auf den Stoffoberflächen, wobei die Größe der Salzkristalle von der Verdünnung und dem Volumen abhängt. Mit Ausnahme der Beschichtungsbedingungen mit der niedrigsten Konzentration, Spr S1 und Spr S3 Dil5 ×, die unwirksam waren, obwohl das Salz gut auf den Stoffproben verteilt war, führten alle anderen Testbedingungen zu einer deutlichen Auswirkung der Salzablagerungen auf die Virusaktivität. In diesen Proben waren die Kopienzahlen des viralen Genoms sehr niedrig oder nicht nachweisbar (24 hpi). Die Virusreplikation wurde unter fünf Testbedingungen, d. h. Spr S3, Spr S10, Dip No Dil, Dip Dil5 × und Dip Dil10 ×, immer noch um 3–4 log10 72 hpi reduziert. Diese Ergebnisse wurden durch die Ergebnisse des TCID50-Tests bestätigt, die zeigten, dass weniger Viruspartikel Zellen infizieren konnten, nachdem sie in direktem Kontakt mit den salzbeschichteten Geweben waren. Diese Ergebnisse stimmen mit denen früherer Studien überein, die die Auswirkungen von Salzablagerungen auf dem Innenfilter von chirurgischen Masken, gefolgt von einer Impfung mit dem Influenza-A/H1N1-Virus20, und von Salzsprühungen auf der äußeren Schicht von chirurgischen Masken und anschließender Impfung mit einem Schweinevirus zeigten (übertragbares Gastroenteritisvirus)35. Es gab jedoch keine eindeutige negative Korrelation zwischen den Salzkonzentrationen auf den Geweben und den Kopienzahlen des viralen Genoms in Zellkulturen. Die stärkste Reduzierung der Viruspartikel wurde bei zwei sehr unterschiedlichen Salzbeschichtungskonzentrationen beobachtet, Spr S3 (4,73 mg/cm2) und Dip No Dil (45,54 mg/cm2). Die anderen Beschichtungsbedingungen in diesem Bereich unterdrückten die Virusreplikation in geringeren Mengen, senkten aber dennoch die Viruslast um einen log10-Faktor von 3. Im Gegensatz dazu waren die Behandlungen Spr S1 (0,58 mg/cm2) und Spr S3 Dil5 × (0,41 mg/cm2). waren eindeutig unzureichend, um die Virusreplikation zu kontrollieren, und wir schlagen vor, dass eine Salzkonzentration als Schwellenwert erforderlich ist, um die Virusreplikation zu hemmen. Hierbei ist zu beachten, dass die von Quan et al.20 berichteten effektiven Mengen an abgelagertem Salz zwischen 6,16 mg/cm2 und 24,64 mg/cm2 lagen, was deutlich im Bereich der auf unseren aktiven Proben abgelagerten Salzmengen liegt.

Die antivirale Wirkung einer Salzbeschichtung scheint eine Folge der Zerstörung des Viruskapsids durch lokale Salzauflösung und anschließende Rekristallisation zu sein20,30. Dieser Effekt kann nicht nur mit der Salzmenge in der Beschichtung variieren, sondern auch mit der Verteilung und Größe der Salzkristalle auf den Stoffen, die wiederum von verschiedenen Salzablagerungsparametern und -techniken abhängt. Dies könnte die in dieser Studie beobachtete schlechte negative Korrelation zwischen der Salzkonzentration auf den Geweben und der Virusdeaktivierung oberhalb eines bestimmten Salzkonzentrationsschwellenwerts erklären.

