Introduction
La charge virale est la quantité de virus présente dans un échantillon. Au cours d’une infection, la charge virale évolue comme une courbe « en cloche » (Figure 1) avec une augmentation très rapide durant la première semaine d’infection, suivie d’une diminution plus ou moins lente dans les semaines qui suivent. Cette évolution dépend d’un grand nombre de facteurs, comme le statut vaccinal, le type de variant du virus, ou encore la présence de comorbidités, qui vont jouer un rôle important dans le risque de transmettre le virus et l’évolution de la maladie vers sa guérison rapide ou son aggravation. Par-delà la détection de la présence de virus pour poser le diagnostic d’une infection en cours, l’analyse de l’évolution de la charge virale permet de mieux comprendre certaines des caractéristiques spécifiques du SARS-CoV-2 et de son interaction avec l’organisme.
Mesurer la charge virale
La technique de référence de mesure de la charge virale est l’amplification en chaîne par polymérase en temps réel (abrégée en « RT-PCR » en anglais) qui cible et amplifie une séquence génétique précise du virus, permettant ainsi de détecter des quantités même faibles de virus (ou plus précisément de copies d’ARN viral). La charge virale est le plus souvent mesurée dans le nez ou le nasopharynx, qui est la porte d’entrée (et de sortie) principale du virus mais elle peut aussi être mesurée dans la salive, les selles, les urines, bien que les quantités présentes soient nettement plus faibles, ou dans le poumon par des prélèvements plus invasifs (comme un lavage broncho-alvéolaire). Dans la suite de ce chapitre, nous nous focaliserons sur la charge virale nasopharyngée, dont le rôle dans la transmission et l’évolution clinique de la maladie a été étudiée en profondeur.
Une réplication exponentielle du virus dans les premiers jours de l’infection
Lors d’une transmission, l’infection est initiée par seulement quelques particules virales infectieuses (moins de 10 sont suffisantes), qui se répliquent exponentiellement dans les premiers jours de l’infection. En effet chaque cellule infectée va produire entre 10.000 et 100.000 virus par jour, entrainant une augmentation très rapide de la charge virale, qui devient détectable 2-3 jours après l’infection par un test RT-PCR. Le pic de charge virale est atteint entre 4 et 6 jours après l’infection, avec des quantités qui sont généralement comprises entre 1 et 100 millions de copies d’ARN par millilitre de prélèvement. Ramenée à l’ensemble de l’organisme, et en faisant l’approximation qu’une copie d’ARN correspond à une particule virale, cela signifie qu’entre 10000 et 1 million de cellules sont infectées, produisant entre 1 et 100 milliards de particules virales !
C’est le plus souvent autour du pic viral qu’apparaissent les premiers symptômes de la maladie. On se retrouve là face à une situation idéale pour la transmission du virus, avec des milliards de virus présents dans l’organisme avant même que les individus n’aient conscience d’être possiblement malades. Ainsi, une part très importante, estimée entre 20 et 40%, de la transmission du virus a lieu chez des individus asymptomatiques ou pré-symptomatiques1. Même si au moment du pic, l’organisme agit comme une véritable usine à virus, les ordres de grandeur peuvent aussi être trompeurs. En effet, l’organisme contient un nombre encore plus important de cellules cibles, avec par exemple 100 milliards de pneumocytes (qui sont les cellules qui tapissent l'intérieur des alvéoles pulmonaires). De ce fait, même au pic de l’infection, c’est une infime minorité des cellules pulmonaires qui est infectée2.
La valeur/le niveau de pic de charge virale est très variable entre les individus, pour des raisons qui sont encore mal connues. On a un temps pensé que le pic pouvait être plus bas chez les enfants, ce qui expliquerait leur moindre contagiosité mais cette hypothèse n’a pas été confirmée, des études ayant montré des niveaux similaires entre enfants et adultes3. De même, difficile de relier l’intensité des symptômes au pic de charge virale : on peut donc avoir des symptômes légers ou pas de symptôme et une charge virale très élevée, et inversement !
Figure 1 : profil typique de la cinétique virale nasopharyngée (noir), de la quantité de particules virales infectieuses (rouge), et de l’évolution de la capacité neutralisante des anticorps (vert). Les parties pointillées des courbes correspondent à des concentrations trop basses pour être détectables par les tests usuels. L’échelle est logarithmique (3 correspond à 1.000, 4 à 10.000, etc..). Figure adaptée de “Potential Transmission Mechanisms of SARS-CoV-2 Variants of Concern”, BioRender.com (2020).
