Les stratégies conçues pour limiter le contact avec le pathogène, telles que la distanciation physique ou l'utilisation d'équipements de protection, sont la première ligne de défense contre les épidémies virales. Lorsque la voie d'entrée du virus est nos voies respiratoires, la connaissance de la manière dont le virus se transmet dans l'air est essentielle pour appliquer des stratégies efficaces. Les virus ne peuvent survivre que dans un environnement aqueux, ils sont donc en fait toujours transmis par les particules aqueuses que nous excrétions naturellement, et non sous forme de particules uniques. Ici, l'épidémiologie nous enseigne que la taille minimale des particules aqueuses dans lesquelles le virus conserve son potentiel infectieux fait une énorme différence dans le taux de transmission [2]. Les gouttelettes est le terme utilisé pour décrire les particules respiratoires de plus de 5 µm. Ils sont principalement produits lorsque nous parlons, crions, chantons ou éternuons, ne se projettent pas très loin et ont tendance à tomber rapidement au sol. Les particules de moins de 5 µm de diamètre sont appelées aérosols car elles ont la capacité de rester en suspension dans l'air beaucoup plus longtemps que les gouttelettes et peuvent parcourir des distances beaucoup plus longues. Ainsi, les virus respiratoires capables de conserver un potentiel infectieux dans les aérosols ont généralement un taux de transmission beaucoup plus élevé que ceux qui ne peuvent conserver l'infectiosité que dans les gouttelettes. À cet égard, la pandémie de SARS-CoV-2 a prouvé être un exemple classique. Au début de la pandémie, alors que la transmission du virus était considérée comme se faisant uniquement par gouttelettes, des mesures d'atténuation telles que la désinfection des mains et les masques chirurgicaux étaient jugées suffisantes pour prévenir la propagation de la maladie. Alors qu'il devenait de plus en plus clair que la transmission était également aéroportée, les recommandations devenaient plus strictes, avec des pays comme l'Autriche rendant le port de masques respiratoires (N95 ou FFP2) obligatoire dans les espaces publics fermés [3]. Les masques respiratoires sont testés pour leur efficacité de filtration en utilisant des aérosols de particules de chlorure de sodium et sont qualifiés pour filtrer ≥95 % des particules de plus de 300 nm [4]. Bien qu'ils offrent une protection significative à l'utilisateur, ils ne constituent pas une barrière absolue contre un virus contenu dans un aérosol de taille nanométrique. C'est pourquoi la pandémie de SARS-CoV-2 a également vu le développement rapide de filtres HEPA portables, qui sont qualifiés pour retenir ≥99,97 % des particules inférieures à 300 nm, pour la purification de l'air de la pièce [5]. Les virus d'origine hydrique, qui utilisent généralement notre système digestif comme portail d'entrée, constituent un défi différent. Le poliovirus, l'hépatite A et les norovirus sont parmi les plus petits virus humains connus, mesurant en moyenne environ 30 nm de diamètre (Figure 1). Comme ils n'utilisent pas de particules porteuses, mais sont directement infectieux, un système de filtration de l'eau doit garantir que les particules de la taille du virus lui-même sont bloquées. Ici, des progrès sont réalisés dans le développement de nanofiltres innovants (par exemple, des filtres en cellulose nanofibrillée), qui ont ajouté une fonctionnalisation spécifique pour augmenter la rétention des virus. Comme les virus ont tendance à être chargés négativement, la fonctionnalisation visant à augmenter la charge nette de la membrane filtrante peut augmenter leur capacité de filtration. À cet égard, l' analyseur électrocinétique SurPASS 3 d'Anton Paar est utilisé pour caractériser le potentiel zêta des filtres à eau antiviraux [6] [7].
La taille des virus : implications pour les mesures prophylactiques
Les virus sont des agents pathogènes extrêmement petits dont les espèces connues varient en taille d'environ 20 nm à plusieurs centaines de nanomètres (Figure 1). Pourtant, ils ont le potentiel d'affecter nos vies de manière dramatique, comme l'a montré l'épidémie de SARS-CoV-2 [1]. Ici, nous décrivons comment leur taille doit être prise en compte pour développer et produire des mesures prophylactiques efficaces, de l'ajustement des équipements de protection et de la compréhension de leur interaction avec notre système immunitaire à la conception et à la production de vaccins antiviraux. Nous allons montrer comment nos technologies de mesure peuvent être utiles pour réaliser ces tâches difficiles de R&D et de contrôle qualité.
Figure 1 : Les virus humains varient en taille de 20 nm à plusieurs centaines de nanomètres. © ViralZone, SIB Swiss Institute of Bioinformatics, distribué sous une licence CC BY 4.0.
