Tests microbiologiques avancés sur l'ISS : amélioration de la surveillance des eaux usées

Après leur retour sur Terre, les chiffons utilisés pour essuyer la Station spatiale internationale ont été rincés dans le bocal d'eau à couvercle orange visible ici, pour en extraire les microbes. Le liquide a ensuite été concentré dans cette fiole (encart) pour analyse par le système CP Select d'InnovaPrep. (Image : NASA)

Le suivi de la propagation du COVID-19 dans les communautés a fourni des données essentielles aux responsables de santé publique et aux individus pour prendre des décisions éclairées pendant la pandémie. Une méthode s'est avérée particulièrement utile : la collecte, la concentration et l'analyse des eaux usées municipales pour détecter la présence du virus. À mesure que ces tests s'intensifiaient, une technologie développée pour la NASA afin d'identifier les pathogènes à l'intérieur des vaisseaux spatiaux a permis de gagner du temps et de produire des résultats fiables sur Terre.

L'astronaute de la NASA Megan McArthur prélève des échantillons microbiens sur les surfaces de la Station spatiale pour étudier les microbes associés à l'habitation confinée et prédire ceux qui pourraient menacer la santé de l'équipage. (Image : NASA)

Plusieurs contrats SBIR (Small Business Innovation Research) attribués quelques années plus tôt ont aidé InnovaPrep LLC de Drexel, Missouri, à améliorer son procédé de bioconcentration existant et à l'appliquer aux tests automatisés de virus, bactéries et autres pathogènes dans l'air, l'eau et sur les surfaces de l'ISS. Outre l'utilisation d'un nouveau matériau filtrant, l'amélioration du procédé et son adaptation à l'espace, l'entreprise a développé de nouvelles étapes de fabrication pour semi-automatiser la production. Avant les travaux SBIR, l'entreprise assemblait à la main le filtre jetable, appelé pipette, produisant environ 200 unités par semaine. Aujourd'hui, la production atteint 12 000 par semaine avec un système facilement extensible pour répondre à une demande accrue.

Cette production améliorée est arrivée juste à temps. InnovaPrep a pu honorer facilement les commandes des départements de santé publique, laboratoires commerciaux et chercheurs lors de la mise en place de la surveillance du COVID-19. Andy Page, CTO d'InnovaPrep, attribue à la NASA la capacité de l'entreprise à faire progresser ses gammes de produits AirPrep et FluidPrep.

« Nous avons eu beaucoup d'interactions fructueuses avec des scientifiques de la NASA qui ont apporté des insights précieux. Cette collaboration est inestimable », dit-il. « Le programme SBIR permet de découvrir des choses qu'on ne pourrait pas découvrir facilement sans ce financement. »

Les pathogènes, y compris certaines bactéries et virus, peuvent devenir plus nocifs en apesanteur, ce qui rend la vigilance indispensable pour la sécurité des astronautes. Mais la collecte et l'analyse d'échantillons sont des tâches chronophages. Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud a mené l'effort pour les rendre plus efficaces par l'automatisation, avec Kasthuri « Venkat » Venkateswaran, chercheur principal au JPL, travaillant avec InnovaPrep pour adapter sa technologie de concentration d'échantillons à l'espace.

Concentrer les microbes de plusieurs gallons d'eau en quelques onces pour les tester pouvait être une tâche longue. Mais le système de filtration spécialisé CP Select d'InnovaPrep, qui a bénéficié de l'expertise de la NASA, peut le faire rapidement sur Terre. (Image : InnovaPrep LLC)

PCR et détection dans l'espace

Une option pour obtenir des résultats plus rapides est le test PCR (réaction en chaîne par polymérase). La PCR amplifie rapidement de petits segments de matériel génétique — ADN ou ARN — en faisant de nombreuses copies. Cela crée un échantillon plus important pour les tests génétiques, facilitant l'identification du type de bactérie ou de virus présent. Cibler des fragments moléculaires spécifiques de virus ou bactéries est préférable dans l'espace plutôt que de cultiver une culture vivante, processus fréquemment utilisé sur Terre.

« Si vous cultivez des microbes dans l'espace, même une seule cellule deviendra des milliards. Une cellule ne nuira pas à la santé humaine, mais la faire proliférer dans un système fermé est dangereux », explique Venkateswaran. Les microbes minuscules sont difficiles à trouver, donc la NASA a mené des recherches pour savoir ce qui vivait sur la Station spatiale.

