パルスレーザー光は非常に強力であるため、衝突した物体から散乱すると強力な振動を誘発し、物体の分子や近くにある他の分子を破壊する可能性があります。この最先端の研究は、病原体を殺すのに役立つ新しい方法を示しています。
米国では年間約 300 万人が抗生物質耐性菌に感染しています。このような感染症は治療がはるかに難しく、ますます一般的になっています。抗生物質が役に立たなくなってきているため、人々がこれらの殺すのが難しい細菌と戦うのを助けるための代替手段が必要です.
科学者たちは、微生物との終わりのない戦争を続けるための他の方法を探しています。そのうちの 1 つはレーザーかもしれません!
それは正しい！レーザーを使って病原菌を撃ち殺すことができるかもしれません.
レーザーとは?
まず、「レーザー」という言葉が実際には頭字語であることをご存知ですか?それは放射線の誘導放出による光増幅の略で、かなり一口です。レーザーと言った方が確実に簡単です!
レーザーは、励起された原子または分子から放出される光のビームです。 (写真提供:米国空軍/ウィキメディア コモンズ)
私は物理学者ではありませんが、レーザーがどのように機能するかについての基本を説明できます。最も一般的には、結晶などの物体に電気で衝撃を与えることによって、原子にエネルギーを与えるだけで済みます。これらの原子は、余分なエネルギーを除去することで自身を安定させようとします。これは、単純に光粒子として知られる光子を放出することによって行われます。
ただし、基本的なレーザーは、原子を励起する電源がある限り、継続的に光を放出します。レーザーから多くの不要な熱が発生し、接触する材料を加熱する可能性があるため、これは役に立たない場合があります。レーザーは、継続的に光を放ち続けないように変更する必要があります。
レーザーは、原子が連続して光を放出しないように電気の流れを制御することで変更できます。これが、さまざまな時間間隔で光のバーストを放つさまざまな種類のレーザーを取得する方法です。私たちが関心を持っているレーザーの種類の 1 つは、超短パルス レーザーです。
超短パルスレーザーとは?
超短パルス レーザーは、通常はフェムト秒のレベルで、非常に短い時間間隔で短いバーストで非常に強力な光を放出するレーザーです。フェムト秒は 1000 分の 1 秒です!
この変更により、レーザーはより強力になり、制御が容易になりました。繰り返しますが、私は物理学者ではないので、このビデオは通常のレーザーとパルス レーザーの両方をよりよく理解するのに役立つかもしれません。
要点は、超短パルスレーザーが非常に強力な光のバーストを発することです。これらのレーザーを使用して細菌を殺す、またはむしろ不活性化できるのは、この力のおかげです。
最近のある研究では、これらのレーザーが抗生物質耐性菌、細菌胞子、不活化ウイルスの 99.9% を殺すことができることが示されました。
超短パルス レーザーはどのように細菌を殺すのですか?
光の粒子は特定の周波数で移動します。これらの粒子が物体に衝突すると、そらされたり散乱したりして、周波数が変化します。
狭い部屋でクレイジーなボールを激しく投げるようなものです。あらゆるものに跳ね返り、空間全体に散らばります。
これらのパルス光粒子が物体に当たると、散乱します。これはラマン散乱として知られている現象です。レーザーのエネルギーは、当たったすべての物体に跳ね返ります。
ここでレーザーの威力が発揮されます。このパルスレーザー光は非常に強力であるため、衝突した物体から散乱すると強力な振動を誘発し、物体の分子や近くにある他の分子を破壊する可能性があります。
振動は、タンパク質や DNA などの生体分子の分子結合を切断するのに十分な強さです。したがって、このレーザーでバクテリアを撃つとしたら、本質的にそのタンパク質を分子レベルで分解することになります.
音叉を叩くと振動するのと同じように、レーザーを当てるとタンパク質分子が振動します。ただし、タンパク質は不自然に振動することを意図していないため、バラバラになります。
レーザーはウイルスを不活性化するためにも使用できます。レーザーをウイルス粒子に向けて発射すると、レーザーの電磁エネルギーがウイルス分子を分極または帯電させます。これは、ウイルスのタンパク質と同じです。このエネルギーにより、タンパク質はラマン活性振動を受けます。その結果、これらの生体分子を結合している水素結合がバラバラになり、タンパク質の構造的損傷につながります.