Parallel zur Salzlösungs-/Rekristallisationshypothese haben wir die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass während des Virussammelschritts gelöste Salzrückstände aufgrund der Hypertonie des Mediums ebenfalls zur Virusdeaktivierung beigetragen haben könnten, wie zuvor für in der Luft befindliche Mikroorganismen gezeigt35. Um diese Hypothese zu testen, wurden A/H3N2-Viruspartikel vor ihrer Inokulation in den MUCILAIR-Zellkulturen direkt in Lösungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen von Isotonie bis Sättigung inkubiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Salzlösungen im Laufe der Zeit keinen Einfluss auf die Virusreplikation hatten und im Vergleich zum Kontrollmedium nicht zur Erhaltung der Integrität der Epithelzellen (TEER) beitrugen. In den Stoffbeschichtungsexperimenten lagen die Salzkonzentrationen im Virussammelschritt eindeutig im Bereich der getesteten Salzlösungen (0,95–5,46 % für die Beschichtung gegenüber 0,90–17,9 % für Salzlösungen; Ergänzungstabelle S1). In ähnlicher Weise veränderte in einem Testsystem mit SARS-CoV-2 die Vorinkubation des Virus mit Kochsalzlösungen von bis zu 1,7 % die Virusreplikation in Vero-Zellen nicht36 und die Inkubation des A/H3N2-Virus in 1 M (5,8 %) NaCl Eine Lösung von bis zu 1 Stunde verringerte die Hämagglutinin-Titer und Plaque-bildenden Einheiten in MDCK-SIAT1-Zellen im Vergleich zu einer phosphatgepufferten Kochsalzlösung-Kontrolle nicht37. Diese Ergebnisse bestätigten, dass allein die Inkubation der Viruspartikel auf dem beschichteten Stoff für die Virusdeaktivierung verantwortlich war, wie auch kürzlich von Rubino et al.30 nachgewiesen wurde. Der Inaktivierungseffekt kann eher auf die kristallbildenden Eigenschaften der Salze als auf die Art des verwendeten Salzes zurückgeführt werden, da andere Salze, einschließlich Kaliumchlorid (KCl), Kaliumsulfat (K2SO4)30 und Natriumdihydrogenphosphat (NaH2PO4)37, Es wurde gezeigt, dass es einen ähnlichen Effekt erzeugt, wenn es auf chirurgische Masken aufgetragen wird.

Zusätzlich zur mechanischen Zerstörung des Kapsids aufgrund der Auflösung/Rekristallisation des Salzes wurde vermutet, dass ein erhöhter osmotischer Stress während der Salzrekristallisation zu einer Verformung und Beschädigung des Viruskapsids führt, was zu einer Deaktivierung führt20,30,38.

Da die Salzlösung 1 % Tween-20 enthielt, untersuchten wir, ob dieses Tensid möglicherweise auch eine Rolle bei der Virusdeaktivierung gespielt hat. Tween-20 ist ein mildes Tensid, das Lipid-Protein-Wechselwirkungen aufbrechen und Membranen auflösen kann39 und daher das Kapsid des Influenza-A-Virus beeinflussen kann, bei dem es sich um eine Ansammlung von Proteinen handelt, die in einer Lipidmembran eingebettet sind40. In der vorliegenden Studie wurden drei auf Strichstärken basierende Sprühkonzentrationen getestet, die auch bei der Salzbeschichtungsmethode verwendet wurden, nämlich Striche 3, 5 und 10. Nur die höchste Konzentration von Tween-20 in der Tween-Str10-Behandlung beeinflusste die Virusreplikation in MUCILAIR-Zellen deutlich mit einer log10-Reduktion von 3,57. Dies zeigt, dass Tween-20 möglicherweise auch zur Virusdeaktivierung in den Proben mit den höchsten Salzkonzentrationen beigetragen hat. In diesem Zusammenhang wurde berichtet, dass Tween-20 das Überleben des Herpesvirus bei einer Konzentration von 1 %41 oder 0,25 %42 verringert.