Une étude a demandé aux astronautes d'essuyer les surfaces avec des chiffons stériles avant de les renvoyer sur Terre. Au laboratoire, les chiffons étaient rincés dans une grande quantité d'eau, le liquide résultant était filtré, et les microbes concentrés en un petit volume pour les tests. La technologie SBIR visait à concentrer virus et bactéries, réduisant le temps et le coût pour obtenir des résultats.

InnovaPrep a utilisé sa structure de pipette existante pour les travaux SBIR, mais les exigences de filtration exigeantes de la NASA ont contraint l'entreprise à chercher un nouveau matériau. Les tests ont montré que la meilleure option était un matériau à fibres creuses composé de ce qui ressemble à 72 minuscules pailles, constituant une partie du filtre à l'intérieur de la pipette. Un meilleur filtre signifie plus de cellules virales et bactériennes capturées par échantillon.

L'entreprise a ensuite automatisé l'application de la colle qui maintient les filtres en place. Cela a amélioré les performances et la fiabilité du dispositif, constituant une première étape vers une production améliorée.

L'essuyage du matériel du rover Perseverance est une étape de la stratégie de Protection planétaire de la NASA pour limiter le nombre de microbes terrestres envoyés sur Mars. La salle blanche du JPL, l'un des endroits les plus propres de la planète, a développé des procédures utilisant la technologie InnovaPrep pour vérifier la présence de microbes résiduels sur les surfaces avant le vol. (Image : NASA)

Les exigences de la NASA ont également poussé InnovaPrep à améliorer la qualité d'un liquide moussant qui récupère les microbes piégés dans le filtre.

Pour concentrer un échantillon en vue de l'analyse — incluant les tests PCR —, une pipette contenant le filtre capture les molécules et microbes en suspension dans un échantillon d'eau. L'étape suivante, appelée élution par mousse humide, propulse le liquide moussant dans la pipette, à travers la surface interne du filtre pour récupérer les organismes ou contaminants de l'échantillon liquide. Ils sont ainsi poussés dans une fiole, prêts pour les tests.

L'application spatiale de la NASA nécessitait des modifications du procédé pour fonctionner en microgravité, ainsi qu'une durée de conservation plus longue pour le fluide d'élution. Les canettes de liquide ont été modifiées pour distribuer le fluide en microgravité et rester stables un an ou plus avant utilisation. Après quelques travaux, InnovaPrep a satisfait à toutes les exigences de la NASA.

Le système de bioconcentration créé pour la gravité zéro n'a pas encore été utilisé sur la Station spatiale, mais des entreprises sur Terre gagnent déjà du temps et de l'argent grâce aux améliorations technologiques. Un avantage des équipements de surveillance de l'eau et de l'air d'InnovaPrep est leur simplicité d'utilisation. Contrairement à la culture en laboratoire, aucune formation spéciale n'est requise.

Applications terrestres multiples

Ce n'est pas seulement le suivi d'une pandémie qui nécessite la concentration et le test de pathogènes. Les installations récréatives utilisent la technologie InnovaPrep pour surveiller la qualité de l'eau des piscines. Les hôpitaux l'utilisent pour contrôler les espaces intérieurs et les maintenir aussi stériles que possible. L'eau des tours de refroidissement et des réseaux d'eau municipaux est régulièrement testée pour la bactérie legionella, qui peut causer une forme grave de pneumonie.

Les agriculteurs testent l'eau d'irrigation pour les pathogènes, et les fabricants alimentaires surveillent les produits et les rinçages d'équipement pour éliminer les maladies d'origine alimentaire. Le concentrateur FluidPrep d'InnovaPrep utilisé par les entreprises est si efficace que le JPL a développé une série de protocoles de salle blanche utilisant l'appareil commercial.

Lorsque la NASA envoie du matériel sur d'autres corps planétaires, les technologistes s'efforcent de le rendre aussi propre que possible. L'objectif est d'éliminer les passagers clandestins microscopiques de la Terre pour limiter les risques de contamination. Le personnel des salles blanches utilise un morceau de chiffon stérile de 90 cm² pour essuyer les grandes surfaces, enlevant un maximum de biomatière.

« Si vous augmentez la surface de collecte, vous augmentez évidemment le liquide utilisé. Et vous devez faire un filtrage fastidieux », dit Venkateswaran. « Tout le matériel doit être exempt d'ADN, donc nous avons demandé à InnovaPrep de concevoir un produit plus stérile que ce qu'ils avaient. Ils ont développé la technologie pour garantir que leurs produits sont exempts de biomolécules. »

La recherche publiée vérifiant l'efficacité des procédures de salle blanche a aidé InnovaPrep à gagner de nouveaux clients exigeant un environnement stérile. Mais la plus grande base de clients d'InnovaPrep reste la surveillance des eaux usées.

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