Simulatiile arata unde ultrasunete la frecventele imagistice medicale pot provoca prabusirea si ruperea coajei virusului si a varfurilor

Structura coronavirusului este o imagine prea familiara, cu receptorii sai de suprafata dens asemanatori unei coroane spinoase. Aceste proteine ​​asemanatoare varfurilor se prind de celulele sanatoase si declanseaza invazia ARN-ului viral. In timp ce geometria virusului si strategia infectiei sunt in general intelese, se stie putin despre integritatea sa fizica.

Un nou studiu realizat de cercetatorii din cadrul Departamentului de Inginerie Mecanica al MIT sugereaza ca coronavirusurile pot fi vulnerabile la vibratiile cu ultrasunete, in cadrul frecventelor utilizate in imagistica de diagnostic medical.

Prin simulari pe computer, echipa a modelat raspunsul mecanic al virusului la vibratii pe o gama de frecvente cu ultrasunete. Au descoperit ca vibratiile intre 25 si 100MHz au declansat coaja virusului si varfurile sa se prabuseasca si sa inceapa sa se rupa intr-o fractiune de milisecunda. Acest efect a fost observat in simulari ale virusului in aer si in apa.

Rezultatele sunt preliminare si se bazeaza pe date limitate cu privire la proprietatile fizice ale virusului. Cu toate acestea, cercetatorii spun ca descoperirile lor reprezinta un prim indiciu asupra unui posibil tratament pe baza de ultrasunete pentru coronavirusuri, inclusiv noul virus SARS-CoV-2. Cat de exact ar putea fi administrate ultrasunetele si cat de eficient ar fi in deteriorarea virusului in complexitatea corpului uman, se numara printre intrebarile majore pe care oamenii de stiinta vor trebui sa le abordeze in viitor.

„Am dovedit ca, sub excitatie cu ultrasunete, coaja si varfurile coronavirusului vor vibra, iar amplitudinea acelei vibratii va fi foarte mare, producand tulpini care ar putea rupe anumite parti ale virusului, afectand vizibil coaja exterioara si eventual deteriorand invizibil. catre ARN din interior ", a declarat Tomasz Wierzbicki, profesor de mecanica aplicata la MIT. "Speranta este ca lucrarea noastra va initia o discutie intre diverse discipline."

Rezultatele echipei apar online in Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Coautorii lui Wierzbicki sunt Wei Li, Yuming Liu si Juner Zhu la MIT.

O coaja tepoasa

Pe masura ce pandemia Covid-19 a luat amploare in intreaga lume, Wierzbicki a cautat sa contribuie la intelegerea stiintifica a virusului. Grupul sau se concentreaza pe mecanica solida si structurala si pe studiul modului in care materialele se fractureaza sub diferite tensiuni. Cu aceasta perspectiva, el s-a intrebat ce se poate afla despre potentialul de fractura al virusului.

Echipa lui Wierzbicki si-a propus sa simuleze noul coronavirus si raspunsul sau mecanic la vibratii. Ei au folosit concepte simple despre mecanica si fizica solidelor pentru a construi un model geometric si de calcul al structurii virusului, pe care l-au bazat pe informatii limitate din literatura stiintifica, cum ar fi imaginile microscopice ale coajei si varfurilor virusului.

Din studiile anterioare, oamenii de stiinta au trasat structura generala a coronavirusului - o familie de virusi care sunt HIV, gripa si noua tulpina SARS-CoV-2. Aceasta structura consta dintr-o coaja neteda de proteine ​​lipidice si receptori dens impachetati, asemanatori varfurilor, care ies din coaja.

Avand in vedere aceasta geometrie, echipa a modelat virusul ca o coaja elastica subtire acoperita in aproximativ 100 de varfuri elastice. Deoarece proprietatile fizice exacte ale virusului sunt incerte, cercetatorii au simulat comportamentul acestei structuri simple intr-o gama de elasticitati atat pentru coaja, cat si pentru varfuri.