Unabhängig von diesen technischen Überlegungen bestätigen die Ergebnisse der vorliegenden Studie, dass Salz nicht nur auf chirurgischen Masken, sondern auch auf Haushaltsmaterialien, die in waschbaren Stoffmasken verwendet werden könnten, eine schützende antivirale Barriere bilden kann. Da die antivirale Wirkung von Salz durch die physikalische Zerstörung des viralen Kapsids hervorgerufen wurde, ist es vernünftig anzunehmen, dass andere umhüllte Viren wie SARS-CoV-2 ebenso wirksam beeinflusst werden könnten, selbst wenn sie nicht eng mit A/ verwandt sind. H3N2. Diese kreuzspezifische antivirale Aktivität im Zusammenhang mit einer Kapsidveränderung wurde für SARS-CoV-2 (einzelsträngige RNA mit positivem Sinn) und den Bakteriophagen phi6 (doppelsträngige DNA) nach Kontakt mit mit Cranberry-Extrakt beschichtetem Spunlace-Vliesstoff berichtet26. Das aktuelle Modell mit Influenza A/H3N2 und menschlichem Nasenepithel MUCILAIR kann in einer Vielzahl von Institutionen implementiert werden, da es nur die Biosicherheitsstufe zwei (BSL-2) erfordert, während die Verwendung von SARS-CoV-2 BSL-3 erfordern würde. Dieses Modell, das menschliches Nasenepithel verwendet, könnte weiter auf die Bewertung anderer antiviraler Beschichtungen und verschiedener Arten persönlicher Schutzausrüstung ausgeweitet werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Wechselwirkungen zwischen Virus und antiviraler Beschichtung möglicherweise zu stark vereinfacht sind und positive Ergebnisse bestätigt werden sollten ein ausgefeilteres System mit aerosolisierten Viruspartikeln.

Für die Beschichtung von wiederverwendbaren Gesichtsmasken aus Stoff können beide in dieser Studie verwendeten Salzabscheidungsmethoden für den Heimgebrauch angepasst werden, um die schützende Salzschicht auf der Maske nach dem Waschen zu erneuern. Besonderes Augenmerk sollte auf die Verwendung einer ausreichend konzentrierten Salzlösung gelegt werden, um den Schwellenwert der antiviralen Aktivität zu erreichen. Gleichzeitig sollten übermäßige Salzmengen vermieden werden, die die Maske steifer und weniger komfortabel machen, wie dies bei den Beschichtungen Spr S10 und Dip No Dil beobachtet wurde. Allerdings würden die Atmungsaktivität und die Partikelfiltrationseigenschaften, die wichtige Parameter für die Wahl des Materials zur Herstellung wiederverwendbarer Gesichtsmasken10 sind, durch die Salzbeschichtung im Bereich der in der vorliegenden Studie verwendeten Salzmengen wahrscheinlich kaum beeinträchtigt, wie bereits bei großporigen Masken gezeigt wurde Polypropylenmembranen, beschichtet mit ähnlichen Konzentrationen von NaCl, KCl oder K2SO431. Einfach zu erwerbende Tenside wie Handseife könnten Tween43 effektiv ersetzen. Gebrauchsfertige Salzsprühlösungen können eine praktische Option sein, um eine optimale Salzbeschichtung mit ausreichender Salzkristallgröße und -verteilung zu erreichen. Ein Gerät mit 10 %iger Salzsprühlösung wurde kürzlich erfolgreich getestet35.

Das Testmaterial war ein universelles Vlies-Mikrofasertuch aus 80 % Polyester und 20 % Nylon (JEMAKO Pro Cloth Plus, Jemako, Rhede, Deutschland). Dieses im Einzelhandel weit verbreitete Material weist gute Partikelfiltrationseigenschaften und Atmungsaktivität auf9,10,44.

Die Salzlösung bestand aus 29,03 % (29,03 g/100 ml) NaCl (Merck, Darmstadt, Deutschland) in entionisiertem Wasser mit 1,0 % (1 ml/100 ml) Tween-20 (Merck). berichtet von Quan et al.20. Die Salzlösung wurde in unverdünnter und verdünnter Form (5- oder zehnfache Verdünnung in entionisiertem Wasser) getestet. Zur ordnungsgemäßen Benetzung der hydrophoben Polyesterfasern wurde der Salzlösung Tween-20, ein nichtionisches Tensid, zugesetzt20. Um die Wirkung von Tween-20 zu beurteilen, wurde eine 1,0 % v/v (1 ml/100 ml) Lösung von Tween-20 in entionisiertem Wasser hergestellt.

