La lumière UV pourrait protéger le monde du coronavirus et de tout ce qui va suivre

Entrez dans le bureau de Cambridge, en Ontariode l'entreprise d'équipement de soins de santé PrescientX et vous ne vous douteriez probablement pas que vous entrez dans l'un des endroits les plus hygiéniques d'Amérique du Nord.

Dans cette suite de bureaux autrement ordinaire de la région de Toronto, vous pouvez désinfecter vos clés, votre téléphone et d'autres appareils portables au stand de stérilisation aux ultraviolets de la zone de réception. Pendant les mois les plus froids, l'air que vous respirez est débarrassé des moisissures et des bactéries dans les unités de chauffage stérilisées aux UV, ainsi que soufflé par les appareils UV dans les conduits d'air des bureaux pour éliminer les virus. Les luminaires UV dans la chambre pointant vers le plafond désinfectent l'air, tandis que d'autres lampes UV qui ne s'allument que lorsque personne n'est dans la pièce éliminent les agents pathogènes sur les bureaux, les claviers et les surfaces à contact élevé dans les salles de bains et les espaces de travail.

Le bureau, déclare Barry Hunt, fondateur et PDG de PrescientX, représente un avenir possible dans lequel les pandémies comme le COVID-19 sont plus courantes, mais dans lequel la lumière ultraviolette germicide est l'une des armes les plus puissantes dont nous disposons pour les affronter.

Depuis près d'un siècle et demi, les scientifiques étudient l'effet mortel de la lumière ultraviolette sur les germes. Ces derniers temps, les UV ont été déployés comme désinfectant contre les particules mortelles de coronavirus lors de l'épidémie de SRAS en 2003. Et dès que le nouveau coronavirus a commencé à se propager sérieusement en Chine à la fin de l'année dernière, les UV sont revenus comme une arme potentiellement puissante pour lutter contre ce nouveau fléau. . Alors que les médicaments antiviraux et les vaccins se concentrent sur la minimisation et la répulsion des infections dans le corps, les systèmes ultraviolets déployés se concentrent sur la destruction du virus dans l'environnement, avant qu'il n'ait la chance d'infecter qui que ce soit.

Fly Safe : Le système UV Cabin de Dimer UVC et Honeywell est conçu pour désinfecter un avion entier en quelques minutes.Photos : Honeywell Aerospace

La technologie UV germicide est maintenant utilisée pour stériliser l'air, les surfaces et les équipements de protection individuelle comme les masques N95. Pendant ce temps, les experts dans le domaine consacrent une grande partie de leur temps à éduquer le public sur l'efficacité de la technologie contre le coronavirus et les épidémies et pandémies à venir. Selon Dean Saputa, vice-président et cofondateur d'UV Resources, une société de technologie UV basée à Santa Clarita, en Californie, le principal obstacle aux UV germicides, "est de surmonter le manque de... compréhension de cette technologie".

Pour commencer, les experts soulignent que tous les rayons ultraviolets ne sont pas créés égaux. La lumière ultraviolette se situe dans une région du spectre électromagnétique au-delà de l'indigo et du violet. Quiconque a lu l'étiquette d'une bouteille de crème solaire sait que les longueurs d'onde UV qui vous donnent un bronzage ou un coup de soleil sont appelées UV-A (avec des longueurs d'onde comprises entre 400 et 315 nanomètres) et UV-B (315 à 280 nm). La technologie UV germicide se concentre sur des longueurs d'onde UV plus courtes et plus énergétiques, appelées UV-C, qui se situent entre 280 et 100 nm. La couche d'ozone de la Terre empêche pratiquement toute la lumière UV-C de nous atteindre. Ainsi, les microbes et les virus (et tout le reste, vraiment) ont évolué pendant des millions et des milliards d'années sans jamais être exposés à ces longueurs d'onde.

