Spectroscopie de désactivation électromagnétique du coronavirus humain 229E

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8886 (2023) Citer cet article

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Une enquête sur la désactivation d'agents pathogènes à l'aide d'ondes électromagnétiques dans la région des micro-ondes du spectre est réalisée à l'aide de structures de guides d'ondes sur mesure. Les guides d'ondes comportent des réseaux sub-longueur d'onde pour permettre l'intégration d'un système de refroidissement par air sans perturber les champs de propagation internes. Les guides d'ondes sont effilés pour accueillir un échantillon expérimental en interne avec un flux d'air ambiant suffisant. La méthodologie proposée permet un contrôle précis des densités de puissance grâce au mode fondamental bien défini excité dans chaque guide d'onde, en plus du contrôle de la température de l'échantillon dû à l'exposition aux micro-ondes au fil du temps. Le coronavirus humain (HCoV-229E) est étudié dans la plage de 0 à 40 GHz, où une réduction virale maximale de 3 log est observée dans la sous-bande de 15,0 à 19,5 GHz. Nous concluons que le HCoV-229E a une résonance intrinsèque dans cette plage, où les dommages non thermiques à la structure sont optimaux grâce à l’effet de transfert d’énergie de résonance structure.

La désactivation des agents pathogènes à l’aide d’ondes électromagnétiques (EM) dans la bande des micro-ondes suscite un intérêt croissant dans la recherche1,2,3,4,5,6,7,8,9. La nature sans contact de la désactivation des micro-ondes est une caractéristique qui rend la méthode particulièrement utile dans le contexte des crises de santé publique provoquées par la pandémie récente et actuelle du SRAS-CoV-2. Les micro-ondes peuvent désactiver un virion de deux manières : par chauffage thermique ou par un processus connu sous le nom de transfert d'énergie par résonance structurelle (SRET). Cette dernière repose sur l’idée que des virus enveloppés aux géométries sphériques simples résonneront en présence d’une onde EM2,3,4,5. Maximiser l’amplitude des vibrations acoustiques excitées au sein d’un virus sphérique est important pour provoquer le plus grand déplacement et la plus grande contrainte sur la structure de l’enveloppe, ce qui peut éventuellement provoquer sa rupture. La modélisation actuelle des vibrations acoustiques en mode dipolaire dans les virus sphériques prédit que le stress le plus important appliqué par les ondes EM d’intensité égale se produit dans le régime des micro-ondes2,4,10, ce qui est étayé par un nombre croissant de preuves expérimentales2,3,5. La désactivation du virus de la grippe A (H3N2) a été démontrée à l'aide de micro-ondes de faible densité de puissance, dans lesquelles la membrane du virus est rompue par l'effet SRET2. Dans cette étude, une solution virale a entraîné une réduction de 3 log du virus actif après 15 minutes d’éclairage par micro-ondes provenant d’une antenne cornet fonctionnant à 8,2 GHz. L’application de l’effet SRET est un moyen non thermique prometteur pour désactiver les agents pathogènes nocifs ayant des résonances intrinsèques dans le régime micro-ondes en raison des faibles densités de puissance suggérées requises2,3,4.

La stérilisation par micro-ondes sans chauffage de faible puissance nécessite une connaissance de la résonance naturelle intrinsèque du virion afin de transférer le plus efficacement possible la plus grande partie de l'énergie limitée disponible. L’étude expérimentale de la spectroscopie d’absorption micro-ondes d’un virus est techniquement difficile, notamment en raison de la sensibilité requise pour détecter et distinguer raisonnablement une réponse attribuée aux particules de petite taille. Les méthodes proposées impliquent des lignes de transmission micro-ondes dans lesquelles de petits volumes de solution sont introduits pour perturber les micro-ondes guidées au sein de la structure2,3,5,8. Le capteur est d'abord mesuré avec uniquement le fluide porteur comme référence, puis suivi d'une mesure contenant une certaine concentration de virus. Une comparaison relative est ensuite effectuée pour identifier les régimes dans lesquels davantage de puissance micro-ondes est perdue, indiquant une absorption par le virus. Cette méthodologie a été utilisée pour identifier les résonances d'absorption micro-ondes du SRAS-CoV-23, de la grippe A (H3N2)2 et du virus du syndrome des points blancs8.

Dans ce rapport, nous présentons une nouvelle méthodologie à température contrôlée pour étudier les interactions électromagnétiques avec les agents pathogènes. Le coronavirus humain HCoV-229E (229E) est sélectionné pour être utilisé comme modèle de substitution de biosécurité pour les coronavirus plus hautement pathogènes. Sa géométrie sphérique et sa disposition en protéines de pointe sont représentatives de nombreux virus enveloppés. Notre méthodologie est démontrée en étudiant la désactivation du 229E basée sur SRET couvrant 0,8 à 40 GHz et en identifiant une résonance intrinsèque dans le régime 15,0 à 19,5 GHz. Dans ce régime, une réduction de 3 log du virus actif a été observée après seulement 7,5 minutes d’exposition aux micro-ondes. Des guides d'ondes rectangulaires sont utilisés, conçus pour accueillir un échantillon en interne, l'exposant à des champs électriques bien définis. Cela présente l’avantage clé d’avoir un contrôle précis de l’intensité du champ et de la densité de puissance exposée à l’échantillon expérimental. Des réseaux sub-longueur d'onde sont introduits dans les parois du guide d'ondes pour intégrer un système de refroidissement par flux d'air sans perturber les champs de propagation. Au cours des expériences, les échantillons viraux sont refroidis en continu pour garantir que toute désactivation observée est attribuée aux vibrations acoustiques induites par SRET, plutôt qu’à un chauffage excessif par micro-ondes de la solution porteuse. Grâce à cette méthodologie, les virus peuvent être étudiés selon différents critères de densité de puissance et de temps, de sorte que les régimes de fréquence optimaux et le degré attendu de désactivation du virus puissent être déterminés. Ces informations sont essentielles au développement de nouvelles technologies basées sur les micro-ondes pour le contrôle de la transmission, la stérilisation et les traitements cliniques.