Wir verwendeten zwei automatisierte Beschichtungsverfahren: Sprühen und Tauchen. Die Sprühbeschichtungsabscheidung wurde mit einem Mini-Sprühventil (EFD 781; Nordson, Westlake, OH, USA) erreicht, das auf einem automatisierten Roboter (JR2304; Janome, Tokio, Japan) montiert war. Dieses System ermöglichte die Kontrolle der Gesamtmenge des abgeschiedenen Salzes durch Anpassen von Parametern, einschließlich der Ablagerungsgeschwindigkeit (eingestellt auf 40 mm/s), des Abstands zwischen Sprühkopf und Substrat (eingestellt auf 40 mm) und des auf das Salz ausgeübten Drucks Kartusche mit der Salzlösung (eingestellt auf 0,4 bar). Das Abscheidungsmuster bestand aus geraden parallelen Linien im Abstand von 4 mm. Der Hub (Ventilöffnung, die den Durchfluss steuert) wurde mit den willkürlichen Hubeinheiten 1, 3, 5 und 10 variiert, die mit Spr S1, Spr S3, Spr S5 bzw. Spr S10 bezeichnet sind. Um den Effekt der Verdünnung bei konstantem Volumen zu beurteilen, wurde eine zusätzliche Probe mit Stroke Unit 3 mit einer fünffach verdünnten Beschichtungslösung (Spr S3 Dil5 ×) vorbereitet. Pro Zustand wurde ein Stück Testmaterial in der Größe 6,5 cm × 6,5 cm behandelt.

Die Tauchbeschichtung wurde mit einem automatischen Tauchbeschichter (KSV Nima (mittlere Größe); Biolin Scientific, Espoo, Finnland) durchgeführt. Pro Bedingung wurden drei Stücke Testmaterial mit einer Größe von 2,5 × 3 cm vorbereitet. Die Tauchbeschichtung wurde mit drei Salzkonzentrationen durchgeführt: unverdünnt, 5 × verdünnt und 10 × verdünnt (beschriftet mit „Dip No Dil“, „Dip Dil5 ×“ bzw. „Dip Dil10 ×“). Die Stoffstücke wurden 3 s lang vollständig in die Lösung eingetaucht und mit einer konstanten Geschwindigkeit von 100 mm/min herausgezogen. Die Stücke wurden vertikal aufgehängt und 30 Minuten lang abtropfen gelassen.

Um die potenzielle antivirale Wirkung von Tween-20 zu beurteilen, wurde eine 1 %ige Tween-20/Wasser-Lösung unter Verwendung des oben genannten Sprühgeräts und der oben genannten Bedingungen auf das Testmaterial gesprüht. Es wurden die Sprühstöße 3, 5 und 10 mit der Bezeichnung Tween Str3, Tween Str5 bzw. Tween Str10 aufgetragen. Die Proben wurden auf die gleiche Weise wie die mit Salz beschichteten Proben getrocknet, gelagert und gehandhabt.

Nach der Beschichtung wurde das Material über Nacht bei Raumtemperatur (20 °C) getrocknet und in sauberen, verschlossenen Plastiktüten unter Stickstoffatmosphäre gelagert. Bei allen mit Salz beschichteten Proben wurde das abgeschiedene Salz durch Wiegen der Probe vor dem Beschichten und nach dem Trocknen quantifiziert. Um die Größe und Verteilung der Salzkristalle auf den Materialien zu bestimmen, wurden die beschichteten Proben mittels REM und EDX analysiert. Die Protokolle sind in den Zusatzinformationen beschrieben.

MUCILAIR-HF-Modelle menschlicher Atemwegszellen (Epithelix, Genf, Schweiz) sind voll ausgereifte, funktionelle 3D-Atemwegsepithelien, die mit Fibroblasten kokultiviert wurden. MUCILAIR-Epithelien (Chargennummer HF-MP0009) wurden mit Nasenepithelzellen rekonstituiert, die von 14 Spendern isoliert wurden, die sich einer chirurgischen Nasenpolyplektomie unterzogen hatten (Alter 24–58 Jahre, Median 53 Jahre), und zusammen mit menschlichen Fibroblasten auf TRANSWELL-Einsätzen (Corning, Glendale) kultiviert , AZ, USA)32. Alle experimentellen Verfahren zur Gewinnung der Zellproben wurden ausführlich erläutert und alle Probanden gaben eine schriftliche Einverständniserklärung ab. Die Studie wurde gemäß der Erklärung von Helsinki zur biomedizinischen Forschung (Hongkong-Änderung von 1989) durchgeführt und das Forschungsprotokoll wurde von der örtlichen Ethikkommission genehmigt. Für die antiviralen Experimente wurden reife Kulturen (66 Tage alt) verwendet. Die Zellkulturen wurden vor der Verwendung wie in den Zusatzinformationen beschrieben einer Qualitätsprüfung unterzogen.

