コロナウイルスは、いばらの冠に似た密集した表面受容体を備えた構造をしている。 これらのスパイク状タンパク質は健康な細胞をしっかり掴み、ウイルスRNAの侵入を引き起こす。 ウイルスの形状と感染戦略は一般的に理解されているが、その物理的完全性についてはほとんど知られていない。MITの機械工学科の研究者による新研究は、コロナウイルスが医用画像診断で使用される周波数内で超音波振動に対して脆弱である可能性があることを示唆している。 チームは、コンピューターシミュレーションを通じて、超音波周波数の範囲にわたる振動に対するウイルスの機械的応答をモデル化した。 彼らは、25〜100メガヘルツの振動が、ウイルスの殻とスパイクを崩壊させ、何分の1ミリ秒以内に破裂を引き起こすことを発見した。 この効果は、空気中および水中のウイルスのシミュレーションで見られた。
この結果は暫定的なものであり、ウイルスの物理的特性に関する限られたデータに基づいている。 しかしこの研究者らは、この発見は、新規のSARS-CoV-2ウイルスを含むコロナウイルスの超音波ベースの治療の可能性についての最初のヒントであると述べている。 超音波をどれだけ正確に投与できるか、そして人体の複雑さの中でウイルスに損傷を与えるのにどれほど効果的かは、科学者が今後取り組む必要のある主要な課題の1つだ。
「超音波励起下でコロナウイルスの殻とスパイクが振動し、その振動の振幅が非常に大きくなり、ウイルスの特定の部分を破壊する可能性のあるひずみを生成し、外殻に目に見える損傷を与え、場合によっては目に見えない内部のRNAに損傷を与えることを証明した。」とMITの応用力学教授であるTomasz Wierzbicki博士は述べている。 「我々の論文がさまざまな分野にわたる議論を開始することを願っている。」
チームの結果は、2021年2月18日にJournal of the Mechanics and Physics of Solidsのオンラインで公開された。 この論文は「コロナウイルスの共鳴および一過性の調和振動に対する受容体の影響（Effect of Receptors on the Resonant and Transient Harmonic Vibrations of Coronavirus）」と題されている。
棘だらけの殻
COVID-19 のパンデミックが世界中に蔓延した際、Wierzbicki博士はウイルスの科学的理解に貢献することを目指すことにした。 彼のグループの焦点は、固体および構造力学、およびさまざまな応力やひずみの下で材料がどのように破壊するかについての研究だ。 この観点から、彼はウイルスの破壊の可能性について何を学ぶことができるのか考えた。
Wierzbicki博士のチームは、新しいコロナウイルスとその振動に対する機械的応答のシミュレーションに着手した。 彼らは、固体の力学と物理学の単純な概念を使用して、ウイルスの構造の幾何学的および計算モデルを構築した。これは、ウイルスの殻やスパイクの顕微鏡画像など、科学文献の限られた情報に基づいている。
以前の研究から、科学者はコロナウイルスの一般的な構造を精密に示した。 この構造は、脂質タンパク質の滑らかな殻と、殻から突き出た密集したスパイク状の受容体で構成されている。
この形状を念頭に置いて、チームはウイルスを約100個の弾性スパイクで覆われた薄い弾性シェルとしてモデル化した。 ウイルスの正確な物理的特性は不明であるため、研究者はシェルとスパイクの両方の弾性の範囲にわたってこの単純な構造の動作をシミュレートした。
「スパイクは非常に小さいため、材料特性は分からない。高さは約10ナノメートルだ」とWierzbicki博士は述べた。 「さらに未知なのは、空ではないが、それ自体がタンパク質キャプシドシェルに囲まれておりRNAで満たされたウイルスの内部にあるものだ。したがって、このモデリングには多くの仮定が必要だ。」
「この弾性モデルが良い出発点であると確信している」とWierzbicki博士は述べた。 「問題は、ウイルスを破裂させるストレスと緊張は何か？だ。」
コロナの崩壊
その質問に答えるために、研究者らは音響振動をシミュレーションに導入し、振動が超音波周波数の範囲にわたってウイルスの構造をどのように波及するかを観察した。
チームは、100メガヘルツ（MHz）、つまり1秒あたり1億サイクルの振動から始めた。これは、ウイルスの物理的特性について知られていることに基づいて、シェルの自然な振動周波数であると推定された。
彼らがウイルスを100MHzの超音波励起にさらしたとき、ウイルスの自然な振動は最初は検出できなかった。 しかし、ミリ秒の何分の1以内に、ウイルスの自然振動の周波数と共鳴する外部振動により、地面から跳ね返るときにくぼむボールのように、シェルとスパイクが内側に歪んだ。
振動の振幅または強度を増加させると、シェルが破損する可能性がある。これは、オペラ歌手が適切なピッチと音量で歌った場合にワイングラスを割ることができる共鳴として知られる音響現象だ。 25MHzと50MHzのより低い周波数では、空気と体内の体液と密度が類似している水の両方のシミュレーション環境で、ウイルスは、さらに速く歪み、破壊された。
「これらの周波数と強度は、医用画像に安全に使用できる範囲内だ」とWierzbicki博士は述べた。
可能な治療と予防
シミュレーションを改良および検証するために、チームはスペインの微生物学者と協力して、原子間力顕微鏡（AFM）を使用して、ブタにのみ見られるコロナウイルスのタイプに対し超音波振動の影響を観察している。 超音波がSARS-CoV-2を含むコロナウイルスに損傷を与えることが実験的に証明でき、この損傷が治療効果を示すなら、腎臓結石を破壊しリポソームを介して薬物を放出する超音波は、コロナウイルス感染を治療し、場合によっては予防するために利用できる可能性がある。 研究者らはまた、電話やその他の携帯機器に取り付けられている小型の超音波トランスデューサーが、ウイルスから人々を保護できる可能性があると考えている。
Wierzbicki博士は、超音波がコロナウイルスに対する効果的な治療および予防戦略になり得るかどうかを確認するために、行われるべき研究がはるかに多いことを強調している。 彼のチームは、新しい実験データを使用して既存のシミュレーションの改善に取り組んでおり、急速に変異するSARS-CoV-2ウイルスの特定のメカニズムに焦点を当てる予定だ。
「我々は一般的なコロナウイルスファミリーに注目し、現在は特にCOVID-19の形態と形状に注目している。」「ポテンシャルは、現在の危機的な状況で大きな可能性があると考えている。」とWierzbicki博士は述べた。
この記事は主にMITニュースオフィスの Jennifer Chu 氏によって書かれたプレスリリースに基づいている。
Bioquick News:Ultrasound Has Potential to Damage Coronaviruses, MIT Simulations Suggest
[News release] [Journal of the Mechanics and Physics of Solids article]
