В контексте борьбы с пандемией COVID-19, хотя вакцины и лекарства сыграли решающую роль, возможность новых вспышек стимулирует продолжение научных исследований. Инициатива с участием исследователей из Unesp и USP изучает потенциал звуковых волн для уничтожения микроорганизмов.
Результаты были опубликованы в научном журнале Scientific Reports. В то время как вакцины и препараты действуют химическими и биологическими путями, недавнее исследование сосредоточено на терапиях, основанных на физических свойствах, таких как использование ультразвука для разрушения структуры респираторных вирусов и контроля вирусной нагрузки.
В экспериментах in vitro бразильские ученые продемонстрировали, что ультразвуковые волны смогли дестабилизировать как вирус COVID-19 (SARS-CoV-2), так и вирус гриппа А (H1N1). Этот процесс привел к разрыву вирусной оболочки, фрагментации частиц и снижению способности этих вирусов инфицировать клетки.
Применение этих физических методов в лечении человека сопряжено с проблемами, поскольку многие методы дезинфекции in vitro или в окружающей среде требуют высокой интенсивности, что делает их непригодными для живых тканей. Например, ультрафиолетовое излучение быстро инактивирует вирусы, но также несет высокий риск повреждения тканей, как и другие формы неионизирующего излучения.
В предварительных тестах исследователи заметили, что воздействие ультразвука было эффективным без регистрации значительных изменений температуры или pH образцов. Это открывает путь к стратегии чисто физической инактивации вируса, которая использует механические характеристики частиц, такие как их форма, вместо того чтобы полагаться на химические агенты или высокие дозы радиации.
Мультидисциплинарная команда включает специалистов по физике, вирусологии и характеризации материалов. Среди участников профессор Одемир М. Бруно из Института физики USP в Сан-Карлос; профессор Карлос Жозе Леопольдо Константино и постдокторантка Гилия Кристине Маркеш Руис, оба из Факультета наук и технологий Unesp в кампусе Президенте Пруденте.
Исследование началось во время пандемии COVID-19, когда группа Бруно разрабатывала датчики для вирусного обнаружения. Именно в этот период появилась теоретическая модель, указывающая на то, что вирусные частицы могут входить в резонанс с определенными акустическими волнами, что подтолкнуло исследования с 2021 года.
Центральная концепция — это резонанс. Когда звуковая волна находит объект, способный вибрировать на соответствующей частоте, переданная энергия может накапливаться и усиливать колебания, что может привести к коллапсу объекта. Бруно иллюстрирует это сравнением с разбиванием хрустального бокала с помощью скрипки, подчеркивая, что подход с использованием ультразвука использует мягкую и гармоничную стратегию.
Сферическая форма вируса имеет решающее значение, поскольку она позволяет вибрации равномерно распределяться по всей структуре, оптимизируя эффект резонанса. При приближении к собственной частоте вибрации частицы ультразвук передает энергию более эффективно, вызывая повторяющиеся деформации в вирусной оболочке. Если вибрация достаточно сильна, механическое напряжение превышает структурную прочность, что приводит к деформациям, разрывам и фрагментации частицы.
Это морфологическое изменение приводит к инактивации вируса, заставляя его терять способность к репликации и заражению. Команда использовала высокочастотный ультразвук в диапазоне от 3 до 20 мегагерц (МГц), используя оборудование для визуализации. В одном конкретном тесте 7,5 МГц применялся в течение пяти минут для анализа структурных изменений.
Чтобы исключить нагрев или химические изменения, исследователи контролировали температуру и pH, установив, что оба параметра оставались стабильными в условиях резонанса. Этот факт жизненно важен, поскольку он отличает изучаемый механизм от кавитации — эффекта ультразвука на более низких частотах (килогерцах), который генерирует тепло и ударные волны, полезный только для асептики, но не для терапии.
Бруно сравнивает используемый ультразвук с ультразвуком при пренатальных обследованиях, описывая его как безвредный. Однако он подчеркивает, что терапевтическое применение все еще требует дополнительных исследований и понимания явления, прежде чем переходить к испытаниям на живых организмах.
Техники, такие как сканирующая электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия, выявили изменения на поверхности SARS-CoV-2: сферические частицы приобрели неровные контуры, уменьшились в диаметре и имели разрывы оболочки. Также наблюдалось снижение среднего диаметра; в то время как необработанные образцы SARS-CoV-2 имели около 107 нанометров, после ультразвука появились более мелкие компоненты.
В случае H1N1 эффект был еще более резким: не было обнаружено признаков частиц в анализируемом диапазоне размеров. Здесь сотрудничество Unesp в Президенте Пруденте оказалось решающим для характеристики наночастиц, которые трудно наблюдать с помощью обычной оптической микроскопии.
Гилия объяснила, что команда использовала метод динамического рассеяния света (DLS). Этот метод измеряет средний размер частиц, диспергированных в жидкости, анализируя флуктуации света, рассеянного ими. DLS позволил измерить размеры образцов вируса до и после воздействия ультразвука, подтвердив фрагментацию SARS-CoV-2 и отсутствие H1N1.
Адаптация DLS для реальных вирусных образцов потребовала оптимизации оборудования, настройки алгоритмов и внимания к таким факторам, как растворитель и оттаивание.
Помимо физического разрушения, ученые оценили биологические последствия. Образцы SARS-CoV-2, обработанные и необработанные, использовались для заражения клеток Vero E6. Через 24 часа анализ вирусной репликации показал снижение инфекции после воздействия ультразвука, причем эффект был наиболее сильным около 7,5 МГц.
Исследование также включало варианты Гамма и Дельта. Хотя ультразвук снизил инфекционность этих вариантов, они продемонстрировали большую устойчивость, и эффективность варьировалась в зависимости от частоты и используемого оборудования.
Бруно отмечает, что идеальная частота резонанса может зависеть от физических характеристик вируса (размера, геометрии и механических свойств), а не напрямую от его генетической последовательности. Он утверждает, что, в принципе, сферические вирусы могут реагировать на определенные диапазоны частот, открывая путь, менее зависимый от молекулярных мутаций.
Однако различия, наблюдаемые в вариантах Гамма и Дельта, предполагают, что физические характеристики, такие как жесткость, толщина оболочки и вязкоупругие свойства, могут изменять режимы вибрации и, следовательно, эффективность резонанса.
