कोविड-19 महामारी से निपटने के संदर्भ में, हालांकि टीके और दवाएं महत्वपूर्ण रही हैं, नई महामारियों की संभावना वैज्ञानिक अनुसंधान की निरंतरता को प्रोत्साहित करती है। Unesp और USP के शोधकर्ताओं को शामिल करते हुए एक पहल सूक्ष्मजीवों को नष्ट करने के लिए ध्वनि तरंगों की क्षमता का पता लगा रही है।
ये निष्कर्ष वैज्ञानिक पत्रिका Scientific Reports में प्रकाशित किए गए थे। जहां टीके और दवाएं रासायनिक और जैविक मार्गों से कार्य करते हैं, वहीं हालिया जांच भौतिक गुणों पर आधारित उपचारों पर केंद्रित है, जैसे श्वसन वायरस की संरचना को तोड़ने और वायरल लोड को नियंत्रित करने के लिए अल्ट्रासाउंड का उपयोग करना।
इन विट्रो में किए गए प्रयोगों में, ब्राज़ीलियाई वैज्ञानिकों ने प्रदर्शित किया कि अल्ट्रासाउंड तरंगें कोविड-19 (SARS-CoV-2) और इन्फ्लूएंजा ए (H1N1) दोनों वायरस को अस्थिर करने में सक्षम थीं। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप वायरल लिफाफे का टूटना, कणों का विखंडन और इन वायरस द्वारा कोशिकाओं को संक्रमित करने की क्षमता में कमी आई।
मानव उपचार में इन भौतिक तकनीकों के अनुप्रयोग में चुनौतियां हैं, क्योंकि कई इन विट्रो या पर्यावरणीय कीटाणुशोधन विधियों के लिए उच्च तीव्रता की आवश्यकता होती है, जो उन्हें जीवित ऊतकों के लिए अनुपयुक्त बनाती है। उदाहरण के लिए, पराबैंगनी विकिरण तेजी से वायरस को निष्क्रिय करता है, लेकिन यह ऊतक क्षति का उच्च जोखिम भी वहन करता है, जैसे कि अन्य प्रकार के गैर-आयनीकरण विकिरण।
प्रारंभिक परीक्षणों में, शोधकर्ताओं ने देखा कि अल्ट्रासाउंड के संपर्क में आने पर तापमान या नमूनों के पीएच में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन दर्ज नहीं हुआ। यह पूरी तरह से भौतिक वायरल निष्क्रियता की रणनीति का मार्ग प्रशस्त करता है, जो रासायनिक एजेंटों या उच्च विकिरण खुराक पर निर्भर होने के बजाय कणों के आकार जैसे यांत्रिक गुणों का लाभ उठाता है।
बहु-विषयक टीम में भौतिकी, वायरोलॉजी और सामग्री लक्षण वर्णन के विशेषज्ञ शामिल हैं। सदस्यों में USP के भौतिकी संस्थान, साओ कार्लोस से प्रोफेसर ओडेमीर एम. ब्रूनो, और Unesp के विज्ञान और प्रौद्योगिकी संकाय, प्रेसिडेंटे प्रुडेंते परिसर से प्रोफेसर कार्लोस जोस लेओपोल्डो कॉन्स्टेंटिनो और पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता गिलिया क्रिस्टीन मार्केस रुइज़ शामिल हैं।
यह जांच कोविड-19 महामारी के दौरान शुरू हुई थी, जब ब्रूनो का समूह वायरल पहचान के लिए सेंसर विकसित कर रहा था। इसी अवधि में एक सैद्धांतिक मॉडल सामने आया जिसने संकेत दिया कि वायरल कण कुछ ध्वनिक तरंगों के साथ अनुनाद में प्रवेश कर सकते हैं, जिसने 2021 से अनुसंधान को गति दी।
केंद्रीय अवधारणा अनुनाद है। जब एक ध्वनि तरंग एक ऐसे वस्तु से मिलती है जो संबंधित आवृत्ति पर कंपन कर सकती है, तो स्थानांतरित ऊर्जा जमा हो सकती है और दोलन को बढ़ा सकती है, जिसके परिणामस्वरूप वस्तु का पतन हो सकता है। ब्रूनो इसे वायलिन से क्रिस्टल के गिलास को तोड़ने की क्रिया से तुलना करते हैं, इस बात पर जोर देते हुए कि अल्ट्रासाउंड दृष्टिकोण एक सौम्य और सामंजस्यपूर्ण रणनीति का उपयोग करता है।
वायरस का गोलाकार आकार महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह कंपन को पूरी संरचना में समान रूप से वितरित करने की अनुमति देता है, जिससे अनुनाद प्रभाव अनुकूलित होता है। कण की प्राकृतिक कंपन आवृत्ति के करीब आने पर, अल्ट्रासाउंड अधिक कुशलता से ऊर्जा स्थानांतरित करता है, जिससे वायरल लिफाफे में बार-बार विरूपण होता है। यदि कंपन पर्याप्त तीव्र है, तो यांत्रिक तनाव संरचनात्मक प्रतिरोध को पार कर जाते हैं, जिससे विकृति, टूटना और कण का विखंडन होता है।
