Par l’Université de Washington à St. Louis
10 juillet 2023
Une équipe de chercheurs de la McKelvey School of Engineering et de la School of Medicine a mis au point un moniteur de qualité de l’air qui peut détecter le virus SARS-CoV-2 vivant dans les environnements intérieurs. Le moniteur utilise un biocapteur composé de nanocorps intégré à un échantillonneur d’air qui fonctionne selon la technologie du cyclone humide. Crédit : Joseph Puthussery
Le dispositif de preuve de concept pourrait également permettre de surveiller la grippe, le VRS et d’autres virus respiratoires.
Maintenant que la phase d’urgence de la pandémie COVID-19 est terminée, les scientifiques cherchent des moyens de surveiller les environnements intérieurs en temps réel pour détecter les virus. En combinant les progrès récents de la technologie d’échantillonnage des aérosols et une technique de biodétection ultrasensible, des chercheurs de l’université Washington à St. Louis ont créé un moniteur en temps réel qui peut détecter n’importe quelle variante du virus SARS-CoV-2 dans une pièce en 5 minutes environ.
Ce dispositif peu coûteux, qui a fait ses preuves, pourrait être utilisé dans les hôpitaux et les établissements de soins, les écoles et les lieux publics pour aider à détecter le CoV-2 et éventuellement surveiller d’autres aérosols de virus respiratoires, tels que la grippe et le virus respiratoire syncytial (VRS). Les résultats de leurs travaux sur le moniteur, qui, selon eux, est le détecteur le plus sensible disponible, sont publiés aujourd’hui (10 juillet) dans la revue Nature Communications.
L’équipe interdisciplinaire de chercheurs de la McKelvey School of Engineering et de la School of Medicine est composée de Rajan Chakrabarty, Harold D. Jolley Career Development Associate Professor of energy, environmental & ; chemical engineering in McKelvey Engineering ; Joseph Puthussery, associé de recherche postdoctorale dans le laboratoire de Chakrabarty ; John Cirrito, professeur de neurologie à la School of Medicine ; et Carla Yuede, professeure agrégée de psychiatrie à la School of Medicine.
Cette figure illustre la trajectoire des particules à l’intérieur de l’échantillonneur cyclonique pendant l’échantillonnage de l’air. L’équipe de l’université de Washington a utilisé des simulations de dynamique des fluides numériques (CFD) pour mieux comprendre l’efficacité de collecte des aérosols à l’intérieur du cyclone humide en fonction de leur taille. Crédit : Joseph Puthussery
« À l’heure actuelle, rien ne nous permet de savoir si une pièce est sûre », a déclaré M. Cirrito. « Si vous êtes dans une pièce avec 100 personnes, vous ne voulez pas savoir cinq jours plus tard si vous pourriez être malade ou non. L’idée de ce dispositif est de pouvoir savoir en temps réel, ou toutes les 5 minutes, s’il y a un virus vivant.
Cirrito et Yuede avaient déjà mis au point un biocapteur à micro-immunoélectrodes (MIE) qui détecte la bêta-amyloïde en tant que biomarqueur de la maladie d’Alzheimer et se demandaient s’il pouvait être converti en détecteur du SRAS-CoV-2. Ils se sont adressés à Chakrabarty, qui a constitué une équipe comprenant Puthussery, qui avait l’expérience de la construction d’instruments en temps réel pour mesurer la toxicité de l’air.
Pour convertir le biocapteur de la détection de l’amyloïde bêta au coronavirus, les chercheurs ont échangé l’anticorps qui reconnaît l’amyloïde bêta contre un nanocorps de lamas qui reconnaît la protéine de pointe du virus SARS-CoV-2. David Brody, docteur en médecine, ancien membre du département de neurologie de la faculté de médecine et auteur de l’article, a mis au point le nanocorps dans son laboratoire des National Institutes of Health (NIH). Selon les chercheurs, le nanocorps est petit, facile à reproduire et à modifier et peu coûteux à fabriquer.