Cela a changé en 1901, avec l'invention de la lampe à vapeur de mercure. Il produit une puissante longueur d'onde de lumière UV-C - 254 nm - qui s'est avérée dévastatrice pour presque tout le matériel génétique sur son chemin, y compris celui d'un coronavirus ou d'un humain.

Une grande partie de l'astuce pour utiliser la lumière UV germicide contre la propagation de la maladie consiste à trouver un moyen de protéger les gens de cette lumière. Les personnes impliquées ont déjà acquis une grande expertise dans ce domaine, mais une nouvelle technologie pourrait faciliter l'utilisation des UV-C dans les espaces occupés.

Alors que la lumière UV-C est utilisé avec succès contre les germes depuis plus d'un siècle, ce n'est que récemment que les chercheurs ont compris pourquoi il est si efficace. Dans l'alphabet à quatre lettres des nucléotides de l'ADN, la thymine (T) et la cytosine (C) sont particulièrement sensibles aux UV. Les UV libèrent un électron et provoquent la liaison de deux molécules T ou deux molécules C, introduisant une erreur dans une chaîne d'ADN. Les humains ont des mécanismes génétiques d'auto-réparation, y compris une molécule appelée p53. Cette protéine (parfois appelée « gardienne du génome ») patrouille les brins d'ADN et recherche précisément ce type de dommages aux nucléotides. Mais p53 ne peut pas tout faire. Trop de dommages le submergent et peuvent conduire au cancer.

Rayons de la mort : les UV-C se situent à l'extrémité de la partie ultraviolette du spectre. La plupart des produits UV-C utilisent des lampes à vapeur de mercure, qui brillent à 254 nanomètres. Les scientifiques explorent une autre longueur d'onde, 222 nm, car elle peut être plus sûre pour une utilisation autour des humains. Source : UV Resources

Le SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, ne dispose pas de mécanismes d'auto-réparation aussi sophistiqués, et son matériel génétique est composé d'ARN plutôt que d'ADN. L'ARN contient de l'uracile au lieu de la thymine, mais l'effet des UV-C est essentiellement le même : les dommages génétiques s'accumulent et le virus est détruit.

Le principal problème avec la lumière UV-C dans la gamme de 254 nm est qu'elle pénètre la peau et les yeux humains, entraînant un cancer de la peau et des cataractes. Ainsi, l'effet de destruction de l'ADN des UV-C signifie que tout dispositif de désinfection qui l'utilise doit être conçu pour fonctionner soit lorsque personne ne se trouve dans la pièce, soit dans un espace autonome où les humains ne peuvent pas aller.

Les chercheurs tentent d'équilibrer les avantages et les dangers des UV-C depuis des décennies. À la fin des années 1930 et au début des années 1940, l'épidémiologiste américain William F. Wells a installé des lampes à vapeur de mercure émettant des UV-C dans les écoles de Philadelphie pour lutter contre une épidémie de rougeole, à la suite de son travail révolutionnaire qui a montré des bactéries et des virus en suspension dans l'air. pourrait provoquer une infection. Les luminaires ont été conçus pour irradier l'air uniquement dans la partie supérieure de la salle, afin de protéger les étudiants et le personnel de l'exposition aux rayons. Et ils ont travaillé. Les écoles qui disposaient de l'équipement de désinfection de l'air ont connu un taux d'infection de 13,3 %, contre 53,6 % pour la population en général.

Les UV germicides dans la plupart des environnements commerciaux et industriels proviennent encore aujourd'hui de lampes à vapeur de mercure, explique Hunt de PrescientX. Ces dispositifs ont un pic spectral à 254 nm. Cette émission est le résultat d'un arc électrique qui ionise (généralement) le gaz argon et vaporise le mercure liquide. Le verre bloquerait le rayonnement, donc ces lampes sont faites de quartz à la place.

