Déterminer quelles longueurs d’onde de la lumière UV fonctionnent le mieux pour la désinfection du virus COVID-19

Pour désinfecter une surface, vous pouvez l’éclairer avec un jet de lumière ultraviolette (UV), qui est plus bleue que ce que l’œil humain peut voir. Mais pour inactiver spécifiquement le SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, quelles sont les meilleures longueurs d’onde ? Et combien de rayonnement est suffisant?

Pour répondre à ces questions, les scientifiques doivent surmonter deux obstacles principaux. Premièrement, ils doivent séparer complètement le virus des substances étrangères présentes dans l’environnement. Deuxièmement, ils doivent illuminer le virus avec une seule longueur d’onde de lumière UV à la fois, avec des modifications minimes de la configuration expérimentale entre les tests.

Une collaboration récente entre le National Institute of Standards and Technology (NIST) et le National Biodefense Analysis and Countermeasures Center (NBACC), un laboratoire de la Direction des sciences et technologies du Département américain de la sécurité intérieure, a surmonté ces deux obstacles et a mené à bien ce qui pourrait être le plus approfondi. test jamais effectué sur la façon dont plusieurs longueurs d’onde UV et visibles différentes affectent le SRAS-CoV-2.

Dans un nouvel article publié cette semaine dans Optique appliquée, les collaborateurs décrivent leur nouveau système pour projeter une seule longueur d’onde de lumière à la fois sur un échantillon de virus COVID-19 dans un laboratoire sécurisé. Classé au niveau de biosécurité 3 (BSL-3), le laboratoire est conçu pour étudier les microbes potentiellement mortels lorsqu’ils sont inhalés. Leur expérience a testé plus de longueurs d’onde d’UV et de lumière visible que toute autre étude avec le virus qui cause le COVID-19 à ce jour.

Alors, qu’est-ce que la kryptonite du SARS-CoV-2 ? En fin de compte, rien de spécial : le virus est sensible aux mêmes longueurs d’onde de lumière UV que d’autres virus tels que ceux qui causent la grippe. Les longueurs d’onde les plus efficaces étaient celles de la gamme « UVC » entre 222 et 280 nanomètres (nm). La lumière UVC (gamme complète de 200 à 280 nm) est plus courte que les longueurs d’onde UVB (280 à 315 nm) qui causent les coups de soleil.

Les chercheurs ont également montré que l’environnement du virus peut avoir un effet protecteur sur le virus. Dans l’étude, il a fallu une dose UV plus faible pour inactiver les virus lorsqu’ils étaient placés dans de l’eau pure que 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 du virus dans de la salive simulée crée une situation similaire aux scénarios du monde réel impliquant des éternuements et de la toux. Cela peut rendre les résultats plus directement informatifs que ceux des études précédentes.

« Je pense que l’une des grandes contributions de cette étude est que nous avons pu montrer que le type de résultats idéalisés que nous voyons dans la plupart des études ne prédisent pas toujours ce qui se passe lorsqu’il y a un scénario plus réaliste en jeu », a déclaré Michael Schuit de NBACC. « Lorsque vous avez du matériel comme la salive simulée autour du virus, cela peut réduire l’efficacité des approches de décontamination UV. »

Les fabricants d’appareils de désinfection UV et de régulateurs peuvent utiliser ces résultats pour aider à déterminer la durée d’irradiation des surfaces dans les milieux médicaux, les avions ou même les liquides pour obtenir l’inactivation du virus SARS-CoV-2.

« En ce moment, il y a un grand effort pour introduire la désinfection UVC dans l’atmosphère commerciale », a déclaré Cameron Miller, chercheur au NIST. « À long terme, espérons que cette étude conduira à des normes et à d’autres méthodologies pour mesurer la dose d’UV nécessaire pour inactiver le SRAS-CoV-2 et d’autres virus nocifs. »

Ce projet s’appuyait sur des travaux antérieurs réalisés par l’équipe du NIST avec un autre collaborateur sur l’inactivation des micro-organismes dans l’eau.

Jeter un peu de lumière

Selon la longueur d’onde, la lumière UV endommage les agents pathogènes de différentes manières. Certaines longueurs d’onde peuvent endommager l’ARN ou l’ADN des microbes, leur faisant perdre la capacité de se répliquer. D’autres longueurs d’onde peuvent décomposer les protéines, détruisant le virus lui-même.

Même si les gens connaissent les capacités de désinfection de la lumière UV depuis plus de cent ans, il y a eu une explosion de la recherche sur la désinfection UV au cours de la dernière décennie. L’une des raisons est que les sources traditionnelles de lumière UV contiennent parfois des matériaux toxiques tels que le mercure. Récemment, l’utilisation de lampes LED non toxiques comme source de lumière UV a atténué certaines de ces préoccupations.