Impact de la taille des virus sur le développement des équipements de protection
Développement de vaccins, Contrôle de la qualité des vaccins : Pourquoi la taille des particules est-elle importante
La vaccination est largement reconnue comme l'intervention prophylactique la plus efficace contre les virus. Ici encore, la taille du candidat vaccin a un impact significatif à la fois sur son efficacité et sur son processus de fabrication.
Figure 2 : La taille d'un pathogène ou d'un vaccin influence son immunogénicité. Adapté de [8]. CC BY 4.0 licensed
Dans la recherche et le développement de vaccins, la dernière décennie a vu un changement vers l'utilisation de nanoparticules comme candidats vaccins. Cela a été motivé par la compréhension croissante de la façon dont notre système immunitaire détecte et traite les pathogènes. Les particules de taille nanométrique sont efficacement absorbées par les cellules dendritiques, une classe de cellules sentinelles dotées uniquement de la capacité d’induire à la fois l’immunité médiée par les anticorps et les lymphocytes T [9]. De plus, les nanoparticules de moins de 200 nm ont la capacité de traverser passivement la barrière endothéliale et d'entrer dans les vaisseaux lymphatiques, ce qui leur permet de s'accumuler dans les ganglions lymphatiques [8]. Comme la majeure partie de la réponse immunitaire adaptative se déroule dans nos ganglions lymphatiques, cela donne aux candidats vaccins nanoparticulaires dans la plage de 10-200 nm un coup de pouce significatif en termes d'efficacité (Figure 2). La technologie récemment développée des vaccins à base de liposomes d'ARNm, qui utilise des nanoparticules lipidiques d'environ 100 nm comme vecteurs, a fourni des preuves supplémentaires de cela. Dans un tel cas, la taille des particules du vecteur de nanoparticules lipidiques a un impact significatif sur l'immunogénicité du candidat vaccin [10].La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une méthode de mesure rapide et non invasive qui permet d'élucider la distribution de la taille des particules dans la gamme de tailles allant du nanomètre inférieur au micromètre inférieur. Cela fait de la DLS une méthode de choix pour le contrôle de qualité des vaccins antiviraux. L'instrument Litesizer 500 d'Anton Paar a été utilisé pour le développement de systèmes de livraison de vaccins aussi divers que des nanoparticules lipidiques, des particules de type virus et des nanoparticules à base de minéraux ou de polymères. Litesizer 500 peut également effectuer la diffusion de lumière électrophorétique (ELS), qui mesure la charge des particules – ou le potentiel zêta – des nanoparticules. Ceci fournit des informations sur la stabilité colloïdale des nanoparticules, un paramètre clé en particulier pour les systèmes de délivrance basés sur des nanoparticules lipidiques [11]. De nos jours, les instruments DLS/ELS sont également courants dans les laboratoires de contrôle de la qualité des vaccins. Non seulement ils peuvent s'assurer que les étapes de fabrication ont généré un produit dans la plage de tailles correcte, mais ils peuvent également fournir rapidement et efficacement des informations sur la présence de contaminants, le comportement d'agrégation et la stabilité colloïdale.
Figure 3 : Distributions de taille des particules de différents vaccins antiviraux soumis à des perturbations simulées de la chaîne du froid : traitement thermique (50 °C, 18 heures) ou congélation-dégel (1 cycle, -18 °C). Mesuré par DLS sur un instrument Litesizer 500. Les courbes représentent les valeurs moyennes d'au moins cinq répétitions de mesure. CC BY 4.0 licensed
La figure 3 montre les résultats de DLS obtenus sur trois vaccins antiviraux différents soumis à des perturbations simulées de la chaîne du froid. Des échantillons d'un vaccin contre l'encéphalite à tiques (TBE), composé de virions inactivés adsorbés sur des microparticules d'alumine, d'un vaccin contre l'influenza basé sur des cellules, et d'un vaccin à nanoparticules d'ARNm/lipides contre le SARS-CoV-2 ont été soumis soit à une incubation de 18 heures à 50 °C, soit à un cycle de congélation-dégel unique. Les résultats montrent que le vaccin TBE s'agrège significativement en réponse au gel-dégel et encore plus nettement après un traitement thermique. En revanche, le vaccin SARS-CoV-2 s'agrège légèrement après un traitement thermique et plus fortement après un cycle de congélation-dégel unique. Le vaccin contre la grippe montre le comportement d'agrégation le plus complexe. L'échantillon non traité présente une distribution de taille des particules bimodale, avec un pic mineur à environ 30 nm de diamètre représentant probablement des virions fractionnés, et un pic majeur autour de 250 nm montrant des agrégats viraux. Alors qu'un seul cycle de gel-dégel entraîne une diminution significative du pic de 30 nm (virions éclatés), le traitement thermique a l'effet inverse et augmente plutôt la proportion de virions éclatés dans la distribution – ce qui suggère une désagrégation ou une fragmentation. De manière cruciale, même les différences qui semblent subtiles dans les graphiques de distribution de la taille des particules s'avèrent statistiquement significatives en raison de l'excellente répétabilité de la technique. Au-delà du produit lui-même, le contrôle de la qualité des vaccins devrait également inclure une évaluation des propriétés du conteneur de stockage. Les composants protéiques et lipidiques du vaccin sont susceptibles d'adsorption sur les parois du flacon ou de la seringue, ce qui peut potentiellement entraîner une perte de matériau ou même une agrégation/dégradation du produit. Ainsi, la caractérisation de la surface intérieure du conteneur potentiel zêta par le analyseur électrocinétique SurPASS 3 peut aider à minimiser la réactogénicité. À noter, une cellule de mesure spécifique pour les seringues standard a été développée pour le SurPASS 3 afin de faciliter de telles mesures.
