Investigadores apuntan que el ultrasonido tiene potencial para dañar los coronavirus

Investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) en Estados Unidos han demostrado en una simulación que las ondas de ultrasonido a frecuencias de imágenes médicas pueden hacer que el caparazón y los picos de los coronavirus 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.

A través de simulaciones por computadora, el equipo ha modelado 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 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. La esperanza es que nuestro documento inicie un debate en varias disciplinas», afirma Tomasz Wierzbicki, profesor de mecánica aplicada en el MIT.

El estudio, que ha sido publicados en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids , tiene como firmantes, además de Wierzbicki, a Wei Li, Yuming Liu y Juner Zhu del MIT.

EL ENFOQUE ES LA MECÁNICA SÓLIDA Y ESTRUCTURAL

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 picos del virus.

A partir de estudios anteriores, los científicos han trazado la estructura general del coronavirus, una familia de virus que es 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 en un rango de elasticidades tanto para la capa como para los picos.

«No conocemos las propiedades materiales de los picos porque son muy pequeños, alrededor de 10 nanómetros de alto. 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», explica Wierzbicki.

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

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. El potencial es algo que podría ser grande en la situación crítica actual», concluye.