A/H3N2-Viruspartikel wurden ursprünglich direkt auf MUCILAIR-Epithelien aus einer klinischen Probe isoliert33, und die Abstammungslinie, A/Switzerland/8004462/2013(H3N2), wurde durch PCR, einen Hämagglutinationshemmtest und teilweise Sequenzierung des Neuraminidase-Gens identifiziert. Vorräte dieses Isolats wurden in MUCILAIR-Kulturen durch Sammeln apikaler Waschungen mit Kulturmedium hergestellt und erfolgreich in Infektionsexperimenten eingesetzt32,33. Der vollständige Produktionsvorgang ist in den Zusatzinformationen beschrieben.

Unmittelbar vor der Virusexposition wurde das beschichtete Material bei Raumtemperatur (26 % relative Luftfeuchtigkeit) aus den Beuteln entnommen, mit einer Schere in 1 cm2 große Stücke geschnitten und in sterile Petrischalen gegeben. Alle Arbeiten wurden in einer sauberen und trockenen Umgebung durchgeführt. Zusätzlich wurden 1 cm2 große Stücke des unbeschichteten Materials vorbereitet, die als Kontrollproben dienten. Beide Seiten der Stoffstücke wurden 30 Minuten lang mit ultravioletter C-Strahlung unter Verwendung einer UV900 G30T8-Lampe (bei 12,0 W für 100 Stunden; Philips Lighting, Lamotte-Beuvron, Frankreich) sterilisiert.

Vor der Virusinokulation wurden die MUCILAIR-Epitheleinsätze in Platten mit 24 Vertiefungen gegeben, die 500 µL/Vertiefung MUCILAIR-Kulturmedium enthielten, und mit 200 µL MUCILAIR-Kulturmedium 10 Minuten lang bei 34 °C gewaschen. Drei Stücke Testmaterial pro Beschichtungsbedingung und fünf Stücke unbeschichtetes Material mit einer Größe von jeweils 1 cm2 wurden in separate Vertiefungen einer 24-Well-Platte (CORNING COSTAR 3526; Corning, NY, USA) gegeben. Aus dem Virusstamm wurde eine Lösung mit 2 × 108 Genomkopien in MUCILAIR-Kulturmedium hergestellt. Auf jedes Stück Testmaterial wurden fünf Mikroliter des A/H3N2-Präparats (106 gc) aufgetragen. Nach 10 Minuten direkter Exposition wurde 1 ml MUCILAIR-Medium in jede Vertiefung gegeben, die eine Testprobe zum Sammeln des Virus enthielt. Nach 5-minütiger Inkubation bei Raumtemperatur und anschließendem Mischen durch Pipettierbewegungen wurde das Medium mit den Viruspartikeln in eine neue 24-Well-Platte überführt und 1:10 in MUCILAIR-Medium verdünnt. Anschließend wurden 100 µL der Lösung 3 Stunden lang bei 34 °C, 5 % CO2 und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit apikal auf Zellen aufgetragen, die auf MUCILAIR-Einsätzen zur Infektion gezüchtet wurden. Anschließend wurde das Virusinokulum verworfen und die Zellen dreimal mit 200 μl MUCILAIR-Medium gewaschen. 3,5, 24, 72 und 144 Stunden nach der Virusinokulation wurden 200 μl MUCILAIR-Medium zu den Zellen gegeben, die dann 20 Minuten lang inkubiert wurden (34 °C, 5 % CO2 und 100 % relative Luftfeuchtigkeit). Apikale Waschlösungen wurden gesammelt und bis zur Quantifizierung der Genomkopien oder viralen Titrationen bei –80 °C gelagert. Als Kontrollen wurden unbeschichtete Proben (Non-coated) und direkt infizierte Kulturen (Control no-mask) einbezogen. Die Integrität des Epithels während des Experiments wurde durch TEER-Messung überwacht. Als zusätzliche Negativ- und Positivkontrolle für die TEER-Messung dienten unbehandelte, nicht infizierte MUCILAIR-Kulturen (Mock) und mit dem Detergens Triton X-100 behandelte Kulturen. Das Medium unter den Vertiefungen der MUCILAIR-Einsätze wurde einmal bei 48 hpi mit 500 µL frischem MUCILAIR-Kulturmedium ausgetauscht.