Elimination du virus et évolution clinique à partir de la deuxième semaine d’infection
Le pic de charge virale est atteint quand l’immense majorité des cellules cibles du virus a été infectée, et que le système immunitaire commence à se « mettre en ordre de bataille » pour éliminer les cellules infectées. La charge virale va donc progressivement diminuer, à une vitesse qui reflète la capacité de l’organisme à éliminer les cellules infectées. Si la charge virale et les symptômes cliniques disparaissent généralement dans les deux semaines, environ 10% des individus infectés vont avoir une charge virale encore détectable par PCR pendant plus de 3 semaines, et certains pendant des mois. Cette élimination, aussi appelée clairance, plus lente du virus induit une exposition prolongée à des quantités de virus importantes, et augmente les risques d’une aggravation des symptômes pouvant mener à l’hospitalisation4, voire au décès5.
Ainsi, en plus des facteurs de risque individuels tels que l’âge, les maladies chroniques, l’immunodépression, une faible vitesse de clairance de la charge virale constitue un facteur permettant identifier, durant le suivi, les individus les plus à risque d’infection sévère / d’hospitalisation / de décès. Identifier ces individus suffisamment tôt permettra de leur faire bénéficier d’une prise rapide de médicaments antiviraux, dont l’objectif va être précisément d’accélérer la clairance de la charge virale5.
Charge virale et transmission
Une charge virale élevée augmente le risque de transmettre la maladie. Ce phénomène a été particulièrement mis en évidence pour les transmissions au sein du foyer, sans doute car les contacts y sont répétés et les mesures de distanciation sociale plus difficile à mettre en oeuvre6. Néanmoins, au niveau individuel, la mesure seule de la charge virale ne suffit pas à démontrer qu’un individu soit contagieux ni son niveau de contagiosité. En effet, la RT-PCR mesure l’ensemble du génome viral présent, mais une grande partie de celui-ci est constitué de virus défectueux qui ne peut pas se répliquer. La détection de particules infectieuses requiert une procédure plus complexe, faisable uniquement dans la un laboratoire sécurisé, dans laquelle le virus prélevé est mis en culture afin d’évaluer sa capacité à infecter des cellules. La dynamique du virus infectieux est similaire à celle de la charge virale jusqu’au pic, bien que les niveaux soient beaucoup plus faibles : dans ce cas on compte une particule infectieuse pour environ 1.000 à 10.000 copies d’ARN viral. Après le pic de charge virale, la proportion de virus infectieux diminue fortement à mesure que la quantité d’anticorps neutralisants augmente. La période de détection de virus infectieux est donc courte, de l’ordre de 5 à 8 jours, avec un risque très faible d’identifier du virus 10 jours après l’apparition des symptômes1, même en cas de charge virale élevée. La variabilité inter-individuelle dans la quantité de virus infectieux émis durant une infection est très importante, de l’ordre de 1 à 60, et explique en partie le phénomène de « super-spreaders »décrit dans de multiples études épidémiologiques, où seulement 20% des individus comptent pour plus de 80% des transmissions7. Néanmoins la quantité de virus infectieux n’est probablement qu’un élément parmi d’autres expliquant la transmission, dans laquelle les aspects comportementaux, comme le nombre, la durée et la nature des contacts (et en particulier le port du masque) jouent aussi un rôle déterminant. Enfin, si la quantité de virus infectieux est certainement une meilleure mesure du potentiel de transmission que la charge virale, elle reste une mesure de laboratoire, et à ce jour la dose infectieuse nécessaire pour infecter quelqu’un est inconnue.
Variants et cinétique virale
L’émergence depuis 2021 de variants viraux de plus en plus transmissibles a naturellement posé la question d’un effet sur la cinétique virale. Bien que des millions de tests RT-PCR aient été réalisés depuis le début de cette épidémie, l’impact des variants est encore souvent controversée. En effet l’analyse des résultats des tests de dépistage est sujet à un certain nombre de biais: évolution des politiques de dépistage au cours du temps, durée d’incubation de plus en plus courte (5 jours pour le variant alpha, 4 jours pour le variant delta, 3 jours pour omicron), remontée souvent parcellaire d’information individuelle comme le statut vaccinal ou la date d’apparition des symptômes. Ces biais ont conduit à des erreurs d’analyse importantes. Par exemple des études parues peu de temps après l’émergence du variant Delta estimaient que ce dernier générait des charges virales 1000 fois supérieures à celles rapportées pour les virus « historiques » circulant en 2020. En réalité si la charge virale chez les individus infectés par le variant Delta est effectivement plus élevée, le facteur d’augmentation est bien plus faible, et inférieur à 10, y compris au pic. La présence de virus infectieux est aussi plus importante, même si le risque d’identifier du virus plus de 10 jours après l’apparition de symptômes reste extrêmement faible. Pour les variants de type Omicron la comparaison avec le virus historique est encore plus difficile car la grande majorité des études sont faites sur des patients vaccinés. Néanmoins le niveau de réplication des variants Omicron semblent globalement plus faible, même si le virus infectieux semblent décliner un peu moins rapidement8. Si ces variants se transmettent aussi rapidement, ce n’est donc probablement pas en raison d’un niveau de réplication plus élevé, mais en raison d’autres facteurs qui restent aujourd’hui mal compris.
