MIT říká, že ultrazvuk může poškodit koronaviry

Nový výzkum MIT odhaluje, že ultrazvuk může poškodit koronaviry. Uznání: MIT News, s obrázky z iStockphoto

Simulace ukazují, že ultrazvukové vlny na frekvencích lékařských obrazů mohou způsobit kolaps a prasknutí skořápky virů a špiček.

Struktura koronaviru je dobře známý obraz, jehož hustě zabalené povrchové receptory připomínají trnitou korunu. Tyto proteiny podobné třídě se váží na zdravé buňky a spouští virovou invazi RNA. Ačkoli geometrii a strategii virové infekce obecně chápeme, o její fyzické integritě je známo jen málo.

Nový výzkum vědců z SMinisterstvo strojního inženýrství naznačuje, že koronaviry mohou být citlivé na ultrazvukové vibrace v rámci frekvencí používaných při lékařském diagnostickém zobrazování.

Prostřednictvím počítačových simulací tým modeloval mechanickou odezvu viru na vibrace pomocí řady ultrazvukových frekvencí. Zjistili, že vibrace mezi 25 a 100 megahertzy způsobily skořápku viru a hroty se zhroutily a začaly střílet za zlomek milisekundy. Tento účinek byl pozorován při simulaci viru ve vzduchu a ve vodě.

Výsledky jsou předběžné a jsou založeny na omezených údajích o fyzikálních vlastnostech viru. Vědci však tvrdí, že jejich zjištění jsou prvním náznakem možné léčby koronaviru na ultrazvuku, včetně románu SARS-CoV-2 virus. Jak přesně by mohl být ultrazvuk aplikován a jak efektivní by bylo poškození viru ve složitosti lidského těla, to je jedna z hlavních otázek, které budou vědci muset v budoucnu řešit.

“Dokázali jsme, že při excitaci ultrazvukem bude koronavirový obal a hrot vibrovat a amplituda těchto vibrací bude velmi velká, což způsobí kmeny, které by mohly rozbít určité části viru, což by viditelně poškodilo vnější obal a mohlo by to být neviditelné.” poškození RNA uvnitř, “říká Tomasz Wierzbicki, profesor aplikované mechaniky na MIT. „Doufá, že naše práce podnítí debatu o různých oborech.“

Výsledky týmu se zobrazují online na adrese Časopis mechaniky a fyziky pevných látek. Spoluautoři Wierzbic jsou Wei Li, Yuming Liu a Juner Zhu z MIT.

3D obrázek havarovaného viru

3D obrázek kolabujícího viru, pravý, pořízený v okamžiku maximální amplitudy vibrací. Hroty byly z důvodu přehlednosti odstraněny z grafu kódovaného barevně vlevo. Zásluhy: s laskavým svolením výzkumného pracovníka

Špičatá skořápka

Jak pandemie Covid-19 ovládla svět, zdá se, že Wierzbicki přispěl k vědeckému pochopení viru. Zaměřuje se na mechaniku pevných a konstrukčních materiálů a studium lomu materiálu pod různými napětími a deformacemi. Z této perspektivy přemýšlel, co by se dalo zjistit o potenciálu zlomenin viru.

Wierzbickiho tým se rozhodl simulovat nový koronavirus a jeho mechanickou reakci na vibrace. Použili jednoduché koncepty mechaniky a fyziky těles ke konstrukci geometrického a výpočetního modelu struktury viru na základě omezených informací ve vědecké literatuře, jako jsou mikroskopické snímky skořápky viru a pichlavé tečky.

Z předchozích studií vědci zmapovali obecnou strukturu koronavirů – rodin virů, které jsou HIV, chřipka a nový kmen SARS-CoV-2. Tato struktura se skládá z hladkého pláště lipidových proteinů a hustě zabalených, spikálních receptorů vyčnívajících z pláště.

S ohledem na tuto geometrii tým modeloval virus jako tenkou elastickou skořápku pokrytou asi 100 elastickými ostny. Vzhledem k tomu, že přesné fyzikální vlastnosti viru jsou nejisté, vědci simulovali chování této jednoduché struktury prostřednictvím řady pružností jak skořápky, tak bodů.

“Neznáme materiálové vlastnosti hrotů, protože jsou tak malé – vysoké asi 10 nanometrů,” říká Wierzbicki. „Ještě více není známo, co je uvnitř viru, který není prázdný, ale je naplněn RNA, která je sama obklopena obalem bílkovinné kapsidy. Toto modelování tedy vyžaduje mnoho předpokladů. “

“Jsme přesvědčeni, že tento elastický model je dobrým výchozím bodem,” říká Wierzbicki. „Otázkou je, jaké jsou napětí a kmeny, které způsobí prasknutí viru?“

Koronální kolaps

Abychom odpověděli na tuto otázku, vědci zavedli do simulací akustické vibrace a sledovali, jak vibrace vlní strukturou viru prostřednictvím ultrazvukových frekvencí.