In entmineralisiertem Wasser wurden Salzlösungen mit Konzentrationen von 0,9 %, 3,5 % und 35 % hergestellt. Eine A/H3N2-Viruslösung (5 µL), die 106 Genomkopien enthielt, wurde 1:1 mit MUCILAIR-Kulturmedium (Kontrollmedium) oder mit den verschiedenen Salzlösungen verdünnt und 10 Minuten bei Raumtemperatur inkubiert. Das Kontrollmedium und die Kochsalzlösungen, die das Virus enthielten, wurden 1:10 in MUCILAIR-Kulturmedium verdünnt und 100 µL der Verdünnungen wurden apikal auf MUCILAIR-Einsätze (n = 3) geimpft, um sie 3 Stunden lang zu infizieren. Die Viren wurden 3,5, 24, 72 und 144 Stunden nach der Infektion gesammelt und quantifiziert. Die Integrität des Epithels während des Experiments wurde durch TEER-Messung überwacht.

Die Integrität des MUCILAIR-Epithels wurde 24, 72 und 144 Stunden nach der Infektion durch Messung des TEER32,33 (EVOMX Volt-Ohm-Meter, World Precision Instruments, Stevenage, UK) beurteilt.

Die Virusreplikation wurde 3,5, 24, 72 und 144 Stunden nach der Infektion durch Quantifizierung von Genomkopien mithilfe der TAQMAN-Sonde (ThermoFisher Scientific, Waltham, MA, USA) RT-qPCR bewertet. Beide Methoden werden in den Zusatzinformationen beschrieben.

Wir verwendeten MDCK-SIAT1-Zellen für die Virustitration (Merck). Diese Zelllinie wurde durch die stabile Transfektion von MDCK-Zellen mit cDNA, die für menschliche α-2,6-Sialyltransferase (SIAT1) kodiert, zur Überexpression von 6-gebundenen Sialinsäuren etabliert45. Die Zellen wurden in Wachstumsmedium kultiviert, das aus Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium mit GlutaMAX (31.966.021; Life Technologies, ThermoFisher Scientific), ergänzt mit 10 % (v/v) fötalem Kälberserum (2-01F16-I; BioConcept Ltd, Allschwil/Basel, Schweiz), 1 % nicht-essentielle Aminosäuren (10.938.025; Life Technologies, ThermoFisher Scientific) und 1 % Penicillin-Streptomycin (15.140.122; Life Technologies, ThermoFisher Scientific). Das serumfreie Infektionsmedium war 1 % Penicillin-Streptomycin in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium, und das Testmedium war serumfreies Medium, ergänzt mit 1 µg/ml Trypsin (T1426; Merck). Die Kulturen wurden bei 37 °C in einer Atmosphäre mit 5 % CO2 gehalten. Konfluente Monoschichten wurden mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung gewaschen und serumfreies Medium hinzugefügt. Die Zellen wurden vierfach mit zehnfachen Reihenverdünnungen einer Viruslösung beimpft und zur Infektion 1 Stunde lang bei 37 °C inkubiert. Anschließend wurde das Inokulum abgesaugt, das Testmedium zugegeben und die Zellen bei 37 °C inkubiert. Vier Tage nach der Infektion wurde das Vorhandensein einer zytopathischen Wirkung, sichtbar als Ablösung toter Zellen von der Monoschicht, unter einem Lichtmikroskop beobachtet und quantifiziert. Apikale Waschungen von A/H3N2-infizierten MUCILAIR-Nasenepithelien, die 72 Stunden nach der Infektion gesammelt wurden, wurden zur Virustitration und Quantifizierung von Genomkopien für die folgenden Testbedingungen verwendet: Spr S1, Spr S3, Spr S10, Dip Dil10 ×, Kontrolle ohne Maske, Unbeschichtet und Tween Str3. Die Virustiter wurden mit der Endpunktmethode von Reed und Muench46 bestimmt und als log10 TCID50/ml ausgedrückt.