Réduire la charge virale, une vision quantitative des traitements antiviraux
Étant donné la versatilité du virus et son évolution vers des variants de plus en plus transmissibles, il est primordial de disposer, en plus des vaccins, de traitements antiviraux, qui permettent d’éviter l’évolution de l’infection vers une forme grave, en particulier pour les patients les plus à risque. Pour comprendre la place des traitements antiviraux, on peut utiliser des modèles mathématiques, qui reposent sur des principes généraux analogues à ceux des modèles de transmission épidémiologique (chapitre XX). La mesure de propagation d’un virus dans une population repose sur un paramètre central, le R0, qui est le nombre de personnes infectées en moyenne par un cas index, et qu’on peut estimer à partir de la vitesse initiale d’augmentation des cas. De la même manière l’analyse de la cinétique virale permet d’en déduire un R0 « intra-individuel », qui correspond au nombre de cellules qui sont infectées à partir d’une cellule infectée. Dès le mois de février 2020, les premières données virologiques portant sur un nombre réduit de patients suivis étroitement au cours de leur l’infection ont été disponibles, permettant d’analyser mathématiquement la cinétique virale et d’estimer l’ordre de grandeur du R0 intra-hôte à 10. Si chaque cellule génère 10 cellules infectées, on observe une croissance exponentielle avec 100 cellules infectées au bout de 2 cycles, 1000 au bout de 3 et ainsi de suite. Empêcher cette réplication exponentielle du virus nécessité de disposer de médicaments capables de réduire le R0 intra-hôte à moins de 1, c’est-à-dire capable de réduire la production de virus ou la probabilité d’infection de nouvelles cellules, de plus de 90%. Néanmoins la difficulté reste d’administrer un tel traitement avant que la majorité de la réplication virale soit déjà établie/réalisée, et donc d’intervenir le plus tôt possible, au plus tard dans les quelques jours qui suivent le pic de charge virale et l’apparition des symptômes.
Au début d’une épidémie, l’utilisation de médicaments « repositionnées », c’est-à-dire développés pour d’autres virus et donc déjà sur le marché, constitue souvent une première ligne de défense, car leur administration est facilitée par le fait qu’on dispose déjà de données historiques sur leur tolérabilité et le risque d’évènement indésirables. Le potentiel antiviral d’une molécule peut être évalué dans des modèles in vitro, c’est-à-dire sur des cellules qui sont le plus proches possibles des cellules cibles du virus. Dans les premières semaines de l’épidémie, par souci de rapidité, le modèle principal utilisé était le modèle classique en virologie, la lignée Véro, issue de cellules épithéliales de rein de singe, et donc éloignée de la physiologie des cellules respiratoires. Les modélisations pharmacologiques ont rapidement établi que les concentrations nécessaires pour atteindre la cible de 90% étaient impossibles à atteindre pour les médicaments repositionnés qui étaient testés en essai clinique, à moins de monter à des doses dangereuses. Cet argument a mené les pharmacologues à rapidement s’interroger sur le bien-fondé et l’éthique de poursuivre l’évaluation thérapeutique de ces molécules, y compris dans des essais cliniques bien encadrés. Par la suite, l’utilisation de modèles plus physiologiques, ont clairement démontré dès le printemps 2020 l’absence d’activité antivirale de l’immense majorité de ces molécules, comme la célèbre hydroxychloroquine, dont l’effet sur la charge virale est inexistant, même administrée précocement à des doses élevées, que ce soit dans des modèles in vitro plus physiologiques de cellules pulmonaires, ou carrément in vivo chez le macaque9.