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

« Ce que le NBACC a pu faire, c’est développer le virus, le concentrer et supprimer tout le reste », a déclaré Miller. « Nous essayions d’obtenir un message clair sur la quantité de lumière dont nous avons besoin pour inactiver uniquement le virus SARS-CoV-2. »

Dans l’étude, l’équipe a testé le virus dans différentes suspensions. En plus d’utiliser le mime de la salive, les scientifiques ont également mis le virus dans l’eau pour voir ce qui s’est passé dans un environnement « pur », sans composants qui pourraient le protéger. Ils ont testé leurs suspensions de virus à la fois sous forme de liquides et de gouttelettes séchées sur des surfaces en acier, ce qui représentait quelque chose qu’une personne infectée pourrait éternuer ou tousser.

Le travail du NIST consistait à diriger la lumière UV d’un laser sur les échantillons. Ils cherchaient la dose nécessaire pour tuer 90% du virus.

Avec cette configuration, la collaboration a pu mesurer comment le virus a répondu à 16 longueurs d’onde différentes allant de l’extrémité très basse des UVC, 222 nm, jusqu’à la partie médiane de la plage de longueurs d’onde visible, à 488 nm. Les chercheurs ont inclus les longueurs d’onde plus longues car il a été démontré que certaines lumières bleues avaient des propriétés désinfectantes.

Pas de morceau de gâteau

Obtenir la lumière laser sur les échantillons dans un laboratoire sécurisé n’était pas anodin. Les chercheurs d’un laboratoire BSL-3 portent des gommages et des cagoules avec respirateurs. La sortie du laboratoire nécessite une longue douche avant de se remettre en tenue civile.

Des équipements tels que le coûteux laser de l’équipe auraient dû subir une procédure de stérilisation beaucoup plus sévère.

« C’est une sorte de porte à sens unique », a déclaré Miller. « Tout ce qui sort de ce laboratoire doit être soit incinéré, soit passé à l’autoclave [heat-sterilized], ou chimiquement désinfecté avec de la vapeur de peroxyde d’hydrogène. Donc, prendre notre laser à 120 000 $ n’était pas l’option que nous voulions utiliser. »

Au lieu de cela, les chercheurs du NIST ont conçu un système où le laser et une partie de l’optique se trouvaient dans un couloir à l’extérieur du laboratoire. Ils ont acheminé la lumière à travers un câble à fibre optique de 4 mètres de long qui passait à travers un joint sous une porte de laboratoire. La pression négative a permis à l’air de circuler du couloir dans le laboratoire et a empêché quoi que ce soit de fuir.

Le laser produisait une seule longueur d’onde à la fois et était entièrement réglable afin que les chercheurs puissent produire la longueur d’onde de leur choix. Mais comme la lumière se plie à différents angles en fonction de sa longueur d’onde, ils ont dû créer un système de prisme qui modifiait l’angle sous lequel la lumière pénétrait dans la fibre afin qu’elle s’aligne correctement. Changer l’angle de sortie impliquait de tourner manuellement un bouton qu’ils avaient créé pour ajuster la position d’un prisme. Ils ont essayé de rendre tout cela aussi simple que possible, avec un nombre minimal de pièces mobiles.

« L’appareil que l’équipe du NIST a mis au point nous a permis de tester rapidement une très large gamme de longueurs d’onde différentes, le tout à des bandes d’ondes très contrôlées et précises », a déclaré Schuit. « Si nous essayions de faire le même nombre de longueurs d’onde sans ce système, nous aurions dû jongler avec un tas de différents types d’appareils, chacun d’eux aurait produit des bandes d’ondes de différentes largeurs. Ils auraient nécessité différentes configurations, et là aurait eu beaucoup de variables supplémentaires dans le mélange. »

La manipulation de la lumière nécessitait des miroirs et des lentilles, mais les chercheurs l’ont conçu pour en utiliser le moins possible, car chacun entraîne une perte d’intensité pour la lumière UV.

Pour les matériaux qui devaient entrer dans le laboratoire pour projeter la lumière de la fibre sur les échantillons de virus COVID, l’équipe a essayé d’utiliser des pièces peu coûteuses. « Nous avons imprimé en 3D beaucoup de choses », a déclaré le physicien du NIST Steve Grantham, un membre clé de l’équipe avec Thomas Larason du NIST. « Donc, rien n’était vraiment cher et si nous ne l’utilisons plus jamais, ce n’est pas grave. »

Même la communication entre la zone laser et l’intérieur du laboratoire était difficile parce que les gens ne pouvaient pas entrer et sortir à leur guise, ils ont donc utilisé un système d’interphone filaire.

Malgré les défis, le système a étonnamment bien fonctionné, a déclaré Miller, d’autant plus qu’ils n’avaient que des mois pour le mettre en place. « Il y a quelques domaines dans lesquels nous pourrions probablement nous améliorer, mais je pense que nos gains seraient minimes », a déclaré Miller.

L’équipe du NIST prévoit d’utiliser ce système pour de futures études sur d’autres virus et micro-organismes que les biologistes des laboratoires de haute sécurité pourraient vouloir mener.

« Lorsque le prochain virus arrive, ou quel que soit l’agent pathogène qui les intéresse, tout ce que nous avons à faire est de rouler le système laser là-haut, de pousser une fibre là-dessous, et ils le connecteront à leur système de projecteur », a déclaré Miller. . « Alors maintenant, nous sommes prêts pour la prochaine fois. »