Les LED émettant des UV-C, fabriquées à partir d'alliages de nitrure d'aluminium, sont beaucoup plus récentes et présentent un certain nombre d'avantages potentiels par rapport aux lampes au mercure : pas de mercure toxique, une plus grande durabilité, un démarrage plus rapide et une émission à une diversité de longueurs d'onde, ce qui peut aider à leur rôle germicide. Le plus important, cependant, est le potentiel théorique des LED UV-C pour une plus grande efficacité. Cependant, ce potentiel n'est pas encore exploité. Jae-hak Jeong, chargé de recherche technique et vice-président de Seoul Semiconductor, a déclaré à IEEE Spectrum que les lampes au mercure d'aujourd'hui ont une efficacité de prise murale plus élevée (alimentation électrique par rapport à la puissance optique) que les LED UV-C actuellement sur le marché. Mais l'avantage des lampes au mercure ne devrait pas durer, car les chercheurs prédisent que les LED UV-C s'amélioreront de la même manière que les LED bleues pour atteindre leur position dominante dans l'éclairage. Pour l'instant cependant, les LED UV-C ne sont pas assez puissantes pour stériliser plus que de petits volumes d'air ou des surfaces à proximité.

Une expérience récente avec la lumière UV-C confirme ce que Wells a découvert dans les années 1930 : la désinfection de l'air avec une lumière UV de 254 nm est "très efficace", déclare Hunt. L'éclairage direct de l'air dans la partie supérieure d'une pièce produit un meilleur débit que l'irradiation de l'air à l'intérieur des unités HVAC, ajoute-t-il. Selon l'Illuminating Engineering Society, 17 milliwatts de rayonnement de lampe à 254 nm par mètre cube d'espace aérien supérieur est la dose fondée sur des preuves développée pour contrôler la tuberculose. Cependant, certaines bactéries, virus et autres micro-organismes sont plus résistants à la lumière UV-C que d'autres.

L'air là-haut : les appareils UV-C germicides AeroMed Infinity installés près des plafonds du Kings County Hospital Center, à New York, aident à empêcher les particules de coronavirus en aérosol de se propager là où les patients attendent.Photos : AeroMed

À cette dose, les luminaires en altitude peuvent détruire les germes dans la ligne de mire directe des lampes "en quelques secondes", explique Saputa de UV Resources. Pour assurer la sécurité des humains, les luminaires, qui coûtent généralement quelques milliers de dollars chacun, sont placés à des hauteurs supérieures à 2 mètres, et des déflecteurs non réfléchissants dirigent l'énergie ultraviolette vers le haut et vers l'extérieur. (Les UV-C se reflètent mal sur la plupart des surfaces, il y a donc peu de risque d'exposition aux rayons rebondissant sur les plafonds et autres luminaires ; néanmoins, les installateurs doivent s'en assurer en utilisant des compteurs UV-C.) De telles installations peuvent être utilisées dans une variété de paramètres. , y compris les chambres des patients, les salles d'attente, les halls, les cages d'escalier et les entrées et couloirs des salles d'urgence.

L'air n'est pas le seulchose qui a besoin d'être désinfectée. Pendant la pandémie, des robots dotés d'UV dans les hôpitaux et des zappeurs de germes UV dans les avions et les voitures de métro ont rejoint une foule de technologies déployées pour désinfecter les surfaces.

La principale différence entre ces systèmes et les stérilisateurs d'air UV est que les premiers ne peuvent pas fonctionner lorsque des personnes sont présentes, ils ne gardent donc pas en permanence les zones exemptes de virus. "Les ingénieurs concepteurs doivent garder à l'esprit que la désinfection ne dure que jusqu'à ce que les personnes soient placées dans ce lit d'hôpital ou assises dans ce siège d'avion", explique Saputa.

Mais une désinfection sporadique est préférable à aucune. Avant cette année, Cleanbox Technology, basée à Carlsbad, en Californie, avait développé une boîte à LED UV-C pour stériliser les casques de réalité virtuelle et de réalité augmentée. Le système de la société était facilement adaptable à la stérilisation des masques N95, explique David Georgeson, directeur de la technologie et cofondateur de Cleanbox.