La mise au point de traitements antiviraux efficaces est apparue à partir de l’été 2020 avec la découverte et l’administration d’anticorps monoclonaux, qui sont des anticorps isolés de patients ayant une grande capacité neutralisant. En produisant en laboratoire des grandes quantités de ces « super anticorps » et en les injectant chez le patient, on peut de fait créer une sorte « d’immunisation passive », au sens où, contrairement à un vaccin, ces anticorps sont directement injectés et ne sont pas produits par l’organisme. Ces traitements permettent d’atteindre des efficacités antivirales très importantes, supérieurs à 99% pour la majorité d’entre eux, permettant de réduire la durée de clairance virale de deux jours en moyenne4. Si cet effet moyen peut sembler limité, l’intérêt principal est que ces traitements permettent de réduire la proportion de patients présentant une longue durée de clairance de la charge virale, qui sont précisément ceux qui vont être à risque de faire une forme grave. Si le traitement est initié dans les 5 à 7 jours qui suivent les symptômes, et 7 hospitalisations sur 10 peuvent être évitées. Malheureusement ces anticorps, qui ciblent la protéine spike du virus, sont très spécifiques et sont sensibles aux mutations du virus. Ainsi, l’efficacité de la première génération d’anticorps monoclonaux est aujourd’hui beaucoup plus faible contre les variants de type Omicron.
Des résultats encore plus impressionnants ont été obtenus avec des antiviraux spécifiques, comme le nirmatrelvir (la molécule active contenue dans le paxlovid), une molécule qui bloque l’activité d’une protéine du virus, la protéase, essentielle à sa réplication à l’intérieur des cellules infectées. Pour le moment les mutations des variants viruaux portent essentiellement sur les protéines permettant l’attachement du virus à ses cellules cibles, mais pas les protéines liées à sa réplication une fois que l’infection est faite. De ce fait le nirmatrelvir maintient une efficacité élevée contre les variants ayant émergé.
Si le bénéfice de l’administration précoce d’un traitement est désormais largement établi, deux questions importantes restent en suspens. La première est le bénéfice d’un traitement antiviral chez des patients hospitalisés. L’arrivée à l’hôpital se faisant le plus souvent dans la 2ème semaine des symptômes, l’efficacité d’un traitement risque d’être réduite dans la plupart des cas. Cependant chez des patients particulièrement à risque et ayant encore une charge virale élevée lors de leur hospitalisation, l’administration d’un antiviral pourrait réduire de moitié le risque de décès5. Un autre aspect qui reste encore mal connu est celui du risque d’induire du virus résistant au traitement, qui pourrait transmettre dans la population. L’organisme étant une machine à virus, des millions de particules virales sont en effet présentes dans l’organisme, dont certaines peuvent être porteuses de mutations conférant une résistance au traitement. Sous l’effet de la pression de sélection crée par le traitement, ces mutations peuvent alors rapidement s’amplifier, créant un échappement thérapeutique. C’est pourquoi le suivi de la charge virale des patients sous traitement est important. En cas de non-diminution de la charge virale, des mesures peuvent être envisagées pour séquencer le virus, identifier de possibles mutations et limiter le risque de transmission de ces variants.
Vaccination et immunité
La vaccination anti-SARS-CoV-2 a montré un bénéfice important. Ce bénéfice est en réalité double. La vaccination présente tout d’abord un bénéfice individuel chez la personne vaccinée, en réduisant fortement le risque de forme grave de la maladie, avec une efficacité supérieure à 90% contre tous les variants existants (pour les vaccins utilisant la technologie de l’ANR messager). La vaccination permet aussi de réduire le risque d’infection, avec une efficacité comprise entre 50 et 90% avant l’émergence des variants Omicron en 2021. Un autre bénéfice cependant est populationnel. En effet, même lorsque le vaccin n’empêche pas l’infection, on oublie souvent qu’il permet de limiter le risque de transmission de la maladie, réduisant ainsi le nombre de cas secondaires et donc le poids global de l’épidémie. Dans le cas du vaccin anti-SARS-CoV2 il est vrai que cet effet sur la transmission est plus faible, compris entre 20 et 50%10, y compris pour Omicron. Tout comme l’analyse des variants, l’impact précis de la vaccination sur la cinétique virale est complexe à mesurer. Bien que les résultats varient d’une étude à l’autre, la grande majorité des études mettent en évidence une diminution de la charge virale maximale par un facteur 2 à 5, y compris au pic, avec un effet qui diminue au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la dernière injection et que le nombre d’anticorps diminue. A l’ère des variants Omicron, et même en cas de 3ème dose récente, l’effet de la vaccination sur le pic de charge virale est beaucoup plus faible : si certaines études mettent en évidence un effet du vaccin, d’autres ne trouvent pas de différence entre les vaccinés et non vaccinés. La dose de rappel permet cependant d’augmenter substantiellement la quantité d’anticorps neutralisants, et un effet important sur la quantité de virus infectieux a été mesurée après le pic viral8. Pour conclure, la vaccination a un effet faible sur la quantité de virus au pic, mais semble entrainer une réduction plus rapide de la charge virale après le pic, avec un effet encore plus fort sur le virus infectieux, permettant probablement de limiter la durée de contagiosité.