« L’approche électrochimique basée sur les nanocorps est plus rapide pour détecter le virus car elle ne nécessite pas de réactif ou de nombreuses étapes de traitement », a déclaré Yuede. « Le SARS-CoV-2 se lie aux nanocorps à la surface et nous pouvons induire l’oxydation des tyrosines à la surface du virus à l’aide d’une technique appelée voltampérométrie à ondes carrées pour obtenir une mesure de la quantité de virus dans l’échantillon.
Chakrabarty et Puthussery ont intégré le biocapteur dans un échantillonneur d’air qui fonctionne sur la base de la technologie du cyclone humide. L’air pénètre dans l’échantillonneur à très grande vitesse et se mélange de manière centrifuge au fluide qui tapisse les parois de l’échantillonneur pour créer un tourbillon de surface, piégeant ainsi les aérosols de virus. L’échantillonneur à cyclone humide est équipé d’une pompe automatisée qui collecte le liquide et l’envoie au biocapteur pour une détection sans faille du virus par électrochimie.
« Le défi posé par les détecteurs d’aérosols est que le niveau de virus dans l’air intérieur est si dilué qu’il se rapproche même de la limite de détection de la réaction en chaîne de la polymérase (PCR) et revient à trouver une aiguille dans une botte de foin », a déclaré M. Chakrabarty. « La récupération élevée de virus par le cyclone humide peut être attribuée à son débit extrêmement élevé, qui lui permet d’échantillonner un plus grand volume d’air au cours d’une collecte d’échantillons de 5 minutes par rapport aux échantillonneurs disponibles dans le commerce.
La plupart des échantillonneurs de bioaérosols du commerce fonctionnent à des débits relativement faibles, a expliqué M. Puthussery, alors que le moniteur de l’équipe a un débit d’environ 1 000 litres par minute, ce qui en fait l’un des dispositifs à débit le plus élevé disponible sur le marché. Il est également compact (environ 1 pied de large et 10 pouces de haut) et s’allume lorsqu’un virus est détecté, alertant les administrateurs pour qu’ils augmentent le débit d’air ou la circulation dans la pièce.
L’équipe a testé le moniteur dans les appartements de deux patients COVID positifs. Les résultats de la PCR en temps réel d’échantillons d’air prélevés dans les chambres ont été comparés à des échantillons d’air prélevés dans une salle de contrôle exempte de virus. Les appareils ont détecté de l’ARN du virus dans les échantillons d’air des chambres à coucher, mais n’en ont pas détecté dans les échantillons d’air de contrôle.
Lors d’expériences en laboratoire qui ont consisté à aérosoliser le SARS-CoV-2 dans une chambre de la taille d’une pièce, le cyclone humide et le biocapteur ont été capables de détecter des niveaux variables de concentration du virus dans l’air après seulement quelques minutes d’échantillonnage.
« Nous commençons par le SRAS-CoV-2, mais il est prévu de mesurer également la grippe, le VRS, le rhinovirus et d’autres agents pathogènes de premier plan qui infectent régulièrement les gens », a déclaré Cirrito. « Dans un environnement hospitalier, le moniteur pourrait être utilisé pour mesurer la présence de staphylocoques ou de streptocoques, qui sont à l’origine de toutes sortes de complications pour les patients. Cela pourrait vraiment avoir un impact majeur sur la santé des gens ».
L’équipe travaille à la commercialisation du moniteur de qualité de l’air.
Référence : « Real-time environmental surveillance of SARS-CoV-2 aerosols » 10 juillet 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-39419-z
Puthussery J V, Ghumra DP, McBrearty KR, Doherty BM, Sumlin BJ, Sarabandi A, Mandal AG, Shetty NJ, Gardiner WD, Magrecki JP, Brody DL, Esparza TJ, Bricker TL, Boon ACM, Yuede CM, Cirrito JR, Chakrabarty RK. Surveillance environnementale en temps réel des aérosols de SARS-CoV-2. Nature Communications, 10 juillet 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39419-z
Cette recherche a été financée par le programme RADx-Rad des National Institutes of Health (NIH) (U01 AA029331, U01 AA029331-S1), le National Institute of Neurological Disorders and Stroke Intramural Research Program des NIH, le SARS-CoV-2 Assessment of Viral Evolution (SAVE) Program et le WashU-IITB Joint Master’s Program.