Симулациите показват, че ултразвуковите вълни на медицински честоти за образна диагностика могат да доведат до разрушаване на обвивката и шиповете на вируса.
Структурата на коронавируса е твърде познато изображение, с плътно разположени повърхностни рецептори, наподобяващи корона. Тези подобни на шипове протеини се прихващат към здравите клетки и предизвикват инвазията на вирусната РНК. Докато геометрията на вируса и стратегията за заразяване обикновено са ясни, малко се знае за неговата физическа цялост.
Ново проучване от изследователи от Машиностроителния факултет на Масачузетския Технологически Институт (MIT) показва, че коронавирусите може да са уязвими на ултразвукови вибрации, в рамките на честотите, използвани в медицинската образна диагностика.
Чрез компютърни симулации екипът моделира механичната реакция на вируса към вибрации в редица ултразвукови честоти. Те откриват, че вибрациите между 25 и 100 мегагерца задействат разрушаването на обвивката и шиповете на вируса и унищожението започва за част от милисекундата. Този ефект се наблюдава при симулации на вируса във въздуха и във водата.
Резултатите са предварителни и се основават на ограничени данни относно физическите свойства на вируса. Независимо от това, изследователите смятат, че техните открития са първият намек за възможно лечение на коронавируси на базата на ултразвук, включително новия вирус SARS-CoV-2. Как точно може да се прилага ултразвук и доколко ефективно би повлиял на вируса в сложността на човешкото тяло, са сред основните въпроси, които учените трябва да решат в бъдеще.
„Доказахме, че при ултразвуково трептение на обвивката и шиповете на коронавируса ще вибрират и амплитудата на тази вибрация ще бъде много голяма, произвеждайки вибрации, които биха могли да разрушат определени части на вируса, да нанесат видими щети на външната обвивка и вероятно невидими щети вътре в РНК“, разказва Томаш Виержбицки (Tomasz Wierzbicki), професор по приложна механика в MIT. „Надеждата е, че нашата статия ще даде старт на дискусия в различни дисциплини“.
Резултатите от екипа са публикувани онлайн в Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
3D изображението на колабиращия вирус, вдясно, заснето в момента на максималната амплитуда на вибрациите. Шиповете са премахнати от цветно кодирания сюжет вляво за по-голяма яснота. Кредит: Courtesy of the researchers
Коронясаната обвивка
Виержбицки и неговата група работят върху механиката на твърдото тяло и на структурата и изучават как материалите се разрушават при различни напрежения и деформации и в частност, когато пандемията от COVID-19 завладява света, се фокусират какво може да се научи за потенциала да се разруши вируса.
Екипът на Виержбицки се заема да симулира новия коронавирус и неговата механична реакция на вибрации. Те използват прости концепции от механиката и физиката на твърдите вещества, за да изградят геометричен и изчислителен модел на структурата на вируса, който основават на ограничената информация в научната литература, като микроскопски изображения на обвивката на вируса и шиповете.
От предишни проучвания учените познават общата структура на коронавирусите - семейство вируси, в което са ХИВ, настинки и новият щам SARS-CoV-2. Тази структура се състои от гладка обвивка от липидни протеини и плътно разположени върху обвивката, подобни на шипове, рецептори.
Имайки предвид тази геометрия, екипът моделира вируса като тънка еластична обвивка, покрита с около 100 еластични шипа. Тъй като точните физични свойства на вируса са несигурни, изследователите симулират поведението на тази проста структура в редица еластичности както за обвивката, така и за шиповете.
„Не знаем физическите свойства на шиповете, тъй като те са много малки - с височина около 10 нанометра“, разказва Виержбицки. „Още по-неизвестно е какво има вътре във вируса, който не е празен, а е изпълнен с РНК, която е заобиколена от протеинова капсидна обвивка. Така че това моделиране изисква много предположения".
„Сигурни сме, че този еластичен модел е добра отправна точка“, обяснява Виержбицки. „Въпросът е какви са напреженията и вибрациите, които ще доведат до разрушаване на вируса?“
Разпадане на короната
За да отговорят на този въпрос, изследователите въвеждат акустични вибрации в симулациите и наблюдават как вибрациите се разпространяват по структурата на вируса в диапазона на ултразвуковите честоти.
Екипът започва с вибрации от 100 мегагерца, или 100 милиона цикъла в секунда, които според тях биха били честотата на собствените трептения на обвивката, въз основа на това, което е известно за физическите свойства на вируса.
Когато изследователите подлагат вируса на ултразвукови трептения от 100 MHz, честотата на собствените трептения на вируса първоначално са неоткриваеми. Но в рамките на част от милисекундата външните вибрации, резониращи с честотата на собствените трептения на вируса, черупката и шиповете са принудени да се извият навътре, подобно на топка, която се вдлъбва, когато отскача от земята.
С увеличаването на амплитудата или интензивността на вибрациите, обвивката може да се счупи - акустичен феномен, известен като резонанс, който обяснява и как оперните певци могат да счупят чаша с вино, ако пеят с точната височина и сила на звука. При по-ниски честоти от 25 MHz и 50 MHz, вирусът се изкривява и счупва още по-бързо, както в среда като въздух, така и във водна среда, която е сходна по плътност с течностите в тялото.
„Тези честоти и интензитети са в границите, които се използват безопасно в медицинската образна диагностика“, заявява Виержбицки.
За да усъвършенства и валидира своите симулации, екипът работи с микробиолози от Испания, които използват атомно-силова микроскопия, за да наблюдават ефектите от ултразвукови вибрации върху вид коронавирус, открит изключително при прасетата.
Ако ултразвуковият метод може да бъде доказан експериментално, че уврежда коронавирусите, включително SARS-CoV-2, и ако това увреждане може да има терапевтичен ефект, екипът предвижда този ултразвук, който вече се използва за разбиване на камъни в бъбреците и за освобождаване на лекарства чрез липозоми, може да бъде впрегнат за лечение и евентуално предотвратяване на коронавирусна инфекция. Изследователите също така предвиждат, че миниатюрни ултразвукови преобразуватели, монтирани в телефони и други преносими устройства, могат да бъдат в състояние да предпазват хората от вируса.
Виержбицки подчертава, че трябва да се направят още много изследвания, за да се потвърди дали ултразвукът може да бъде ефективна стратегия за лечение и превенция срещу коронавирусите. Докато неговият екип работи за подобряване на съществуващите симулации с нови експериментални данни, той планира да обмисли специфичната механика на новия бързо мутиращ вирус SARS-CoV-2.
„Разгледахме общото семейство на коронавирусите и сега разглеждаме конкретно морфологията и геометрията на Covid-19“, коментира Виержбицки. „Потенциалът може да бъде голям в настоящата критична ситуация.“
Справка: “Effect of receptors on the resonant and transient harmonic vibrations of Coronavirus” by Tomasz Wierzbicki, Wei Li, Yuming Liu and Juner Zhu, 18 February 2021, Journal of the Mechanics and Physics of Solids. DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104369
Източник: Collapsing COVID: MIT Says Ultrasound Can Damage Coronaviruses, Scitech daily
Още по темата
Животът
Няколко държави спряха ваксината на AstraZeneca, но без потвърдени причини
Човекът
Сапунът разтваря мастната мембрана на вируса и той се разпада като къща от карти
Животът
Нова техника показва как мозъкът се движи заедно с пулса
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари