Le nitrure de silicium présente une puissante capacité de neutralisation du SARS-CoV-2

Une nouvelle étude publiée sur le serveur de pré-impression bioRxiv * en août 2020 montre que le composé artificiel de nitrure de silicium, qui est utilisé dans les implants médicaux et les applications d'ingénierie à haute performance mécanique, est capable d'inactiver le coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2) à des concentrations variables sans provoquer de cytotoxicité cellulaire . Cette découverte devrait être étudiée pour développer des désinfectants pour éliminer le virus des surfaces, empêchant sa propagation.

Transmission virale par l'air, les vecteurs et les surfaces

Les virus sont connus pour se propager via des vecteurs et des surfaces contaminées. Cette voie de transmission est préoccupante lorsque ces surfaces se trouvent dans des environnements surpeuplés où les individus infectés sont susceptibles d'être présents à haute densité. Cela comprend les écoles, les maisons de soins infirmiers, les hôpitaux et les garderies.

Les éternuements, la toux, le chant et le jeu d'instruments à vent ont été associés à la transmission par aérosol de virus respiratoires tels que le SRAS-CoV-2. Il n'en demeure pas moins que la contamination des mains et des surfaces par des gouttelettes respiratoires est une raison importante de la propagation continue du virus. Cela attire une attention intense aujourd'hui, car COVID-19 a réussi à se propager dans de nombreux points chauds du monde.

Il est établi que les virus sont capables de survivre à long terme sur de nombreuses surfaces. Le premier coronavirus pathogène SRAS-CoV, responsable de l'épidémie de syndrome respiratoire aigu sévère en 2002 * 2004, a survécu jusqu'à 9 jours en suspension et 6 jours à l'état sec. Un autre coronavirus pathogène, HuCoV-229E, qui est responsable d'infections des voies respiratoires supérieures chez l'homme, a été trouvé pour vivre jusqu'à 5 jours sur une variété de surfaces, du verre à l'acier inoxydable.

Le virus actuel, le SRAS-CoV-2, a également été détecté vivant jusqu'à 72 heures sur du plastique, du cuivre et du carton, et jusqu'à 7 jours sur des masques chirurgicaux. Ainsi, le besoin d'une méthode efficace de désinfection de surface est pressant.

Un aperçu illustré de la méthode de test antiviral.

Vue d'ensemble illustrée de la méthode de test antiviral.

Surfaces désinfectantes

Diverses technologies ont été utilisées, notamment les désinfectants, l'irradiation et l'utilisation de métaux comme le cuivre, le zinc, le fer et l'argent, qui inactivent rapidement les virus. Les alliages de cuivre, par exemple, sont utilisés pour créer des surfaces antimicrobiennes dans les établissements de santé et réduire l'incidence des infections nosocomiales.

Les désinfectants jugés efficaces dans cette situation comprennent les composés d'ammonium quaternaire comme le chlorure d'ammonium. Ceux-ci perturbent l'enveloppe lipidique protectrice du virus et ainsi l'inactivent. Ces composés sont donc utilisés pour nettoyer les surfaces de soins et éliminer les particules virales persistantes.

Les implants rachidiens en nitrure de silicium présentent des taux d'infection très faibles

L'étude actuelle se concentre sur le nitrure de silicium, Si3N4, qui est une céramique sans oxyde utilisée sous l'approbation de la FDA pour la chirurgie des implants rachidiens. De tels dispositifs ont montré que les résultats à long terme sont excellents lorsque le nitrure de silicium est utilisé à la fois pour la fusion lombaire et cervicale, par rapport à d'autres biomatériaux utilisés dans des situations similaires comme les greffes osseuses, le titane et la polyétheréthercétone.

Dans un environnement aqueux, les implants rachidiens en nitrure de silicium sont hydrolysés à partir de la surface, libérant de l'ammoniac au niveau microscopique. Cette molécule est ensuite convertie en espèces d'ammonium, d'oxyde nitreux et d'azote réactif, qui suppriment la croissance et la prolifération des bactéries. C'est peut-être la raison des propriétés antibactériennes intrinsèques de ce composé et pourquoi son utilisation dans les implants rachidiens est associée à une incidence plus faible d'infections bactériennes, aussi faible que 0,006%, contrairement aux autres biomatériaux qui ont une incidence aussi élevée de infection de ~ 3% à 18%.

Activité virucide de Si3N4

Lorsque les virus étaient exposés à une solution aqueuse de nitrure de silicium, ils inactivaient des virus comme le virus de la grippe H1N1, l'entérovirus et le calicivirus félin. Des articles antérieurs ont rapporté que le nitrure de silicium en suspension aqueuse inactive également le SARS-CoV-2 ainsi que les ions cuivre. Cependant, un avantage significatif est que le nitrure de silicium n'est pas cytotoxique pour les cellules de mammifères, contrairement au cuivre.

Les chercheurs de la présente étude ont tenté de déterminer que l'exposition au nitrure de silicium ne serait pas toxique pour les cellules de mammifères in vitro, mais inactiverait le virus à un rythme dépendant de la durée et de la dose d'exposition.

Si3N4 n'affecte pas la viabilité cellulaire

Ils ont constaté que lorsqu'ils utilisaient des suspensions de nitrure de silicium à 5, 10, 15 et 20% (p / v), sur des cellules Vero en culture, il n'y avait aucune différence de viabilité cellulaire 24 ou 48 heures après l'exposition à n'importe quelle concentration sauf avec le plus élevé. En fait, la viabilité cellulaire s'est améliorée d'environ 10% à 48 heures après avoir été exposée à des suspensions à 5% et 10% pendant 10 minutes. Cela suggère un effet stimulant du nitrure de silicium sur la croissance cellulaire ou le métabolisme.

