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– Simulações mostram que ondas de ultrassom em frequências de imagens médicas podem causar o colapso e a ruptura da casca e dos picos do vírus.
Courtesy MIT: A estrutura do coronavírus é uma imagem muito familiar, com seus receptores superficiais densamente compactados que lembram uma coroa espinhosa.
Essas proteínas semelhantes a espinhos se prendem às células saudáveis e desencadeiam a invasão do RNA viral. Embora a geometria do vírus e a estratégia de infecção sejam geralmente conhecidas, pouco se sabe sobre sua integridade física.
Um novo estudo realizado por pesquisadores do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT sugere que os coronavírus podem ser vulneráveis a vibrações de ultrassom, dentro das frequências usadas em imagens de diagnóstico médico.
Por meio de simulações de computador, a equipe modelou a resposta mecânica do vírus às vibrações em uma gama de frequências de ultrassom. Eles descobriram que vibrações entre 25 e 100 megahertz acionaram a casca e os picos do vírus para entrar em colapso e começar a se romper em uma fração de milissegundo. Esse efeito foi observado em simulações do vírus no ar e na água.
Os resultados são preliminares e baseados em dados limitados sobre as propriedades físicas do vírus. No entanto, os pesquisadores dizem que suas descobertas são um primeiro indício de um possível tratamento baseado em ultrassom para coronavírus, incluindo o novo vírus SARS-CoV-2.
Como exatamente o ultrassom poderia ser administrado e quão eficaz seria para danificar o vírus dentro da complexidade do corpo humano, estão entre as principais questões que os cientistas terão de enfrentar no futuro.
“Provamos que sob a excitação de ultrassom a casca e os picos do coronavírus vibrarão, e a amplitude dessa vibração será muito grande, produzindo cepas que podem quebrar certas partes do vírus, causando danos visíveis à casca externa e possivelmente danos invisíveis para o RNA interno ”, diz Tomasz Wierzbicki, professor de mecânica aplicada do MIT. “A esperança é que nosso artigo inicie uma discussão em várias disciplinas.”
Os resultados da equipe aparecem online no Journal of the Mechanics and Physics of Solids . Os co-autores de Wierzbicki são Wei Li, Yuming Liu e Juner Zhu no MIT.
Uma concha pontiaguda
À medida que a pandemia Covid-19 se espalhava pelo mundo, Wierzbicki procurou contribuir para a compreensão científica do vírus. O foco de seu grupo é a mecânica sólida e estrutural, e o estudo de como os materiais se fraturam sob várias tensões e deformações. Com essa perspectiva, ele se perguntou o que poderia ser aprendido sobre o potencial de fratura do vírus.
A equipe de Wierzbicki decidiu simular o novo coronavírus e sua resposta mecânica às vibrações. Eles usaram conceitos simples da mecânica e da física dos sólidos para construir um modelo geométrico e computacional da estrutura do vírus, que basearam em informações limitadas na literatura científica, como imagens microscópicas da casca do vírus e espinhos.
A partir de estudos anteriores, os cientistas mapearam a estrutura geral do coronavírus – uma família de vírus que é o HIV, a influenza e a nova cepa SARS-CoV-2. Esta estrutura consiste em uma casca lisa de proteínas lipídicas e receptores densamente compactados, semelhantes a espinhos, projetando-se da casca.
Com essa geometria em mente, a equipe modelou o vírus como uma fina casca elástica coberta por cerca de 100 pontas elásticas. Como as propriedades físicas exatas do vírus são incertas, os pesquisadores simularam o comportamento dessa estrutura simples em uma gama de elasticidades para a casca e as pontas.
“Não sabemos as propriedades dos materiais dos picos porque eles são muito pequenos – cerca de 10 nanômetros de altura”, diz Wierzbicki. “Ainda mais desconhecido é o que está dentro do vírus, que não está vazio, mas cheio de RNA, que por sua vez é cercado por uma cápsula de proteína. Portanto, essa modelagem requer muitas suposições. ”
“Estamos confiantes de que este modelo elástico é um bom ponto de partida”, diz Wierzbicki. “A questão é: quais são as tensões e cepas que farão com que o vírus se rompa?”
O colapso de uma coroa
Para responder a essa pergunta, os pesquisadores introduziram vibrações acústicas nas simulações e observaram como as vibrações ondulavam através da estrutura do vírus em uma gama de frequências de ultrassom.
A equipe começou com vibrações de 100 megahertz, ou 100 milhões de ciclos por segundo, que eles estimaram ser a frequência de vibração natural da casca, com base no que se conhece das propriedades físicas do vírus.
Quando eles expuseram o vírus a excitações de ultrassom de 100 MHz, as vibrações naturais do vírus foram inicialmente indetectáveis. Mas em uma fração de milissegundo as vibrações externas, ressoando com a frequência das oscilações naturais do vírus, fizeram com que a casca e os espinhos se dobrassem para dentro, semelhante a uma bola que ondula ao quicar no chão.
À medida que os pesquisadores aumentavam a amplitude ou intensidade das vibrações, a concha poderia se quebrar – um fenômeno acústico conhecido como ressonância, que também explica como cantores de ópera podem quebrar uma taça de vinho se cantarem no tom e volume certos.
Em frequências mais baixas de 25 MHz e 50 MHz, o vírus se curvou e fraturou ainda mais rápido, tanto em ambientes simulados de ar, quanto de água que é semelhante em densidade aos fluidos do corpo.
“Essas frequências e intensidades estão dentro da faixa usada com segurança para imagens médicas”, diz Wierzbicki.
Para refinar e validar suas simulações, a equipe está trabalhando com microbiologistas na Espanha, que estão usando microscopia de força atômica para observar os efeitos das vibrações de ultrassom em um tipo de coronavírus encontrado exclusivamente em porcos.
Se o ultrassom puder ser experimentalmente comprovado por danificar a estrutura do coronavírus, incluindo SARS-CoV-2, e se for possível demonstrar que esse dano tem um efeito terapêutico, a equipe prevê que o ultrassom, que já é usado para quebrar pedras nos rins e liberar drogas por meio de lipossomas, podem ser aproveitados para tratar e possivelmente prevenir a infecção por coronavírus.
Os pesquisadores também prevêem que transdutores de ultrassom em miniatura, instalados em telefones e outros dispositivos portáteis, podem ser capazes de proteger as pessoas contra o vírus.
Wierzbicki enfatiza que há muito mais pesquisas a serem feitas para confirmar se o ultrassom pode ser um tratamento eficaz e uma estratégia de prevenção contra os coronavírus.
Enquanto sua equipe trabalha para melhorar as simulações existentes com novos dados experimentais, ele planeja se concentrar na mecânica específica do romance, o vírus SARS-CoV-2 de mutação rápida.
Observamos a família geral do coronavírus e agora estamos examinando especificamente a morfologia e a geometria do Covid-19, diz Wierzbicki. “O potencial é algo que pode ser grande na atual situação crítica.”
Artigo: “Efeito dos receptores nas vibrações harmônicas ressonantes e transitórias do coronavírus”
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