यह रूपात्मक परिवर्तन वायरस को निष्क्रिय कर देता है, जिससे इसकी प्रतिकृति बनाने और संक्रमित करने की क्षमता समाप्त हो जाती है। टीम ने इमेजिंग निदान उपकरणों का उपयोग करके 3 से 20 मेगाहर्ट्ज (MHz) की सीमा में उच्च आवृत्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग किया। एक विशिष्ट परीक्षण में, संरचनात्मक परिवर्तनों का विश्लेषण करने के लिए 7.5 मेगाहर्ट्ज को पांच मिनट तक लागू किया गया था।
गर्मी या रासायनिक परिवर्तनों को खारिज करने के लिए, शोधकर्ताओं ने तापमान और पीएच की निगरानी की, यह पाया कि अनुनाद की स्थितियों के तहत दोनों स्थिर रहे। यह डेटा महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह अध्ययन की गई क्रियाविधि को कैविटेशन से अलग करता है, जो कम आवृत्तियों (किलोहर्ट्ज़) पर अल्ट्रासाउंड का एक प्रभाव है जो गर्मी और शॉक वेव उत्पन्न करता है, जो केवल स्वच्छता में उपयोगी है, लेकिन चिकित्सा में नहीं।
ब्रूनो उपयोग किए जाने वाले अल्ट्रासाउंड की तुलना प्रसवपूर्व जांच के अल्ट्रासाउंड से करते हैं, इसे हानिरहित बताते हैं। हालांकि, वह इस बात पर जोर देते हैं कि चिकित्सीय अनुप्रयोग के लिए अभी भी इस घटना की अधिक अध्ययन और समझ की आवश्यकता है इससे पहले कि जीवित प्राणियों पर परीक्षण किया जाए।
स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी जैसी तकनीकों ने SARS-CoV-2 की सतह में परिवर्तन प्रकट किए: गोलाकार कणों में अनियमित किनारे, छोटा व्यास और लिफाफे का टूटना दिखाई दिया। औसत व्यास में भी कमी आई; जबकि SARS-CoV-2 के बिना उपचारित नमूनों में लगभग 107 नैनोमीटर थे, अल्ट्रासाउंड के बाद छोटे घटक दिखाई दिए।
H1N1 के मामले में, प्रभाव और भी अधिक नाटकीय था, विश्लेषण किए गए आकार की सीमा में कणों का कोई संकेत नहीं मिला। इस बिंदु पर, प्रेसिडेंटे प्रुडेंते में Unesp का सहयोग नैनोमेट्रिक कणों को चित्रित करने के लिए महत्वपूर्ण था, जिन्हें पारंपरिक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी से देखना मुश्किल है।
गिलिया ने समझाया कि टीम ने लाइट डायनेमिक स्कैटरिंग (DLS) तकनीक का उपयोग किया। यह विधि प्रकाश के बिखराव से होने वाले उतार-चढ़ाव का विश्लेषण करके तरल में बिखरे कणों के औसत आकार को मापती है। DLS ने अल्ट्रासाउंड के संपर्क में आने से पहले और बाद में वायरस नमूनों के आकार को मापने की अनुमति दी, जिससे SARS-CoV-2 के विखंडन और H1N1 की अनुपस्थिति की पुष्टि हुई।
वास्तविक वायरल नमूनों के लिए DLS का अनुकूलन उपकरण के समायोजन, एल्गोरिदम के समायोजन और विलायक और डीफ़्रॉस्टिंग जैसे कारकों पर ध्यान देने की मांग करता है।
भौतिक विनाश के अलावा, वैज्ञानिकों ने जैविक प्रभावों का भी मूल्यांकन किया। SARS-CoV-2 के उपचारित और अनुपचारित नमूनों का उपयोग Vero E6 कोशिकाओं को संक्रमित करने के लिए किया गया था। 24 घंटे के बाद, वायरल प्रतिकृति के विश्लेषण ने अल्ट्रासाउंड के संपर्क में आने के बाद संक्रमण में कमी दिखाई, जिसमें 7.5 मेगाहर्ट्ज के करीब सबसे मजबूत प्रभाव था।
अध्ययन में गामा और डेल्टा वेरिएंट भी शामिल थे। हालांकि अल्ट्रासाउंड ने इन वेरिएंट की संक्रामकता को कम कर दिया, उन्होंने अधिक प्रतिरोध दिखाया, और प्रभाव आवृत्ति और उपयोग किए गए उपकरण के अनुसार भिन्न हुआ।
ब्रूनो बताते हैं कि अनुनाद की आदर्श आवृत्ति वायरस के भौतिक गुणों (आकार, ज्यामिति और यांत्रिक गुण) पर निर्भर कर सकती है, न कि सीधे उसकी आनुवंशिक अनुक्रम पर। उनका दावा है कि सिद्धांत रूप में, गोलाकार वायरस विशिष्ट आवृत्ति रेंज पर प्रतिक्रिया दे सकते हैं, जिससे आणविक उत्परिवर्तन पर कम निर्भर रास्ता खुलता है।
हालांकि, गामा और डेल्टा वेरिएंट में देखे गए अंतर बताते हैं कि कठोरता, लिफाफे की मोटाई और चिपचिपा-लोचदार गुण जैसे भौतिक गुण कंपन मोड को और परिणामस्वरूप अनुनाद की दक्षता को बदल सकते हैं।