A 20% p / v, la viabilité cellulaire a montré une légère baisse, d'environ 10%, 48 heures après avoir été exposée au nitrure de silicium.

Si3N4 inactive le SRAS-CoV-2

Les chercheurs ont également découvert qu'aux mêmes concentrations, l'exposition au nitrure de silicium provoquait l'inactivation du SRAS-CoV-2, comme évalué par le test de plaque. Les virus qui ont été exposés à des milieux de culture cellulaire ont montré 4,2 x 103 PFU / mL. En revanche, toutes les concentrations de Si3N4 réduisaient les titres viraux à des degrés divers. A une minute d'exposition à une suspension à 5%, le titre viral a baissé de 0,8 log10, avec une suspension à 10% de 1,2 log10, à 15% par 1,4 log10 et avec une suspension à 20% de 1,7 log10. La même tendance a été observée à 5 et 10 minutes.

Cette réduction du titre viral correspond à 85%, 93%, 96% et 98% d'inhibition des particules virales à 5%, 10%, 15% et 20% de suspensions, respectivement. L'inhibition est presque de 100% lorsque l'exposition se poursuit pendant des durées plus longues et à des concentrations plus élevées, telles que 10 minutes à 20% p / v.

Ainsi, les chercheurs observent que Si3N4 a un fort effet inhibiteur sur la prolifération du SRAS-CoV-2 mais pas d'effet cytotoxique sur les cellules de mammifères.

Implications

Les chercheurs disent que ces découvertes sont remarquables puisqu'une seule minute d'exposition à une solution à 5% de nitrure de silicium réduit le nombre de particules virales actives de 85%. Pourtant, la cellule est peu affectée même 48 heures après l'exposition à une concentration de 20% de la substance. Cela concorde avec les recherches antérieures qui montrent que Si3N4 a un remarquable « double effet»En ce qu'il produit non seulement une inactivation virale, mais supprime également la formation de biofilm bactérien, mais épargne les cellules de mammifères.

Cela concorde également avec une autre étude récente qui montre que le virus est rapidement inactivé par une exposition à 15% de nitrure de silicium, ainsi que d'autres données qui relient cela aux effets antiviraux du Si3N4 sur une gamme de virus à ARN simple brin. mentionné ci-dessus.

Cela suggère un éventail d'applications, telles que le développement de tissus pour les équipements de protection individuelle tels que les masques et les surfaces sur les meubles fréquemment touchés.

Mécanisme d'inactivation virale

Les chercheurs suggèrent plusieurs actions antivirales du Si3N4, telles que la capacité du matériau à libérer de l'ammoniac libéré à une vitesse lente et contrôlée de la surface. Cela donne naissance à des espèces azotées réactives qui fragmentent l'ARN viral.

Deuxièmement, l'ammoniac donne également naissance à des électrons libres et des silanols avec une charge négative excessive dans les solutions aqueuses.

Troisièmement, la surface du nitrure de silicium porte des groupes amino protonés, Si – NH3 +, qui sont similaires à l'extrémité lysine N-terminale du virus, C – NH3. Cela pourrait conduire à la liaison compétitive du virus à ce matériel et à son inactivation ultérieure.

Le nitrure de silicium a plusieurs caractéristiques supérieures par rapport aux autres surfaces antimicrobiennes potentielles en ce sens qu'il continue d'offrir une activité antivirale soutenue en raison de ces réactions hydrolytiques se déroulant à sa surface, plutôt qu'une seule action désinfectante qui nécessitera des applications répétées et méticuleuses. En outre, même si le cuivre est connu pour avoir une puissante activité virucide, il est également toxique pour les cellules. D'autre part, les implants Si3N4 sont utilisés depuis des années avec une tolérance réussie dans le corps humain.

Enfin, le Si3N4 est un matériau très polyvalent. Il a été utilisé sous forme frittée pour fabriquer des polymères, des verres bioactifs et d'autres céramiques et revêtements composites qui favorisent la croissance osseuse et conservent ses propriétés antibactériennes.

Malgré ces avantages évidents, l'étude est limitée par l'utilisation de Si3N4 dopé en poudre plutôt que du matériau de qualité implantaire proprement dit. Ainsi, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour démontrer que lorsqu'il est utilisé comme partie d'un matériau ou d'un revêtement, tel qu'une peinture, un métal, un tissu ou une céramique, il continuera à conserver une activité virucide.

Pour chaque application, le processus chimique sous-jacent à l'élution de l'ammoniac et à sa conversion en composés virucides devra être optimisé. Des ajustements peuvent également être nécessaires pour augmenter la vitesse de libération de ces composés en modifiant la composition de cette forme dopée de Si3N4, pour améliorer son efficacité contre les virus et les bactéries et sa sécurité pour les cellules hôtes.

Enfin, on ne sait toujours pas si les suspensions aqueuses sont vraiment nécessaires ou si un simple contact physique avec des particules de Si3N4 est suffisant pour inactiver le virus – ou les deux sont nécessaires à l'unisson.

Les chercheurs résument: «Bien que le Si3N4 ne soit pas adapté à l'ingestion ou à l'inhalation, son activité antivirale, qui ne se limite pas au SRAS-CoV-2, suggère qu'il peut être une plate-forme fortuite pour concevoir des surfaces et des équipements de protection individuelle afin de décourager la persistance virale, et ainsi contrôler la propagation. du COVID-19 et d'autres maladies. »

*Avis important

bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique / les comportements liés à la santé ou être traités comme des informations établies.

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