Tým začal s vibracemi 100 megahertzů nebo 100 milionů cyklů za sekundu, což podle jeho odhadu bude přirozená frekvence vibrací skořápky na základě toho, co je známo o fyzikálních vlastnostech viru.

Když byl virus vystaven ultrazvukové excitaci 100 MHz, přirozené vibrace viru nebyly zpočátku detekovány. Ale během zlomku milisekundy způsobily vnější vibrace, rezonující s frekvencí přirozených kmitů viru, kroucení pláště a hrotů dovnitř, podobně jako koule, která klesá při odrazu od země.

Jak vědci zvýšili amplitudu nebo intenzitu vibrací, mohla skořápka prasknout – akustický jev známý jako rezonance, který také vysvětluje, jak operní pěvci mohou prasknout sklenku na víno, pokud zpívají správným tónem a hlasitostí. Při nižších frekvencích 25 MHz a 50 MHz virus praskal a praskal ještě rychleji, a to jak v simulovaném prostředí vzduchu, tak ve vodě, což je hustota podobná hustotě tekutiny v těle.

“Tyto frekvence a intenzity jsou v rozsahu, který se bezpečně používá pro lékařské zobrazování,” říká Wierzbicki.

Na zdokonalení a ověření jejich simulací tým spolupracuje s mikrobiology ve Španělsku, kteří používají mikroskopii atomových sil k pozorování účinků ultrazvukových vibrací na typ koronaviru vyskytujícího se výlučně u prasat. Pokud lze experimentálně dokázat, že ultrazvuk poškozuje koronaviry, včetně SARS-CoV-2, a pokud je prokázáno, že toto poškození má terapeutický účinek, tým předpovídá, že lze použít ultrazvuk, který se již používá k odbourávání ledvinových kamenů a uvolňování léků liposomy k léčbě a možné prevenci infekce koronaviry. Vědci také předpovídají, že miniaturní ultrazvukové měniče zabudované do telefonů a dalších přenosných zařízení mohou chránit lidi před viry.

Wierzbicki zdůrazňuje, že je třeba provést mnohem více výzkumu, aby se potvrdilo, zda může být ultrazvuk účinnou strategií léčby a prevence proti koronaviru. Zatímco jeho tým pracuje na zdokonalení stávajících simulací s novými experimentálními daty, plánuje se vypořádat se specifickou mechanikou románu, která rychle mutuje virus SARS-CoV-2.

“Podívali jsme se na obecnou rodinu koronavirů a nyní konkrétně zkoumáme morfologii a geometrii Covid-19,” říká Wierzbicki. „Potenciál je něco, co by v současné kritické situaci mohlo být skvělé.“

Odkaz: „Vliv receptorů na rezonanční a dočasné harmonické vibrace koronaviru“, Tomasz Wierzbicki, Wei Li, Yuming Liu a Juner Zhu, 18. února 2021, Časopis mechaniky a fyziky pevných látek.
DOI: 10.1016 / j.jmps.2021.104369

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Líheň je otevřená, stanici zabírá 10 členů posádky

Nově přidaný personál stanice, který se skládal z 10 členů, se shromáždil v servisní jednotce Zvezda, aby uspořádali uvítací ceremoniál s rodinnými příslušníky a...

Chronické virové infekce mohou mít hluboký trvalý účinek na imunitu člověka, podobně jako stárnutí

Analýza topologie sítě funkce imunitního systému představující desítky integrovaných buněčných odpovědí, které jsou během odstraňování viru hepatitidy C u lidí obráceny. Zkoumané signální...

Byly odhaleny bizarní dýchací orgány 450 milionů let starých mořských živočichů

Zápočet: UCR Trilobité měli při dýchání jednu nohu Nová studie našla první důkazy o vysoce vyvinutých dýchacích orgánech u mořských živočichů starých 450 milionů let. ...

“Čmáranice světla” v reálném čase

Vědci z Tokijské metropolitní univerzity vyvinuli zjednodušený algoritmus pro převod volně nakreslených čar na standardním stolním procesoru na hologramy. Dramaticky snižují náklady na...

Mineralogie hluboké kůry Země pohání hotspoty pro domácí život

Tým DeMMO Field zleva doprava: Lily Mumper, Britney Kruger a Caitlin Cesar vzorky zlomenin z vrtné soupravy DeMMO. Kredit: © Matt Kapost Pod zeleným...

Newsletter

Subscribe to stay updated.