Genomkopiezahlen und Virustiter sind logarithmisch normalverteilt47,48,49. Im Studiendesign waren einige wissenschaftlich sinnvolle Vergleiche geplant: Log10-basierte Genomkopiezahlen und Virustiter in der nicht beschichteten Kontrolle wurden mit Salz- und Tween-beschichteten Behandlungen durch Student-t-Test mit zwei Stichproben und Welch-Modifikation verglichen Freiheitsgrade (einseitig, R t-Testfunktion)50. Die Nullhypothese besagte, dass die wahren Mittelwerte in nicht beschichteten Proben und bei mit Salz und Tween beschichteten Behandlungen gleich waren, und die Alternativhypothese lautete, dass die wahren Mittelwerte in Proben mit beschichteten Behandlungen kleiner waren als die in der nicht beschichteten Kontrolle. P-Werte < 0,05 wurden als signifikant angesehen und führten zur Ablehnung der Nullhypothese.

Die in der vorliegenden Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Die Autoren möchten Dr. Sindhoora Bhargavi Gopala Reddy für die Bearbeitung eines Entwurfs dieses Manuskripts danken. Die Forschung zu Maskenmaterialien und -beschichtungen wurde mit Taxila durchgeführt, einer Knowledge-Mining- und Textanalyseplattform, die von der SBX Corporation, Tokio, Japan, entwickelt wurde.

Diese Arbeit wurde von Philip Morris International, Epithelix Sàrl und dem Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) SA finanziert und unterstützt. Das Projekt unter dem Namen ProMask.CH-Konsortium wurde vom Kanton Bern, Schweiz, aus Corona-Notkrediten mitfinanziert, die die lokale Wirtschaft während der COVID-19-Krise unterstützen sollen.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Sandra Schorderet Weber, Xavier Bulliard und Rosy Bonfante.

PMI R&D, Philip Morris Products SA, Quai Jeanrenaud 5, 2000, Neuchâtel, Schweiz

Sandra Schorderet Weber, Yang Xiang, Sandro Steiner, Alexandra Laurent, Shoaib Majeed, Stefan Lebrun, Arkadiusz Kuczaj, Manuel C. Peitsch, Julia Hoeng & Adrian Stan

Schweizerisches Zentrum für Elektronik und Mikrotechnologie SA (CSEM), Rue Jaquet-Droz 1, 2002, Neuchâtel, Schweiz

Xavier Bulliard, Silvia Biselli, Raphael Pugin und Michele Palmieri

Epithelix Sàrl, Chemin des Aulx 18, 1228, Plan-les-Ouates, Genf, Schweiz

Rosy Bonfante & Samuel Constant

Coat-X SA, Eplatures-Grise 17, 2300, La Chaux-de-Fonds, Schweiz

Andreas Hogg

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Die Studie wurde von SC, JH, RP und XB entworfen. Die Laborarbeiten und die Datenerfassung wurden von RB, SC, Die YX-Studienlogistik wurde von SS, AL, SM, XB und SL unterstützt. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von SSWAS verfasst, SS, JH und AK kommentierten die Entwurfsversionen. JH, MCP, MP, AS und AH unterstützten und finanzierten die Arbeit. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Sandra Schorderet Weber.

Die Autoren SSW, YX, SS, AL, SM, SL, AK, MCP, JH und AS sind Mitarbeiter von Philip Morris International. Die Autoren SC und RB sind Mitarbeiter von Epithelix Sàrl und die Autoren XB, SB, RP und MP sind Mitarbeiter von CSEM SA. Autor AH ist Mitarbeiter von Coat-X SA.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Schorderet Weber, S., Bulliard, X., Bonfante, R. et al. In-vitro-Test der Salzbeschichtung von Stoffen als potenzielles antivirales Mittel in wiederverwendbaren Gesichtsmasken. Sci Rep 12, 17041 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21442-7

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Eingegangen: 11. April 2022

Angenommen: 27. September 2022

Veröffentlicht: 11. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21442-7

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In-vitro-Test der Salzbeschichtung von Stoffen als potenzielles antivirales Mittel in wiederverwendbaren Gesichtsmasken