Понимание физических законов, управляющих вирусами, может привести к разработке новых методов лечения
Подробнее
Super Abril
super.abril.com.br

Понимание физических законов, управляющих вирусами, может привести к разработке новых методов лечения

Вирусы подчиняются законам физики, и понимание этих принципов открывает путь к созданию новых терапевтических подходов. Данный текст, написанный совместно с Karin Wuertz-Kozak и Maureen Ferran, изначально был опубликован на сайте The Conversation, который собирает материалы от исследователей.

Притяжение биомедицинских инженеров и биологов к механиобиологии — изучению влияния физических сил на биологию — частично обусловлено красотой физики в клеточном масштабе. Физика проявляется повсюду: от того, как клетки стенок артерий реагируют на кровоток, до того, как клетки позвонков поддерживают вес, или как легочные клетки циклически расширяются при каждом вдохе.

Поскольку каждый структурный элемент тела подвержен определенным комбинациям физических сил, вирусы, которые его заражают, также вынуждены взаимодействовать с этими силами. Способ взаимодействия вирусов с этими силами влияет на их способность инфицировать клетки и вызывать серьезные заболевания.

Когда микроскопические вирусные частицы попадают в организм, они зависят от механизма клеток-хозяев для продолжения своего жизненного цикла. Многие вирусы сначала связываются с рецепторами на поверхности клетки. Движение клеточной мембраны, которое обеспечивается внутренним цитоскелетом, вызывает ее искривление и охват инвазивной частицы, образуя крошечный пузырек, который транспортирует ее внутрь. Этот процесс, называемый эндоцитозом, приводит к поглощению вируса клеткой.

После проникновения вирус перемещается по внутренней структуре клетки, высвобождает свой генетический материал и использует клеточный аппарат для производства своих копий. Затем новые вирусные частицы покидают клетку, чтобы заразить соседние.

Каждый из этих этапов по своей сути является физическим. Натяжение клеточной мембраны может способствовать или препятствовать инкорпорации вируса. Цитоскелет, который транспортирует эти вирусные частицы, является той же структурой, которую клетки используют для обнаружения и приложения давления на окружающую среду. Кроме того, жесткость клеточной среды определяет, как клетка распространяется и организуется, что может изменить ее восприимчивость к захватчику.

Здоровый человек обычно быстро восстанавливается после инфекции. Однако у людей с уже существующими состояниями, такими как легочный фиброз — при котором ткань легких затвердевает и больше не может полностью расширяться, — вирусная инфекция может усугубить их состояние. Эта механическая предрасположенность тканей к инфекции является одной из причин, по которым медицинские работники советуют избегать контакта с пожилыми людьми и людьми с ослабленным иммунитетом во время болезни.

Наша лаборатория исследует механиобиологию различных типов тканей, чтобы понять, как повседневные физические нагрузки могут усугублять заболевания. Например, многократное поднятие и переноска тяжестей может изнашивать межпозвоночные диски, а искусственная вентиляция легких может чрезмерно растягивать и повреждать легкие.

Однако культивирование клеток на пластиковой чашке Петри — стандартный метод в большинстве вирусологических лабораторий — показывает лишь часть картины. Пластик, используемый для культивирования тканей, значительно более жесткий, чем живые ткани, напоминая скорее рабочую поверхность, чем легкое. Клетки ощущают эту разницу во время экспериментов; жесткость окружающей среды может влиять как на их поведение, так и на их реакцию на инфекцию.

Чтобы перенести механику человеческого тела в лабораторию, мы культивируем легочные клетки на тонких слоях гибкого силиконового полимера под названием PDMS, который мы настраиваем, чтобы он соответствовал мягкости реальной легочной ткани. Эти слои размещаются в небольших камерах, которые циклически растягиваются и расслабляются по команде компьютера, который определяет степень и продолжительность растяжения. Это позволяет нам имитировать физические движения дыхания.

