Les scientifiques recherchent les meilleures lampes UV pour éliminer les coronavirus

La collaboration de recherche entre le NIST et le DHS révèle quelles longueurs d'onde des rayons ultraviolets sont les plus efficaces pour désinfecter le virus du COVID-19. Pour désinfecter une surface, vous pouvez l'exposer à la lumière ultraviolette (UV), dont la longueur d'onde est plus courte que celle de la lumière bleue visible. Mais pour inactiver spécifiquement le SARS-CoV-2 (le virus à l'origine du COVID-19), quelle longueur d'onde est la meilleure ? Et quelle quantité de rayonnement est suffisante ?

Pour répondre à ces questions, les scientifiques doivent surmonter deux obstacles majeurs. Premièrement, ils doivent séparer complètement le virus des substances non pertinentes dans l'environnement. Deuxièmement, ils doivent irradier le virus avec une lumière ultraviolette d'une seule longueur d'onde à la fois, en minimisant les changements de configuration expérimentale entre les tests.

Une étude récente a surmonté ces deux obstacles, achevant ce qui pourrait être le test le plus complet à ce jour sur la manière dont plusieurs longueurs d'onde différentes de lumière ultraviolette et visible affectent le SARS-CoV-2. Cette étude était une collaboration entre l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) et le Centre national d'analyse et de contre-mesures de biodéfense (NBACC), un laboratoire de la Direction de la science et de la technologie du Département de la sécurité intérieure des États-Unis (DHS).

Dans un nouvel article récemment publié dans la revue Applied Optics, les collaborateurs décrivent un système novateur qui projette une lumière à longueur d'onde unique sur des échantillons du virus COVID-19 dans un laboratoire sécurisé. Le laboratoire est classé au niveau de biosécurité 3 (BSL-3) et est conçu pour étudier les micro-organismes qui peuvent être mortels s'ils sont inhalés. Leurs expériences ont testé plus de longueurs d'onde de lumière ultraviolette et visible que toute autre étude sur le virus à l'origine du COVID-19 à ce jour.

Photos du dispositif. Gauche : Gros plan à l’intérieur du boîtier contenant le système de couplage laser-fibre. Centre : Système laser dans le couloir devant la porte du laboratoire BSL-3. Droite : Gros plan du dispositif expérimental à l’intérieur du laboratoire BSL-3, y compris la pièce où sont placés les échantillons de SARS-CoV-2. Source : NIST

Alors, le SARS-CoV-2 présente-t-il des faiblesses particulières ? Il s'avère que non. Le virus SARS-CoV-2 est sensible aux rayons UV aux mêmes longueurs d'onde que d'autres virus, tels que ceux qui provoquent la grippe. Les longueurs d'onde les plus efficaces se situent dans la plage « UVC », entre 222 et 280 nanomètres (nm). La lumière UVC (plage complète de 200 à 280 nm) a des longueurs d'onde plus courtes que la lumière UVB (280 à 315 nm), qui provoque des coups de soleil.

Les scientifiques ont également montré que l'environnement entourant les virus peut les protéger. Lors des expériences, la dose d'UV requise lorsque les virus étaient placés dans de l'eau pure était inférieure à celle nécessaire lorsqu'ils étaient placés dans de la salive simulée, qui contient des sels, des protéines et d'autres substances présentes dans la salive humaine réelle. La suspension des virus dans de la salive simulée crée un scénario similaire aux situations réelles impliquant des éternuements et de la toux . Ce détail peut rendre les résultats plus directement informatifs que ceux des études précédentes.

Michael Schuit, du NBACC, a déclaré : « Je pense qu’une contribution majeure de cette étude est que nous avons pu montrer que les résultats idéalisés que l’on observe dans la plupart des études ne permettent pas toujours de prédire ce qui se passe dans des conditions plus réalistes. Lorsqu’il y a des substances comme de la salive simulée autour des virus, cela peut réduire l’efficacité des méthodes de purification par UV. »

Les fabricants et les organismes de réglementation des équipements de désinfection UV peuvent utiliser ces résultats pour aider à déterminer la durée d'irradiation nécessaire des surfaces dans les établissements de santé, les véhicules de transport et même les liquides afin d'obtenir l'inactivation du virus SARS-CoV-2.

"Il y a maintenant une forte dynamique pour introduire la désinfection par UV dans les environnements commerciaux", déclare le chercheur du NIST Cameron Miller. "À long terme, on espère que cette recherche conduira à des normes et à d'autres méthodes pour mesurer la dose d'UV nécessaire pour inactiver le SARS-CoV-2 et d'autres virus nocifs."

Ce projet s’appuie sur les travaux antérieurs de l’équipe du NIST et d’un autre collaborateur concernant l’inactivation des micro-organismes dans l’eau.

Selon la longueur d'onde, la lumière ultraviolette endommage les agents pathogènes de différentes manières. Certaines longueurs d'onde peuvent détruire l'ARN ou l'ADN des micro-organismes, les rendant incapables de se répliquer. D'autres longueurs d'onde peuvent décomposer les protéines, détruisant le virus lui-même.

Bien que le pouvoir désinfectant des rayons ultraviolets soit connu depuis plus d'un siècle, la recherche sur la désinfection par UV a connu une croissance explosive au cours de la dernière décennie. L'une des raisons est que les sources lumineuses UV traditionnelles contiennent parfois des substances toxiques telles que le mercure. Récemment, l'utilisation de lampes LED non toxiques comme sources de lumière UV a permis d'atténuer certaines de ces préoccupations.

Dans cette étude, les collaborateurs du NIST ont travaillé avec des biologistes du NBACC, dont les recherches éclairent les programmes de biodéfense contre les menaces biologiques telles que l’anthrax et le virus Ebola.