Le statut immunitaire ne se limite désormais plus à la seule vaccination, et une grande majorité d’individus (en tout cas dans les pays occidentaux) possède une immunité « hybride », construite séquentiellement par un historique de plusieurs administrations de vaccins et/ou une ou plusieurs infections. L’immunité hybride étant associée à une augmentation importante des anticorps neutralisants, non seulement dans le sang mais aussi directement dans la sphère nasopharyngée, il est probable que l’impact sur la réplication virale soit encore plus fort.
L’utilisation de la charge virale en santé publique
Le rôle d’un test virologique est à la fois individuel, poser le diagnostic étiologique de l’infection, et collectif, afin de limiter le risque de transmission. La RT-PCR étant très sensible, elle va constituer un excellent test pour poser le diagnostic, mais pas, comme nous l’avons vu, pour mesurer le potentiel infectieux d’un individu. Les tests antigéniques s’avèrent un complément précieux à cet égard. En effet, ces tests, bien que moins sensibles, sont aussi plus rapides et ne nécessitent pas de traitement en laboratoire. Ils permettent de détecter uniquement des niveaux de charge virale élevés, typiquement supérieurs à 1 million de virus dans un échantillon (un test RT-PCR peut détecter jusqu’à 10.000 fois moins de matériel viral). Ce seuil correspond aussi à peu près au niveau auquel du virus infectieux a des chances de se trouver. De ce fait les tests antigéniques constituent un excellent moyen d’identifier rapidement et facilement des individus contagieux. Etant donné leur plus faible sensibilité, mais aussi la dynamique très rapide de la charge virale dans les 7 premiers jours de l’infection, ces tests trouvent leur intérêt s’ils sont répétés fréquemment. En se testant une fois par jour, certaines études suggèrent qu’on peut identifier très tôt la période infectieuse, quand seulement 10% des particules virales ont été produites11. Ils constituent donc un outil de santé publique important, en complément des tests PCR, bien que certaines études récentes suggèrent une diminution de leur sensibilité sur les nouveaux variants viraux.
Remerciements
Lulla Opatowski (Institut Pasteur, Université Versailles Saint Quentin), Florence Débarre (CNRS).
Pour aller plus loin (articles en anglais)
1. Puhach, O., Meyer, B. & Eckerle, I. SARS-CoV-2 viral load and shedding kinetics. Nature Reviews Microbiology 1–15 (2022).
2. Sender, R. et al. The total number and mass of SARS-CoV-2 virions. Proceedings of the National Academy of Sciences 118, e2024815118 (2021).
3. Jones, T. C. et al. Estimating infectiousness throughout SARS-CoV-2 infection course. Science373, eabi5273 (2021).
4. Conrado, D. J. et al. Viral kinetics in COVID-19 outpatients treated with casirivimab+ imdevimab combination. Topics in Antiviral Medicine 176–176 (2022).
5. Néant, N. et al. Modeling SARS-CoV-2 viral kinetics and association with mortality in hospitalized patients from the French COVID cohort. Proc Natl Acad Sci U S A118, (2021).
6. Marc, A. et al. Quantifying the relationship between SARS-CoV-2 viral load and infectiousness. Elife10, e69302 (2021).
7. Ke, R. et al. Daily longitudinal sampling of SARS-CoV-2 infection reveals substantial heterogeneity in infectiousness. Nature Microbiology 7, 640–652 (2022).
8. Puhach, O. et al. Infectious viral load in unvaccinated and vaccinated individuals infected with ancestral, Delta or Omicron SARS-CoV-2. Nature Medicine 1–10 (2022).
9. Maisonnasse, P. et al. Hydroxychloroquine use against SARS-CoV-2 infection in non-human primates. Nature 585, 584–587 (2020).
10. Eyre, D. W. et al. Effect of Covid-19 vaccination on transmission of alpha and delta variants. New England Journal of Medicine 386, 744–756 (2022).
11. Killingley, B. et al. Safety, tolerability and viral kinetics during SARS-CoV-2 human challenge in young adults. Nature Medicine 28, 1031–1041 (2022).