Мы можем использовать генетически модифицированный вирус, чтобы заставить инфицированные клетки светиться красным под микроскопом, отслеживая, как он распространяется между клетками. Но как отслеживать изменение механики клетки во время инфекции? Наша команда следит за активностью двух важных белков, называемых YAP и TAZ, которые действуют как датчики силы клетки. Когда ткань испытывает жесткость или напряжение, эти датчики перемещаются в ядро и активируют гены, связанные с ростом и восстановлением. При отсутствии таких сил, как обычно происходит в более мягких тканях, YAP и TAZ остаются неактивными и находятся вне ядра.

Известно, что некоторые вирусы используют этот же сигнальный путь; поэтому изучение YAP и TAZ может дать представление о том, как механические силы и инфекция влияют друг на друга. Используя инструмент генного редактирования CRISPR, мы можем прикрепить флуоресцентный маркер к YAP или TAZ и наблюдать за их активацией в реальном времени под микроскопом, когда они реагируют не только на механические силы, но потенциально и на инфекцию.

С помощью этой платформы мы можем лучше ответить на такие вопросы, как: будут ли легочные клетки реагировать на инфекцию по-разному при различных силах? Или эти силы изменят эффективность инфицирования вирусами? На данный момент наши предварительные результаты показывают, что жесткость клеточной среды влияет на степень инфицирования клеток: легочные клетки, выращенные на более жестких поверхностях, похожих на фиброз, кажутся более сильно инфицированными.

Понимание механики вирусной инфекции представляет особый интерес для исследователей и врачей, учитывая постоянную распространенность респираторных инфекций во всем мире. Обычная простуда, COVID-19 и грипп — это лишь малая часть вирусных инфекций: известно, что более 200 видов вирусов заражают человека.

Механобиология может быть так же важна для цикла инфекции, как и ее биохимические или иммунные аспекты. Под микроскопом различия очевидны между жестким и перегруженным легким и мягким, здоровым легким, и вирусы могут перемещаться в этих средах адаптивным образом.

По мере того как ученые картируют эти механические сигналы, появляются новые возможности для предотвращения и лечения инфекций. Среди них — терапии, которые могут снизить физическое напряжение в тканях, или даже биомаркеры, которые могут сообщить пациентам, подвержены ли они затвердеванию тканей или определенным путям инфекции и возможному ущербу, который они могут нанести. Человеческое тело столь же механично, сколь и химично, и это применимо и к инфекциям, с которыми оно сталкивается.

Похожие сюжеты

Вирус Шамонда, ранее считавшийся животным, заразил и убил человека во Франции
Подробнее
super.abril.com.br

Вирус Шамонда, ранее считавшийся животным, заразил и убил человека во Франции

Согласно данным европейских органов здравоохранения, человек с ослабленным иммунитетом заразился вирусом Шамонда и скончался в результате этой инфекции во Франции. Этот случай имеет большое значение, поскольку ранее считалось, что патоген поражает исключительно животных, в частности крупный рогатый скот, и это стало первым зарегистрированным случаем среди людей.

Несмотря на этот инцидент, эксперты и органы здравоохранения отмечают, что вероятность возникновения вспышки или эпидемии этого вируса остается низкой.

Вирус Шамонда был обнаружен в Нигерии в 1965 году. Он преимущественно инфицирует жвачных животных, таких как коровы, овцы и козы, вызывая лихорадку, диарею и снижение надоев молока. У взрослых особей он редко бывает смертельным.

Передача вируса происходит через укусы комаров рода Culicoides, известных как маруин или пороховые комары. Этот вирус является родственником вируса Оропуче, который в последние годы поражал тысячи бразильцев.

В июле 2026 года в Европе, первоначально в Швейцарии и Германии, была выявлена вспышка, вызванная двумя новыми вариантами Шамонда в стадах скота. Болезнь распространилась на фермы во Франции, Испании, Португалии и других странах.