次のミッションインポッシブル…。
このようなレーザーには、非常に多くの利点があります。たとえば、深い切り傷の後、超短パルス レーザーを傷に照射して周囲のバクテリアを殺し、感染を防ぐことができます。
レーザーは人間の細胞も殺してしまうのではないですか?
この公正な質問の秘密は、レーザーのパワーにあります。私たちの細胞に損傷を与えることなく安全に使用できる、レーザー出力の特定の治療域があります。その範囲は 1 ～ 10 GW/cm2 です。
人間の細胞は、細菌細胞やウイルス粒子とは異なります。それらはより大きく、より複雑で、すべてのオルガネラが密集しています。
超短パルスレーザーをより高い出力で使用すると、細胞に有害になります。ウイルスは信じられないほど小さいため、不活性化に必要な電力は最小限です。もう少し出力を上げれば、レーザーもバクテリア細胞を殺してしまうでしょう。電力をさらに増加させ続けると、人間または哺乳類の細胞が影響を受け始める可能性があります.
これらのレーザーは他にどのように使用できますか?
これらのレーザーが持つ微生物を殺す能力は、さまざまな用途を提供します。傷を撃ってその領域を消毒するだけでなく、他の材料の表面を消毒したり、ワクチンを作ったり、血液感染症を治療したりすることもできました。たとえば、手術器具のような病院の設備は、これらのレーザーでそれらを撃つことによって無菌にすることができます.
これらのレーザーは、ウイルスやバクテリアを不活性化する簡単な方法を提供するため、ワクチンの製造にも役立ちます。通常、ホルムアルデヒドなどの化学物質を使用してウイルスを不活化しますが、レーザーを使用すると、はるかに時間効率が良く、化学薬品を使用しないワクチンの製造が可能になります。
理論的には、血液由来の細菌を殺すためにレーザーを使用することも可能です。たとえば、知らないHIV陽性者が献血したとしましょう。この血液を受け取った人は誰でも、リスクをもたらす可能性のある HIV 粒子が含まれていることを知りません。しかし、これらのレーザーに血液を通すと、ウイルス粒子が不活性化され、血液を安全に使用できるようになります.
これらのレーザーを手にすれば、未来はきっと明るく見えます!
最後の言葉
このレーザー技術は数十年前から存在していますが、まだ実用化には至っていません。しかし、その潜在的な用途は、血液製剤または医薬品の滅菌と、化学物質を含まない不活化ワクチンの作成です.
現在、血液製剤や医薬品の滅菌には、UV またはその他の放射線が適用されています。ただし、血液への損傷のリスクも常にあります。紫外線は、超短パルス レーザーとは異なり、細胞を選択的に殺すことはできません。放射線は無生物を殺菌する優れたツールですが、人や生物学的製品に使用するのは安全ではありません.
研究者は、これらのレーザーがさまざまな環境でバクテリア、真菌、その胞子、およびウイルスをどれだけ効果的に殺すことができるかをテストするための研究を行っています.それらが効果的であることが判明した場合、食品業界で微生物の増殖を抑制し、食品の貯蔵寿命を改善するために使用することさえできます.
最適な出力レベルや露出時間など、いくつかの微調整が必要です。数年後には、このテクノロジーが私たちの生活に実装されることを期待できます.
抗生物質耐性が高まり、一部の薬がほとんど役に立たなくなったため、微生物と戦うための物理的な方法が必要になりました.レーザーに対する防御に使用できる既知の自然な生物学的プロセスがないため、細菌がレーザー耐性を発達させることができるわけではありません.
ただし、ワクチンの製造に関しては、それらがどれほど効果的であるかを確認するには、より多くの研究が必要です.レーザーで不活性化されたウイルスが免疫反応を誘発するのにどれほど優れているかを詳細に確認する必要があります.
今のところ、これらの微生物死滅光線は、微生物を選択的に殺すための、環境にやさしく、化学薬品を使用しない、非侵襲的な方法を提供してくれます!