„Nu cunoastem proprietatile materiale ale varfurilor, deoarece acestea sunt atat de mici - inaltime de aproximativ 10 nanometri”, a spus Wierzbicki. "Si mai necunoscut este ce contine virusul, care nu este gol, ci este plin de ARN, care in sine este inconjurat de o coaja de capsida proteica. Deci, aceasta modelare necesita o multime de presupuneri."

"Ne simtim increzatori ca acest model elastic este un bun punct de plecare", a spus Wierzbicki. "Intrebarea este, care sunt stresurile si tulpinile care vor determina ruperea virusului?"

Colapsul unei coroane

Pentru a raspunde la aceasta intrebare, cercetatorii au introdus vibratii acustice in simulari si au observat modul in care vibratiile au trecut prin structura virusului pe o gama de frecvente cu ultrasunete.

Echipa a inceput cu vibratii de 100 megahertz, sau 100 de milioane de cicluri pe secunda, despre care au estimat ca ar fi frecventa naturala de vibratie a cochiliei, pe baza a ceea ce se stie despre proprietatile fizice ale virusului.

Cand au expus virusul la excitatii cu ultrasunete de 100 MHz, vibratiile naturale ale virusului au fost initial nedetectabile. Dar, intr-o fractiune de milisecunda, vibratiile externe, rezonante cu frecventa oscilatiilor naturale ale virusului, au facut ca coaja si varfurile sa se indoaie spre interior, asemanator cu o bila care face gropi in timp ce sare de pe sol.

Pe masura ce cercetatorii au marit amplitudinea sau intensitatea vibratiilor, cochilia s-ar putea fractura - un fenomen acustic cunoscut sub numele de rezonanta, care explica si modul in care cantaretii de opera pot sparge o pahara de vin daca canta la tonalitatea si volumul potrivit. La frecvente mai mici de 25 MHz si 50 MHz, virusul s-a indoit si s-a fracturat si mai repede, atat in ​​medii simulate de aer, cat si in apa cu densitate similara fluidelor din corp.

„Aceste frecvente si intensitati se incadreaza in intervalul care este utilizat in siguranta pentru imagistica medicala”, a spus Wierzbicki.

Pentru a rafina si valida simularile lor, echipa lucreaza cu microbiologi din Spania, care utilizeaza microscopia cu forta atomica pentru a observa efectele vibratiilor cu ultrasunete asupra unui tip de coronavirus gasit exclusiv la porci. Daca se poate dovedi experimental ca ultrasunetele afecteaza coronavirusurile, inclusiv SARS-CoV-2 si daca se poate dovedi ca aceasta afectare are un efect terapeutic, echipa prevede ca ultrasunetele, care sunt deja utilizate pentru a sparge calculii renali si pentru a elibera medicamente prin lipozomi, ar putea fi valorificati pentru a trata si, eventual, pentru a preveni infectia cu coronavirus. Cercetatorii prevad, de asemenea, ca traductoarele cu ultrasunete miniaturale, montate in telefoane si alte dispozitive portabile, ar putea fi capabile sa protejeze oamenii de virus.

Wierzbicki subliniaza ca exista mult mai multe cercetari de facut pentru a confirma daca ultrasunetele pot fi o strategie eficienta de tratament si prevenire impotriva coronavirusurilor. Pe masura ce echipa sa lucreaza pentru a imbunatati simularile existente cu noi date experimentale, el intentioneaza sa puna la punct mecanica specifica a romanului, mutand rapid virusul SARS-CoV-2.

"Ne-am uitat la familia generala de coronavirus si acum ne uitam in mod specific la morfologia si geometria Covid-19", a spus Wierzbicki. „Potentialul este ceva care ar putea fi extraordinar in situatia critica actuala”.

Pentru mai multe informatii: www.web.mit.edu

Sursa: itonline.com