Ультразвук уничтожает вирусы, не повреждая клетки человека: эффект «воздушной кукурузы»

Исследователи из Университета Сан-Паулу в Бразилии обнаружили, что высокочастотные ультразвуковые волны, аналогичные используемым в медицинских обследованиях, способны уничтожать вирусы SARS-CoV-2 и H1N1 без повреждения человеческих клеток. В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, ученые описали явление, известное как акустический резонанс: звуковая энергия вызывает структурные изменения в вирусных частицах до тех пор, пока они не разрываются и не становятся неактивными.

Одемир Мартинес Бруно, профессор Физического института Сан-Карлоса при Университете Сан-Паулу, координировавший исследование, сравнил этот процесс с приготовлением попкорна. По его словам, звуковые волны вызывают морфологические изменения в вирусных частицах, пока те не «взрываются». Защитная мембрана вируса — оболочка — разрывается и деформируется, что предотвращает проникновение вируса в клетки человека.

Открытие противоречит классическим физическим теориям. Длина волны ультразвука значительно превышает размер вируса. Теоретически эта разница в размерах должна была бы препятствовать взаимодействию. Однако явление оказалось полностью геометрическим. Сферические частицы, к которым относятся многие оболочечные вирусы, поглощают энергию ультразвуковых волн наиболее эффективно. Накопление энергии внутри частицы вызывает изменения в структуре вирусной оболочки вплоть до её разрыва.

Бруно поясняет, что если бы вирусы были треугольными или квадратными, «эффект попкорна» акустического резонанса на них бы не действовал. Поскольку процесс зависит строго от формы вирусной частицы, а не от генетических мутаций, варианты вируса, наблюдавшиеся во время пандемии — например, Омикрон и Дельта, — не влияют на эффективность метода.

Отличие от существующих методов

Ультразвук уже используется для стерилизации стоматологического и хирургического оборудования, но там работает иное физическое явление, называемое кавитацией, которое разрушает любой биологический материал. Кавитация происходит на низких частотах и разрушает как вирусы, так и ткани за счет схлопывания газовых пузырьков.

Акустический резонанс, напротив, работает на высоких частотах — от 3 до 20 мегагерц. Звуковая энергия связывается с вирусной структурой, возбуждая внутренние вибрации, которые приводят к механическому разрыву оболочки. Температура и кислотность среды при этом не меняются. Результат, по словам Бруно, — избирательный и безопасный механизм, при котором только вирус поглощает энергию и разрушается, а клетки человека не страдают.

Перспективы применения

Команда уже проводит лабораторные испытания метода против других инфекций, включая денге, чикунгунью и вирус Зика. Эта альтернатива особенно интересна тем, что противовирусные препараты в целом сложно разрабатывать.

Флавио Протасио Верас, профессор Федерального университета Алфенаса и один из участников исследования, отметил, что метод представляет собой перспективную стратегию против оболочечных вирусов в целом. Разработка химических противовирусных средств сложна и дает труднодостижимые результаты. Кроме того, это «зеленое» решение: оно не создает отходов, не наносит вреда окружающей среде и не способствует развитию вирусной устойчивости.

В исследовании также участвовал Чарльз Райс, профессор Рокфеллеровского университета, лауреат Нобелевской премии по медицине 2020 года, который предоставил флуоресцентные вирусы для визуализации в реальном времени.

Вопрос, который остается: если ультразвуковые волны способны избирательно разрушать вирусы, не повреждая клетки, то как далеко это открытие от клинического применения? И сможет ли этот метод стать универсальным средством против будущих пандемий, не дожидаясь разработки новых вакцин и противовирусных препаратов?