Le résultat, la boîte à lumière désinfectante CleanDefense N95, peut contenir quatre masques à la fois. Le boîtier est portable et alimenté par le mur ou un groupe de batteries, permettant une utilisation dans des environnements mobiles comme les ambulances et les avions ainsi que dans les établissements de soins de santé, les restaurants et les centres commerciaux.

Le défi avec cette technologie et tout autre type de désinfection UV est que "le rayonnement doit réellement frapper le virus pour casser l'[ARN] et l'inactiver", explique Robert Karlicek, directeur du Center for Lighting Enabled Systems & Applications du Rensselaer Polytechnic Institute. , à Troy, NY "Si ces particules virales se trouvent derrière de la saleté ou sont recouvertes d'une autre fibre, vous devrez disperser beaucoup de lumière avant d'obtenir un bon taux de destruction."

Utiliser, stériliser, répéter : la lumière UV irradie les surfaces des masques de protection N95 dans le système Prescient X (en haut), de sorte que les masques peuvent être réutilisés. Le stérilisateur de l'Institut polytechnique Rensselaer (au milieu) baigne les deux côtés d'un masque à la fois dans les UV. Le système de Cleanbox Technology (en bas) a été adapté d'un système qui désinfectait l'équipement VR. Photos, à partir du haut : PrescientX ; Robert Karlicek/RPI ; Technologie Cleanbox

Le problème est illustré par ce qu'on appelle l'effet "mur de canyon". Pour les bactéries et les virus, les caractéristiques texturales des surfaces communes peuvent ressembler à des canyons de 100 mètres de profondeur pour nous. Dans des expériences avec des surfaces ayant une texture submillimétrique, le taux de destruction des UV-C contre la bactérie Staphylococcus aureus variait jusqu'à 500 fois en fonction de l'angle auquel la lumière de la lampe au mercure tombait.

Cette dépendance à l'angle est la raison pour laquelle il faut généralement trois systèmes UV pour désinfecter une chambre d'hôpital, selon Marc Verhougstraete, professeur adjoint de santé publique à l'Université de l'Arizona. Même dans ce cas, il reste des zones non exposées. Ainsi, pour cette application, les désinfectants de surface UV-C devraient faire partie d'un système qui comprend la désinfection de surface de routine, l'hygiène des mains et le traitement de l'air, dit-il.

Obtenir un dosage complet sous plusieurs angles est essentiel pour désinfecter les masques N95 en vue de leur réutilisation. Karlicek et son équipe ont développé un stérilisateur de masque N95 à lampe au mercure qui a été testé à l'hôpital Mount Sinai de New York. Il utilise deux ensembles de lampes UV pour irradier l'avant et l'arrière des masques en même temps. PrescientX se lance également dans le secteur de la stérilisation des masques N95 avec une boîte à lumière UV-C appelée Terminator CoV. Et il existe également d'autres systèmes à divers stades de développement et de commercialisation.

La dose précise d'UV-C nécessaire pour inactiver une particule virale du SRAS-CoV-2 reste à déterminer, déclare Hunt, PDG de PrescientX. Mais, ajoute-t-il, un certain nombre d'études évaluées par des pairs ont examiné les doses d'UV-C pour les souches de grippe H5N1 et H1N1 et pour les précédentes épidémies de coronavirus, y compris le MERS et le SRAS. Les experts pensent qu'il est raisonnable de supposer qu'une quantité d'énergie similaire inactivera le coronavirus qui cause le COVID-19.

Ces études ont toutes révélé que l'irradiation des masques avec 1 à 2 joules d'énergie UV-C par centimètre carré était suffisante pour inactiver entre 99,9 et 99,99 % des particules virales sur le masque. Cela dit, l'élimination des particules de coronavirus n'est pas qu'un jeu de chiffres. Si l'unité de stérilisation projette des ombres sur le masque, ce masque ne sera pas entièrement désinfecté. C'est pourquoi ces systèmes sont conçus avec des attaches et des crochets qui étirent le masque et minimisent les ombres.