Informations complémentaires
Instruments :
- Analyseur de taille de particules : Litesizer 500
- Analyseur électrocinétique pour l'analyse de la surface des solides : SurPASS 3
Rapports d'application :
- Lui donner sa meilleure chance : Contrôle qualité des vaccins antiviraux avec le Litesizer
- Histoire de succès/Entretien : Kernal Biologics, Thomas Colace
- Liposomes : Mesures de taille avec le Litesizer 500
- Surfaces autodésinfectantes - Corrélation entre l’activité antimicrobienne et le potentiel zêta
- Études du potentiel zêta sur le traitement de surface des cylindres de seringues préremplies
Références
[1] Déclaration conjointe de l'OIT, de la FAO, du FIDA et de l'OMS, "Impact de la COVID-19 sur les moyens de subsistance des personnes, leur santé et nos systèmes alimentaires," 13 octobre 2020. [En ligne]. Disponible : www.who.int/news/item/13-10-2020-impact-of-covid-19-on-people's-livelihoods-their-health-and-our-food-systems. [Consulté le 24 mars 2022]. [2] K. Randall, E. T. Ewing, L. C. Marr, J. L. Jimenez et L. Bourouiba, "Comment en sommes-nous arrivés là : que sont les gouttelettes et les aérosols et jusqu'où vont-ils ?" Une perspective historique sur la transmission des maladies infectieuses respiratoires," Interface Focus, vol. 11, p. 20210049, 2021. [3] D. Lewis, "Pourquoi l'OMS a mis deux ans à dire que le COVID est aéroporté," Nature, vol. 604, pp. 26-31, 2022. [4] L. Brosseau et R. Berry Ann, "Masques N95 et masques chirurgicaux," 2009. [En ligne]. Disponible : blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2009/10/14/n95/. [Consulté le 11 avril 2022]. [5] T. Thompson, "Les données du monde réel montrent que les filtres nettoient le virus causant la COVID de l'air," Nature, 6 octobre 2021. [6] G. P. Szekeres, Z. Nemeth, K. Schrantz, K. Nemeth, M. Schabikowski, J. Traber, W. Pronk, K. Hernadi et T. Graule, "Filtres à eau en cellulose revêtus de cuivre pour la rétention des virus," ACS Omega, vol. 3, pp. 446-454, 2018. [7] T. Sinclair, D. Robles, B. Raza, S. van den Hengel, S. Rutjes, A. de Roda Husman, J. de Grooth, W. de Vos et H. Roesink, "Réduction des virus par des membranes de microfiltration modifiées avec un polymère cationique pour des applications d'eau potable," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 551, pp. 33-41, 2018. [8] M. F. Bachmann et G. T. Jennings, "Administration de vaccins : une question de taille, de géométrie, de cinétique et de motifs moléculaires," Nature Reviews Immunology, vol. 10, pp. 787-796, 2010. [9] J. Jia, Y. Zhang, Y. Xin, C. Jiang, B. Yan et S. Zhai, "Interactions entre les nanoparticules et les cellules dendritiques : du point de vue de l'immunothérapie contre le cancer," Frontiers in Oncology, vol. 8, p. 404, 2018. [10] K. J. Hassett , J. Higgins, A. Woods, B. Levy, Y. Xia, C. J. Hsiao, E. Acosta, Ö. Almarsson, M. J. Moore et L. A. Brito, "Impact de la taille des nanoparticules lipidiques sur l'immunogénicité des vaccins à ARNm," Journal of Controlled Release, vol. 335, pp. 237-246, 2021. [11] X. An, M. Martinez-Paniagua, A. Rezvan, S. R. Sefat, M. Fathi, S. Singh, S. Biswas, M. Pourpak , C. Yee, X. Liu et N. Varadarajan, "La vaccination intranasale en dose unique déclenche une immunité systémique et muqueuse contre le SARS-CoV-2," iScience, vol. 24, p. 103037, 2021.
