«Попкорн-эффект» для ковида. Учёные нашли способ взрывать вирусы звуком

Ультразвук, похожий на тот, который используют в медицинских обследованиях, может разрушать вирусные частицы, не повреждая человеческие клетки. Исследователи из Университета Сан-Паулу проверили этот эффект на SARS-CoV-2 и вирусе гриппа H1N1. В обоих случаях высокочастотные звуковые волны меняли форму вируса, повреждали оболочку и лишали частицу способности заражать клетки.

В свей работе команда описывает механизм акустического резонанса: вирусная частица накапливает энергию звуковой волны, начинает механически колебаться, деформируется и в конце разрывается. Руководитель исследования Одемир Мартинес Бруно из Института физики Сан-Карлуса при Университете Сан-Паулу сравнил процесс с борьбой против вируса при помощи звука. По его объяснению, оболочка патогена лопается примерно как зёрна попкорна при нагреве, только разрушение вызывает не температура, а механическая энергия ультразвука.

Главная мишень в этом процессе - вирусная оболочка, или envelope. У SARS-CoV-2, H1N1 и многих других патогенов она состоит из липидной мембраны с белками, которые помогают вирусу прикрепляться к клеткам и проникать внутрь. Если оболочка деформируется или рвётся, вирус теряет рабочую внешнюю структуру и уже не может нормально заражать человеческие клетки. В опытах ультразвук нарушал именно эту защитную оболочку, а человеческие клетки при выбранных параметрах не получали повреждений.

Авторы рассматривают метод как возможный путь к физической терапии против оболочечных вирусов. Пока до лечения людей далеко: команда проводит лабораторные опыты in vitro, то есть вне организма, в контролируемых условиях. Сейчас исследователи расширяют проверку на другие инфекции, включая денге, чикунгунью и вирус Зика. Все эти патогены относятся к вирусам с оболочкой, поэтому теоретически могут оказаться уязвимыми к похожему механическому воздействию.

Интерес к такому подходу связан и с трудностями разработки противовирусных препаратов. Химические лекарства против вирусов создавать сложно: нужно попасть в уязвимое место патогена, не задев важные процессы в клетках человека. Кроме того, вирусы быстро меняются, а мутации могут снижать эффективность препарата. В случае акустического резонанса исследователи делают ставку не на генетическую последовательность, а на форму и физические свойства вирусной частицы.

По словам одного из участников работы Флавиу Протазиу Вераса из Федерального университета Алфенаса, метод может быть интересен именно для оболочечных вирусов, потому что воздействие не оставляет химических отходов, не загрязняет среду и не должно подталкивать вирусы к лекарственной устойчивости. При этом Верас подчёркивает, что речь пока идёт о ранней исследовательской стадии, а не о готовой медицинской процедуре.

Проект собрал специалистов из разных областей. Помимо теоретических физиков и акустиков из Института физики Сан-Карлуса, в работе участвовали исследователи из Центра вирусологических исследований и Центра исследований воспалительных заболеваний при Медицинской школе Рибейран-Прету, Школы фармацевтических наук Университета Сан-Паулу и факультета науки и технологии Университета штата Сан-Паулу. Команды проводили структурный и токсикологический анализ, использовали микроскопию и рассеяние света, чтобы увидеть, как меняются вирусные частицы и как ультразвук влияет на клетки.

В проект также включился Чарльз Райс из Рокфеллеровского университета, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине 2020 года. Он предоставил флуоресцентные вирусы, которые позволили наблюдать происходящее в реальном времени. Такая визуализация помогла связать физическое воздействие с конкретными изменениями структуры вируса, а не просто зафиксировать снижение инфекционности после обработки.

Самый неожиданный момент связан с геометрией. На первый взгляд классическая физика не обещала такого результата: длина волны ультразвука намного больше размера вируса, а значит, взаимодействие должно быть слабым. Но эксперименты показали, что сферические частицы, к которым относятся многие оболочечные вирусы, могут эффективнее поглощать энергию звуковых волн. Энергия накапливается внутри частицы и раскачивает оболочку до механического разрушения.

Этот эффект можно объяснить именно формой вируса. Если бы частицы были треугольными или квадратными, тот же сценарий с попкорном не возник бы. Сферическая геометрия помогает звуковой энергии входить в структуру оболочки и возбуждать внутренние колебания. Из-за этой зависимости от формы мутации вроде тех, которые породили варианты омикрон и дельта у SARS-CoV-2, не должны автоматически лишать метод эффективности. Генетические изменения важны для белков и иммунного распознавания, но акустический резонанс нацелен на механическую устойчивость частицы.

Исследователи отдельно подчёркивают, что метод не предназначен для обычной дезинфекции. Ультразвук уже используют для стерилизации стоматологических и хирургических инструментов, но там работает другой физический механизм - кавитация. При кавитации в жидкости возникают и схлопываются газовые пузырьки. Такие микроскопические удары разрушают биологический материал грубо и неразборчиво, поэтому метод подходит для обработки инструментов, но не для живых тканей.

Акустический резонанс устроен иначе. Он работает на более высоких частотах, от 3 до 20 МГц. Звуковая энергия связывается с вирусной структурой, возбуждает внутренние вибрации и приводит к разрыву оболочки без изменения температуры или pH среды. В выбранных условиях энергию эффективно поглощает именно вирусная частица, а человеческие клетки не дестабилизируются. Эта избирательность и делает подход потенциально безопасным, хотя клиническую безопасность ещё предстоит доказывать отдельно.

Ещё одна статья описывает теоретическую основу процесса, при котором оболочечные вирусы лопаются под действием резонанса. Такая связка эксперимента и модели важна для дальнейшей настройки метода. Чтобы перейти от лабораторной чашки к медицинским испытаниям, исследователям нужно понять, какие частоты, мощности и режимы воздействия подходят для разных вирусов, тканей и условий внутри организма.

Пока работа показывает не готовый способ лечения, а физический принцип с интересной биологической избирательностью. Высокочастотный ультразвук смог разрушить SARS-CoV-2 и H1N1 в лабораторных условиях, не повредив человеческие клетки. Следующие проверки на денге, чикунгунью и вирусе Зика должны показать, насколько широко этот механизм работает против оболочечных вирусов.