Ensayan cómo 'matar' al coronavirus con ultrasonidos que logran que colapse

La estructura del coronavirus, similar una corona espinosa, posee unas proteínas en forma de picos se adhieren a las células sanas y desencadenan la invasión del ARN viral. Si bien se comprende la geometría y la estrategia de infección del virus, poco se sabe sobre su integridad física.

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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.

A través de simulaciones con ordenador, el equipo ha ajustado la respuesta mecánica del virus a vibraciones en un rango de frecuencias de ultrasonido. Descubrieron que las vibraciones entre 25 y 100 megahercios provocaban que la capa y los picos del virus colapsaran y comenzaran a romperse en una fracción de tiempo de milisegundo. Este efecto se observó en simulaciones del virus tanto en el aire como en el 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 acerca del posible tratamiento basado en ultrasonido contra los coronavirus, incluido el nuevo virus SARS-CoV-2. Cuál sería la aplicación de ultrasonido más exacta y cómo de efectiva sería para dañar el virus dentro de la complejidad del cuerpo humano, son algunas de las principales preguntas que los científicos tendrán que abordar en el futuro.

"Hemos demostrado que bajo la excitación por ultrasonido, la capa y los picos del coronavirus vibrarán, y la amplitud de esa vibración será muy grande, produciendo presiones que podrían romper ciertas partes del virus, causando daños visibles en la capa exterior y posiblemente daños no visibles al ARN en el interior ", dice Tomasz Wierzbicki, profesor de mecánica aplicada en el MIT. "La esperanza es que nuestro documento inicie un debate en varias disciplinas".

Los resultados del equipo aparecen están recogidos en Journal of the Mechanics and Physics of Solids . Los coautores de Wierzbicki son Wei Li, Yuming Liu y Juner Zhu del MIT.

Una capa con espigas

A medida que la pandemia de Covid-19 se afianzaba en todo el mundo, Wierzbicki buscaba 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 se propuso simular el nuevo coronavirus y su respuesta mecánica a las vibraciones. Utilizaron conceptos simples de la mecánica y la física de los sólidos para construir un modelo geométrico y computacional de la estructura del virus, que basaron en información limitada dentro de la literatura científica, como imágenes microscópicas del caparazón y espigas del virus.

Los científicos han trazado la estructura general del coronavirus a partir de estudios anteriores, una familia de virus como el VIH y la nueva cepa SARS-CoV-2. Esta estructura consiste en una capa lisa de proteínas lipídicas y receptores densamente empaquetados en forma de espigas que sobresalen de la capa.

Con esta geometría en mente, el equipo creó el modelo del virus como una capa elástica delgada cubierta por alrededor de 100 espigas elásticas. Como las propiedades físicas exactas del virus son inciertas, los investigadores simularon el comportamiento de esta estructura simple a través de un rango de elasticidades tanto para la capa como para las espigas.

"No conocemos las propiedades materiales de las espigas porque son muy pequeñas, alrededor de 10 nanómetros de alto", 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 capa de cápside de proteína. Por lo tanto, este modelo requiere muchas suposiciones".

"Estamos seguros de que este modelo elástico es un buen punto de partida", dice Wierzbicki. "La pregunta es, ¿cuáles son las tensiones y presiones que harán que el virus se rompa?".

El colapso de un 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, ó 100 millones de ciclos por segundo, que estimaron sería la frecuencia de vibración natural de la capa, basándose en lo que se conoce de las propiedades físicas del virus.

Cuando expusieron el virus a excitaciones por ultrasonido de 100 MHz, las vibraciones naturales del virus fueron inicialmente indetectables. Pero en una fracción de milisegundo, las vibraciones externas, que resuenan con la frecuencia de las oscilaciones naturales del virus, hicieron que la capa y las espigas se doblaran hacia adentro, de manera similar a una pelota que hace hoyos cuando rebota en el suelo.

A medida que los investigadores aumentaban la amplitud o intensidad de las vibraciones, la carcasa podría romperse, un fenómeno acústico conocido como resonancia que también explica cómo los cantantes de ópera pueden romper una copa de vino si cantan con el tono y el volumen adecuados. A frecuencias más bajas de 25 MHz y 50 MHz, el virus se rompió 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 que se usan de forma segura para la obtención de imágenes médicas", dice Wierzbicki.

Para perfeccionar y validar sus simulaciones, el equipo está trabajando con microbiólogos españoles, que están utilizando microscopía de fuerza atómica para observar los efectos de las vibraciones de ultrasonido en un tipo de coronavirus que se encuentra exclusivamente en los cerdos. Si se demuestra experimentalmente que el ultrasonido daña los coronavirus, incluido el SARS-CoV-2, el equipo prevé que el ultrasonido, que ya se usa para romper cálculos renales y liberar medicamentos a través de liposomas, podrían aprovecharse para tratar y posiblemente prevenir la infección por coronavirus. Los investigadores también imaginan que los transductores de ultrasonido en miniatura, instalados en teléfonos y otros dispositivos portátiles, podrían proteger a las personas del virus.

Wierzbicki enfatiza que hay mucha más investigación por hacer para confirmar si la ecografía puede ser un tratamiento eficaz y una estrategia de prevención contra los coronavirus. Mientras su equipo trabaja para mejorar las simulaciones existentes con nuevos datos experimentales, él planea concentrarse en la mecánica específica del nuevo virus SARS-CoV-2 que muta rápidamente.

"Hemos analizado la familia general de coronavirus y ahora estamos analizando específicamente la morfología y geometría de Covid-19", dice Wierzbicki. "El potencial es algo que podría ser grande en la situación crítica actual", finaliza..