"Vous avez besoin d'intensité et de géométrie pour vous débarrasser du virus", déclare Hunt.

Compte tenu des effets nocifs des UV-C à 254 nm, les scientifiques explorent la longueur d'onde à plus haute énergie de 222 nm, dans la région des UV lointains. Cette longueur d'onde s'est avérée capable de tuer les virus et les bactéries, et les premières études montrent qu'elle est nettement plus sûre que les photons dans la gamme des 254 nm. En fait, les UV lointains peuvent baigner en toute sécurité une pièce entière dans une lumière stérilisante, même en présence de personnes.

La lumière UV lointaine à 222 nm « pénètre à peine dans la couche externe de la peau », explique David Sliney, directeur à la retraite du programme de rayonnement laser et optique de l'armée américaine au centre de santé publique de l'armée, près de Baltimore. "Il est fortement absorbé par les protéines. Mais il existe des preuves qu'il pourrait même être plus efficace contre les virus en suspension dans l'air" que les autres rayons UV. La longueur d'onde semble également sans danger pour les yeux car elle ne pénètre pas plus profondément que la couche de larmes qui recouvre l'œil. Une étude réalisée en 2019 sur des rats albinos au Japon a révélé qu'une exposition prolongée aux UV lointains n'induisait aucun dommage cutané ou oculaire.

Actuellement, les UV lointains sont générés par des lampes excimères au krypton-chlore. ("Excimer" est un mot-valise de "excité" et "dimère", signifiant un état excité d'une molécule en deux parties.) À l'intérieur de la chambre scellée en verre de quartz d'une telle lampe, le krypton et le chlore sont chauffés par une décharge électrique dont l'énergie est suffisant pour créer momentanément un excimère KrCl, qui crache une raie spectrale de 222 nm avant de se dissocier à nouveau.

Cependant, ces sources lumineuses ne se contentent pas d'émettre de la lumière UV lointaine. "Les lampes à excimère produisent un pic à 222 nm, mais elles produisent également une lumière de longueur d'onde [plus longue]", explique David Brenner, directeur du Centre de recherche radiologique de l'Université de Columbia, à New York. "Et c'est dommageable, car il n'a pas les propriétés protectrices de 222 nm. Il peut pénétrer [la peau] et endommager l'ADN."

Les filtres peuvent éliminer les longueurs d'onde étrangères, mais Brenner dit qu'une meilleure solution serait une lampe LED à UV lointain avec un profil spectral étroit juste à 222 nm. Une telle LED n'existe pas encore. "Les LED baissent de longueur d'onde depuis longtemps", dit-il. "Une fois que vous descendez en dessous de 250, 240, 230 [nm], l'efficacité chute de façon spectaculaire. C'est comme une falaise."

Donc, à court terme, les lampes à excimères sont le meilleur espoir. Brenner s'attend à ce que de telles lampes soient sur le marché d'ici la fin de cette année ou au début de 2021.

Malgré cela arsenal de technologies ultraviolettes - LED UV-C, lampes à vapeur de mercure et lampes à excimère KrCl - la pandémie actuelle pourrait encore aller et venir avant que le monde n'ait suffisamment déployé les UV germicides pour avoir un impact important. Et donc les experts planifient déjà le prochain agent pathogène dangereux, et quand il viendra, ils espèrent l'accueillir avec une phalange de purificateurs d'air UV et de stérilisateurs de surface dans les hôpitaux, les aéroports, les transports en commun, les bureaux, les écoles, les maisons de retraite, les magasins, les restaurants. , ascenseurs et ailleurs. L'omniprésence de la technologie UV devrait rendre la propagation d'une épidémie beaucoup plus difficile, empêchant peut-être une contagion mortelle de devenir une pandémie.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé d'octobre 2020 sous le titre "The Ultra-Violet Offense".