Simulaciones muestran que las ondas de ultrasonido a frecuencias de imágenes médicas pueden hacer que la capa y los picos del virus colapsen y se rompan.

La estructura del coronavirus es una imagen demasiado familiar, con sus receptores de superficie densamente empaquetados que se asemejan a una corona espinosa.

Estas proteínas en forma de picos se adhieren a las células sanas y desencadenan la invasión del ARN viral.

Si bien en general se comprende la geometría y la estrategia de infección del virus, 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.

A través de simulaciones por computadora, el equipo ha modelado la respuesta mecánica del virus a las vibraciones en una variedad 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 milisegundo.

Este efecto se observó en simulaciones del virus en el aire y 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 de un posible tratamiento basado en ultrasonido para los 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 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 cepas que podrían romper ciertas partes del virus, causando daños visibles en la capa exterior y posiblemente daños invisibles 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 en línea en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Los coautores de Wierzbicki son Wei Li, Yuming Liu y Juner Zhu en el MIT.

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 en la literatura científica, como imágenes microscópicas del caparazón y los picos del virus.

A partir de estudios anteriores, los científicos han trazado la estructura general del coronavirus, una familia de virus que incluye el VIH, la influenza y la nueva cepa SARS-CoV-2.

Esta estructura consiste en una capa lisa de proteínas lipídicas y receptores densamente empaquetados en forma de púas que sobresalen de la capa.

Con esta geometría en mente, el equipo modeló el virus como una capa elástica delgada cubierta por alrededor de 100 picos elásticos.

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 el caparazón como para los picos.

“No conocemos las propiedades materiales de los picos porque son muy pequeños, de unos 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 cápside de proteína. Así que 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 tensiones que provocarán la ruptura del virus?“

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 sería la frecuencia de vibración natural de la cáscara, 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, que resuenan con la frecuencia de las oscilaciones naturales del virus, hicieron que el caparazón y los picos se doblaran hacia adentro, de manera similar a una bola que hace hoyuelos cuando rebota en el suelo.

A medida que los investigadores aumentaron la amplitud o intensidad de las vibraciones, la carcasa podría fracturarse, 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 combó y se 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 que se usa de manera segura para la obtención de 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 probar experimentalmente que el ultrasonido daña los coronavirus, incluido el SARS-CoV-2, y si se puede demostrar que este daño tiene un efecto terapéutico, el equipo prevé que el ultrasonido, que ya se usa para romper los 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, planea concentrarse en la mecánica específica del nuevo 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 podría ser grande en la situación crítica actual”.

Fuente: MIT News

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