Смерть мужчины произошла 9 октября. Ему было более 60 лет, он проживал в сельской местности региона Родано-Альпы, где вирус уже циркулировал среди животных, и боролся с раком. Симптомы, которые он проявлял, включали диарею, потерю зрения, спутанность сознания и другие неврологические проблемы. Состояние прогрессировало до энцефалита, что оказалось фатальным.

Согласно отчету, опубликованному в журнале Eurosurveillance, наиболее вероятно, что мужчина заразился после укуса маруина. Менее вероятными гипотезами являются заражение через употребление загрязненной пищи или после переливания крови.

Пациент страдал тяжелой лейкемией и имел ослабленный иммунитет, что, по мнению ученых, вероятно, усугубило его состояние. Слабая иммунная система может позволить вирусу оставаться в организме дольше и достигать большего числа органов. При аутопсии было установлено, что вирусные уровни в мозге, печени и селезенке мужчины были высокими.

Вирус Шамонда не обнаруживается при стандартных анализах крови; врачам пришлось секвенировать РНК, присутствующую в образцах пациента. Геном вируса, найденный в организме мужчины, был очень схож с тем, что циркулирует у животных, с акцентом на пять мутаций. Исследователи пока не знают, делают ли эти изменения вирус более заразным для людей.

Искусственный интеллект способен создавать вирусы, заражающие подключенные к интернету бытовые приборы
Подробнее
olhardigital.com.br

Искусственный интеллект способен создавать вирусы, заражающие подключенные к интернету бытовые приборы

С развитием искусственного интеллекта (ИИ) устройства, подключенные к интернету и обменивающиеся данными в так называемом «интернете вещей» (IoT), могут стать источником проблем. Согласно отчету компании Anthropic, опубликованному в октябре, вредоносное программное обеспечение на базе ИИ способно устанавливаться на такие устройства и распространяться автономно.

Компьютерные вирусы, которые самостоятельно перемещаются с одной машины на другую, известны как «черви». Они следуют заранее заданному плану, используя известные уязвимости в безопасности или точки доступа с недостаточной защитой. Обычно решение этой проблемы заключается в исправлении ошибок и закрытии брешей в системе безопасности. Однако в случае с «червями» на основе ИИ ситуация становится значительно сложнее и опаснее.

Это связано с тем, что этот более продвинутый вид «червей» способен самостоятельно решать проблемы и адаптироваться к различным типам устройств. Исследователи из Anthropic, разработчика Claude, продемонстрировали, что приложения ИИ могут функционировать без необходимости использования крупного центра обработки данных.

В контролируемой тестовой среде исследователи создали симуляции восьми устройств Android. Модель ИИ, которая была протестирована, установилась на одном из этих устройств, затем скопировалась с него и заразила остальные. В четырех из пяти попыток модель достигла всех восьми целей, а в одной — заразила семь.

Если бы такая модель ИИ была объединена с вредоносным программным обеспечением, «червь» смог бы научиться обходить меры безопасности. По оценкам разработчиков Anthropic, на это потребуется примерно от одного до двух дней. Кроме того, ИИ потенциально может объединить зараженные устройства в сеть ботов.

Хотя зараженное устройство имеет ограниченные вычислительные возможности, чем больше устройств будет заражено, тем быстрее сможет распространиться «червь». Подключенные устройства теоретически могут быть отключены от сети, а уязвимости безопасности могут быть исправлены. Тем не менее, децентрализованная структура такого вредоносного ПО сильно затруднит его локализацию.

Anthropic описывает данный тип заражения как «цифровой слизистый мох», который медленно растет. Компания полагает, что меньшие модели ИИ смогут достичь такого уровня способности к распространению еще в 2026 году.

Бразильские ученые исследуют использование звуковых волн для инактивации вирусов COVID-19 и гриппа А
Подробнее
super.abril.com.br

Бразильские ученые исследуют использование звуковых волн для инактивации вирусов COVID-19 и гриппа А

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.

Популярное