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– Las simulaciones muestran que las ondas de ultrasonido en las frecuencias de las imágenes médicas pueden provocar el colapso y la ruptura de las capas y picos de virus.
Cortesía del MIT: La estructura del coronavirus es una imagen muy familiar, con sus receptores de superficie densamente empaquetados que se asemejan a una corona espinosa.
Estas proteínas en forma de espinas se adhieren a las células sanas y desencadenan la invasión del ARN viral. Aunque la geometría y la estrategia de infección del virus son generalmente conocidas, se sabe poco sobre su integridad física.
Un nuevo estudio realizado por investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT sugiere que los coronavirus pueden ser vulnerables a las vibraciones del ultrasonido, dentro de las frecuencias utilizadas en las imágenes de diagnóstico médico.
Mediante simulaciones por computadora, el equipo modeló la respuesta mecánica del virus a las vibraciones en un rango de frecuencias de ultrasonido. Descubrieron que las vibraciones entre 25 y 100 megahercios provocaban que el caparazón y los picos del virus colapsaran y comenzaran a romperse en una fracción de milisegundo. Este efecto se observó en simulaciones del virus en aire y agua.
Los resultados son preliminares y se basan en datos limitados sobre las propiedades físicas del virus. Sin embargo, los investigadores dicen que sus hallazgos son un primer indicio de un posible tratamiento con ultrasonido para el coronavirus, incluido el nuevo virus SARS-CoV-2.
Cómo exactamente se podría administrar el ultrasonido y qué tan efectivo sería para dañar el virus dentro de la complejidad del cuerpo humano, son algunas de las principales preguntas que los científicos tendrán que enfrentar en el futuro.
“Demostramos que bajo la excitación del ultrasonido la capa y los picos del coronavirus vibrarán, y la amplitud de esta vibración será muy grande, produciendo cepas que pueden romper ciertas partes del virus, causando daños visibles a la capa exterior y Posiblemente daño invisible al ARN interno ”, dice Tomasz Wierzbicki, profesor de mecánica aplicada en el MIT. “La esperanza es que nuestro artículo inicie una discusión en varias disciplinas”.
Los resultados del equipo aparecen en línea en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Los coautores de Wierzbicki son Wei Li, Yuming Liu y Juner Zhu del MIT.
Una concha puntiaguda
A medida que la pandemia de Covid-19 se extendía por todo el mundo, Wierzbicki trató de contribuir a la comprensión científica del virus. El enfoque de su grupo es la mecánica sólida y estructural, y el estudio de cómo los materiales se fracturan bajo diversas tensiones y deformaciones. Con esta perspectiva, se preguntó qué se podría aprender sobre el potencial de fractura del virus.
El equipo de Wierzbicki decidió simular el nuevo coronavirus y su respuesta mecánica a las vibraciones. Utilizaron conceptos simples de mecánica y física de sólidos para construir un modelo geométrico y computacional de la estructura del virus, que basaron en información limitada en la literatura científica, como imágenes microscópicas del caparazón y las espinas del virus.
A partir de estudios anteriores, los científicos han mapeado la estructura general del coronavirus, una familia de virus que es el VIH, la influenza y la nueva cepa del SARS-CoV-2. Esta estructura consta de una capa lisa de proteínas lipídicas y receptores densamente compactados, en forma de espinas, que sobresalen de la capa.
Con esa geometría en mente, el equipo modeló el virus como una capa elástica delgada cubierta por unas 100 puntas elásticas. Debido a que las propiedades físicas exactas del virus son inciertas, los investigadores simularon el comportamiento de esta estructura simple en un rango de elasticidades para la corteza y las puntas.
“No conocemos las propiedades de los materiales de los picos porque son muy pequeños, alrededor de 10 nanómetros de altura”, dice Wierzbicki. “Aún más desconocido es lo que hay dentro del virus, que no está vacío, sino lleno de ARN, que a su vez está rodeado por una cápsula de proteína. Por lo tanto, este modelo requiere muchos supuestos. “
“Estamos seguros de que este modelo elástico es un buen punto de partida”, dice Wierzbicki. “La pregunta es, ¿cuáles son las cepas y las cepas que harán que el virus se rompa?”
El colapso de una corona
Para responder a esa pregunta, los investigadores introdujeron vibraciones acústicas en las simulaciones y observaron cómo las vibraciones ondulaban a través de la estructura del virus en un rango de frecuencias de ultrasonido.
El equipo comenzó con vibraciones de 100 megahercios, o 100 millones de ciclos por segundo, que estimaron que era la frecuencia de vibración natural del caparazón, basándose en lo que se conoce de las propiedades físicas del virus.
Cuando expusieron el virus a excitaciones de ultrasonido de 100 MHz, las vibraciones naturales del virus fueron inicialmente indetectables. Pero en una fracción de milisegundo las vibraciones externas, resonando con la frecuencia de las oscilaciones naturales del virus, hizo que la corteza y las espinas se doblaran hacia adentro, similar a una pelota que rebota cuando rebota en el suelo.
A medida que los investigadores aumentaron la amplitud o intensidad de las vibraciones, el caparazón podría romperse, un fenómeno acústico conocido como resonancia, que también explica cómo los cantantes de ópera pueden romper una copa de vino si cantan en el tono y volumen adecuados.
A frecuencias más bajas de 25 MHz y 50 MHz, el virus se dobló y fracturó aún más rápido, tanto en ambientes simulados de aire como de agua, que es similar en densidad a los fluidos corporales.
“Estas frecuencias e intensidades están dentro del rango utilizado de forma segura para imágenes médicas”, dice Wierzbicki.
Para perfeccionar y validar sus simulaciones, el equipo está trabajando con microbiólogos en España, que están utilizando microscopía de fuerza atómica para observar los efectos de las vibraciones de los ultrasonidos en un tipo de coronavirus que se encuentra exclusivamente en los cerdos.
Si se puede demostrar experimentalmente que el ultrasonido daña la estructura del coronavirus, incluido el SARS-CoV-2, y si se puede demostrar que este daño tiene un efecto terapéutico, el equipo predice que el ultrasonido, que ya se usa para romper el riñón los cálculos y la liberación de fármacos a través de los liposomas se pueden utilizar para tratar y posiblemente prevenir la infección por coronavirus.
Los investigadores también predicen que los transductores de ultrasonido en miniatura, instalados en teléfonos y otros dispositivos portátiles, pueden proteger a las personas del virus.
Wierzbicki enfatiza que hay mucha más investigación por hacer para confirmar si el ultrasonido puede ser un tratamiento efectivo y una estrategia de prevención contra los coronavirus.
Mientras su equipo trabaja para mejorar las simulaciones existentes con nuevos datos experimentales, planea centrarse en la mecánica específica de la novela, el virus SARS-CoV-2 que muta rápidamente.
Analizamos la familia general de coronavirus y ahora estamos analizando específicamente la morfología y geometría de Covid-19, dice Wierzbicki. “El potencial es algo que puede ser grande en la situación crítica actual”.
Artículo: “Efecto de los receptores sobre las vibraciones armónicas resonantes y transitorias del coronavirus”
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