"Ce que le NBACC peut faire, c'est cultiver le virus, le concentrer et éliminer tout le reste", a déclaré Miller. "Nous essayons d'obtenir un message clair sur la quantité de lumière nécessaire pour inactiver le virus SARS-CoV-2."

Dans cette étude, l'équipe a testé le virus dans différentes suspensions. En plus d'utiliser un simulacre de salive, les scientifiques ont également placé le virus dans l'eau pour voir ce qui se passerait dans un environnement « pur ». Ils ont testé les suspensions virales sous forme de liquides et de gouttelettes séchées sur des surfaces en acier, représentant d'autres substances qu'une personne infectée pourrait produire en éternuant ou en toussant.

Le travail du NIST consiste à exposer des échantillons à la lumière ultraviolette issue de lasers. Ils recherchent la dose nécessaire pour éliminer 90 % des virus.

Grâce à ce dispositif, le projet collaboratif peut mesurer les réponses virales à 16 longueurs d’onde différentes, allant de l’extrémité basse du spectre ultraviolet, soit 222 nm, jusqu’au milieu du spectre visible, soit 488 nm. Les chercheurs ont inclus des longueurs d’onde plus longues car il a été prouvé que certaines lumières bleues possèdent des propriétés désinfectantes.

Éclairer un échantillon avec un laser dans un laboratoire sécurisé n’est pas une tâche aisée. Les chercheurs dans les laboratoires de niveau de biosécurité 3 (BSL-3) portent des combinaisons spéciales et des cagoules équipées de respirateurs. Quitter le laboratoire nécessite de prendre une longue douche avant de se changer en vêtements décontractés.

Les équipements coûteux tels que les lasers devront également subir une procédure de désinfection assez stricte.

"C'est un peu comme une porte à sens unique", a déclaré Miller. "Tout ce qui sort du laboratoire doit être incinéré, stérilisé à l'autoclave [stérilisation thermique] ou désinfecté chimiquement avec de la vapeur de peroxyde d'hydrogène. Ainsi, introduire notre laser d'une valeur de 120 000 dollars n'était pas une option que nous souhaitions utiliser."

En revanche, les chercheurs du NIST ont conçu un système qui place le laser et certains composants optiques dans le couloir à l'extérieur du laboratoire. Ils transmettent la lumière à travers un câble à fibre optique de 4 mètres de long jusqu'à un point étanche sous la porte du laboratoire. La pression négative fait circuler l'air du couloir vers le laboratoire, empêchant tout matériau de fuir vers le laboratoire.

Aperçu de l'installation des chercheurs. Le laser est placé dans un couloir à l'extérieur du laboratoire. Une fibre optique dirige le laser à travers une ouverture sous la porte vers la pièce où se trouvent les échantillons de SARS-CoV-2.

Ce laser génère une seule longueur d'onde à la fois et est entièrement accordable, permettant aux chercheurs de produire n'importe quelle longueur d'onde souhaitée. Cependant, comme l'angle de courbure de la lumière dépend de sa longueur d'onde, ils doivent créer un système de prismes pour ajuster l'angle sous lequel la lumière entre dans la fibre optique afin d'assurer un alignement correct. La modification de l'angle d'exportation nécessite de tourner manuellement un bouton qu'ils ont créé pour ajuster la position du prisme. Ils ont cherché à rendre ce processus aussi simple que possible, avec un minimum de pièces mobiles.

Schuit a déclaré : « Le dispositif conçu par l’équipe du NIST nous permet de tester rapidement une très large gamme de longueurs d’onde différentes, toutes dans des bandes hautement contrôlées et précises. Si nous essayions de tester le même nombre de longueurs d’onde sans ce système, nous devrions déboguer une multitude de types d’équipements différents, chacun produisant des bandes de largeurs variables. Ils nécessiteraient des configurations différentes, introduisant de nombreuses variables supplémentaires. »

La manipulation de la lumière nécessite des miroirs et des lentilles, mais les chercheurs les utilisent aussi peu que possible dans la conception, car chacun entraîne une perte d'intensité UV.

Pour les matériaux qui nécessitent de diriger la lumière des fibres optiques vers des échantillons de virus en laboratoire, l'équipe a tenté d'utiliser des composants peu coûteux. « Nous avons imprimé beaucoup de choses en 3D », a déclaré Steve Grantham, physicien au NIST, qui, avec Thomas Larason du NIST, était un membre clé de l'équipe. « Donc, rien n'est vraiment cher, et si nous ne l'utilisons plus, ce n'est pas un gros problème. »

Même la communication entre la zone laser et l'intérieur du laboratoire était difficile, car les personnes ne pouvaient pas entrer ou sortir à volonté, ils ont donc adopté un système d'interphonie filaire.

Miller a déclaré que, malgré ces défis, le système a fonctionné étonnamment bien, surtout compte tenu du fait qu'ils n'avaient que quelques mois pour l'assembler. « Il y a quelques domaines que nous pourrions améliorer », a déclaré Miller, « mais je pense que nos gains seraient minimes. »

L'équipe du NIST prévoit d'utiliser ce système pour de futures études sur d'autres virus et micro-organismes que les biologistes travaillant dans des laboratoires à haute sécurité pourraient souhaiter étudier.

Miller a déclaré : « Lorsque le prochain virus apparaîtra, ou tout agent pathogène qui les intéresse, il nous suffira de déplacer le système laser sur place, d’y installer une fibre optique, et ils la connecteront à leur système de projection. Nous sommes donc prêts pour la prochaine fois. »

Ce travail a été partiellement financé par la Direction des sciences et technologies du Département de la sécurité intérieure.

Source : cnBeta