Kompozytowe tlenki miedzi jako trwałe materiały przeciwwirusowe wobec wirusów bezotoczkowych
Kompozytowe tlenki miedzi–lantanu oraz miedzi–itru, opracowane przez zespół badaczy z Japonii, wykazują wyjątkowo wysoką aktywność przeciwwirusową wobec wirusów bezotoczkowych. Materiały te charakteryzują się bardzo wysoką stabilnością i w warunkach laboratoryjnych prowadzą do inaktywacji ponad 99,999% cząstek wirusowych. Dzięki połączeniu obliczeń pierwszych zasad z analizą eksperymentalną naukowcy zidentyfikowali kluczowe mechanizmy odpowiedzialne za aktywność przeciwwirusową, w tym rolę ładunku powierzchniowego, inaktywacji białek wirusowych oraz stanów walencyjnych miedzi. Otwiera to nowe perspektywy dla projektowania zaawansowanych materiałów przeciwwirusowych.
Wirusy od wieków stanowią istotne zagrożenie dla zdrowia publicznego – od sezonowych epidemii po globalne kryzysy, takie jak pandemia COVID-19. Większość znanych wirusów to wirusy otoczkowe, posiadające lipidową błonę, która może być skutecznie uszkadzana przez powszechnie stosowane środki dezynfekcyjne. Znacznie większym wyzwaniem są wirusy bezotoczkowe, wykazujące wysoką oporność na inaktywację. Jednym z obiecujących kierunków badań w tym obszarze jest wykorzystanie tlenków metali jako materiałów przeciwwirusowych, w szczególności miedzi i jej tlenków, znanych z szerokiego spektrum działania wobec wirusów zarówno otoczkowych, jak i bezotoczkowych.
Dotychczasowe badania wskazywały jednak na istotne ograniczenie tego podejścia. Wysoko aktywny tlenek miedziawy (Cu₂O) z czasem ulega utlenieniu do mniej aktywnego tlenku miedziowego (CuO), co prowadzi do spadku skuteczności przeciwwirusowej. Problem ten przez lata stanowił barierę w rozwoju trwałych materiałów przeciwwirusowych opartych na miedzi. W odpowiedzi na to wyzwanie zespół z Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), we współpracy z Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology (KISTEC), opracował nową klasę kompozytowych tlenków miedzi, łączących wysoką aktywność przeciwwirusową z długoterminową stabilnością.
Badaniami kierowali JSPS Research Fellow Ryuju Kiribayashi, Assistant Professor Yasuhide Mochizuki oraz Professor Akira Nakajima z Science Tokyo. Przedmiotem analiz były dwa nowe związki: La₂CuO₄ oraz Y₂Cu₂O₅, otrzymane poprzez połączenie CuO z tlenkiem lantanu lub tlenkiem itru. Wyniki badań zostały udostępnione online 21 października 2025 roku, a następnie opublikowane w Volume 17, Issue 45 czasopisma ACS Applied Materials & Interfaces 12 listopada 2025 roku.
Jak podkreśla Akira Nakajima, celem zespołu było przezwyciężenie degradacji miedzi i Cu₂O poprzez tworzenie kompozytów z mniej aktywnym CuO oraz tlenkami lantanu lub itru. Uzyskane rezultaty znacząco przekroczyły pierwotne oczekiwania badaczy.
W testach przeciwwirusowych opartych na normach International Organization for Standardization oba kompozytowe tlenki – La₂CuO₄ i Y₂Cu₂O₅ – wykazały niezwykle wysoką skuteczność. Już po czterech godzinach ekspozycji osiągnięto ponad 99,999% inaktywacji wirusa bezotoczkowego, bakteriofaga Qβ, co stanowiło wynik lepszy niż w przypadku poszczególnych tlenków składowych. Dodatkowo zaobserwowano również istotną aktywność wobec wirusa otoczkowego Φ6. Wyniki te potwierdzono w testach enzymatycznych oceniających inaktywację białek, które wykazały znacznie wyższą reaktywność kompozytów w porównaniu z prostymi tlenkami binarnymi.
W celu wyjaśnienia mechanizmów leżących u podstaw obserwowanej aktywności przeciwwirusowej zespół opracował nowe narzędzie programistyczne umożliwiające budowę atomowych modeli powierzchni do analiz obliczeniowych. Zastosowanie obliczeń pierwszych zasad wykazało, że kompozytowe tlenki charakteryzują się powierzchniami bogatymi w kationy oraz stanami walencyjnymi miedzi zbliżonymi do jednowartościowych (Cu⁺), analogicznymi do tych obserwowanych w wysoce aktywnym Cu₂O. Dodatnio naładowane powierzchnie sprzyjały elektrostatycznej adsorpcji wirusów, które z natury posiadają ujemny ładunek powierzchniowy.
Po adsorpcji na powierzchni tlenków dochodziło do destabilizacji i inaktywacji białek wirusowych. Obliczenia wskazały, że proces ten związany jest z rozrywaniem mostków dwusiarczkowych w strukturach białkowych na powierzchni materiału. Wyniki te stanowią istotny krok w zrozumieniu molekularnych podstaw aktywności przeciwwirusowej na powierzchniach tlenków metali. Równolegle przeprowadzono testy stabilności w celu oceny trwałości opracowanych materiałów.
Ryuju Kiribayashi zwraca uwagę, że badania te obejmują pierwsze na świecie zastosowanie obliczeń opartych na teorii funkcjonału gęstości do analizy rozrywania wiązań dwusiarczkowych na powierzchniach tlenków. Szczególnie istotnym wynikiem było wykazanie, że La₂CuO₄ zachowywał ponad 70% swojej aktywności przeciwwirusowej nawet po 1,5 roku, przewyższając pod tym względem wszystkie dotychczas opisywane materiały oparte na tlenku miedziawym.
Dzięki potwierdzonej trwałości nowe tlenki kompozytowe mają duży potencjał zastosowania w przestrzeniach publicznych, transporcie, placówkach ochrony zdrowia oraz produktach konsumenckich, gdzie kluczowe znaczenie ma długotrwała ochrona przeciwwirusowa. Integracja syntezy materiałów, chemii powierzchni oraz obliczeń komputerowych zaprezentowana w tym badaniu stanowi spójne ramy projektowania kolejnej generacji materiałów przeciwwirusowych, oferujących silniejsze i bardziej trwałe zabezpieczenie w warunkach rzeczywistych.
Źródło: ACS Applied Materials & Interfaces, Preparation and antiviral activity of La₂CuO₄ and Y₂Cu₂O₅ with mechanistic insights from first-principles
DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acsami.5c17978
