دراسة تتوصل إلى أن الموجات فوق الصوتية لديها القدرة على إتلاف فيروسات كورونا  -ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Ultrasound has potential to damage coronaviruses, study finds
(جينيفر تشو | مكتب أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا – Jennifer Chu | MIT News Office)
تظهر المحاكاة أن الموجات فوق الصوتية بترددات التصوير الطبي يمكن ان تتسبب في انهيار غلاف الفيروس وتمزقه

 ملخص المقالة:

تشير دراسة باحثي قسم الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أن فيروسات كورونا قد تكون غير محصنة أمام الاهتزازات فوق الصوتية، ضمن الترددات الآمنة المستخدمة في التصوير التشخيصي الطبي. فمن خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية، قام فريق بنمذجة الاستجابة الميكانيكية للفيروس للاهتزازات عبر مجموعة من ترددات الموجات فوق الصوتية. ووجدوا أن الاهتزازات التي تتراوح بين 25 و 100 ميغا هرتز تسببت في انهيار غلاف الفيروس والبروزات السطحية، وتمزقت في غضون جزء من جزء من الألف من الثانية. وقد شوهد هذا التأثير في محاكاة الفيروس في الهواء والماء. وتلمح هذه النتائج إلى علاج محتمل لفيروسات كورونا يعتمد على الموجات فوق الصوتية، ومن المؤمل أن تحدث نقطة انطلاق جديدة، وتساهم في اطلاق مناقشة عبر مختلف التخصصات. ويتصور الباحثون أيضًا أن محولات طاقة الموجات فوق الصوتية المصغرة، المثبتة في الهواتف والأجهزة المحمولة الأخرى، قد تكون قادرة على حماية الناس من الفيروس.

 

( المقالة )

إن بنية الفيروس التاجي (كورونا) هي صورة مألوفة للغاية، حيث تشبه مستقبلاتها السطحية المكتظة بكثافة التاج الشائك. وتلتصق هذه البروتينات الشبيهة بالسرعات بالخلايا السليمة وتؤدي إلى غزو الحمض النووي الريبي الفيروسي. وفي حين أن هندسة الفيروس واستراتيجية العدوى مفهومة بشكل عام، لا يُعرف الكثير عن سلامته الجسدية.

وتشير دراسة جديدة أجراها باحثون في قسم الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أن فيروسات كورونا قد تكون غير محصنة أمام الاهتزازات فوق الصوتية، ضمن الترددات المستخدمة في التصوير التشخيصي الطبي.

فمن خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية، قام الفريق بنمذجة الاستجابة الميكانيكية للفيروس للاهتزازات عبر مجموعة من ترددات الموجات فوق الصوتية. ووجدوا أن الاهتزازات التي تتراوح بين 25 و 100 ميغا هرتز تسببت في انهيار غلاف الفيروس والبروزات السطحية (التي فوق الغلاف) وبدأت في التمزق في غضون جزء من جزء من الألف من الثانية. وقد شوهد هذا التأثير في محاكاة الفيروس في الهواء والماء.

ولا زالت النتائج أولية، وتستند إلى بيانات محدودة تتعلق بالخصائص الفيزيائية للفيروس. ومع ذلك، يقول الباحثون إن النتائج التي توصلوا إليها هي أول تلميح إلى علاج محتمل لفيروسات كورونا يعتمد على الموجات فوق الصوتية، بما في ذلك فيروس سارس-كورونا-2 الجديد. فكيف يمكن إجراء الموجات فوق الصوتية بالضبط، ومدى فعاليتها في إتلاف الفيروس داخل تعقيد جسم الإنسان، هي من بين الأسئلة الرئيسية التي سيتعين على العلماء اجابتها في المستقبل.

“لقد ثبت أنه في ظل الإثارة للموجات فوق الصوتية، يهتز فيروس كورونا وبروزاته السطحية، واتساع هذا الاهتزاز سوف يكون كبيرا جدا، منتجا  سلالات يمكن أن تكسر أجزاء معينة من الفيروسات، وتحدث أضرارا واضحة إلى الغلاف الخارجي، وضررا محتملا غير مرئي إلى داخل الحمض النووي الريبي”، كما يقول توماس ويرزبيكي، أستاذ الميكانيكا التطبيقية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وأضاف: “نأمل أن تحدث ورقتنا مناقشة عبر مختلف التخصصات”.

وتظهر نتائج بحث الفريق على الإنترنت في مجلة “ميكانيكا وفيزياء المواد الصلبة (Mechanics and Physics of Solids)، والمؤلفون المشاركون لـ “ويرزبيكي” هم: “وي لي” و”يومنغ ليو” و “جونر زهو”  من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

قشرة  ذات نتوء

مع انتشار وباء كوفيد-19  في جميع أنحاء العالم، سعى البروفيسور ويرزبيكي للمساهمة في الفهم العلمي للفيروس. وينصب تركيز مجموعته على الميكانيكا الصلبة والهيكلية، ودراسة كيفية تكسير المواد تحت الضغوط والتوترات المختلفة. ومن هذا المنظور، تساءل عما يمكن تعلمه عن احتمال كسر الفيروس.

وشرع فريقه في محاكاة فيروس كورونا الجديد واستجابته الميكانيكية للاهتزازات. واستخدموا مفاهيم بسيطة لميكانيكا وفيزياء المواد الصلبة لبناء نموذج هندسي وحسابي لهيكل الفيروس، واستندوا إلى معلومات محدودة في الأدبيات العلمية، مثل الصور المجهرية لقشرة الفيروس والنتوءات على سطحه.

ومن الدراسات السابقة، رسم العلماء الهيكل العام للفيروس التاجي – عائلة من الفيروسات التي تسبب فيروس نقص المناعة البشرية والإنفلونزا وسلالة سارس-كورونا-2 الجديدة. ويتكون هذا الهيكل من قشرة ناعمة من البروتينات الدهنية، ومستقبلات كثيفة تشبه السنبلة تبرز من الغلاف.

ومع وضع هذه الهندسة في الاعتبار، قام الفريق بنمذجة الفيروس على أنه قشرة رقيقة مرنة مغطاة بنحو 100 من النتوءات المرنة. ونظرًا لأن الخصائص الفيزيائية الدقيقة للفيروس غير مؤكدة، فقد قام الباحثون بمحاكاة سلوك هذا الهيكل البسيط عبر نطاق من المرونة لكل من القشرة والنتوءات.

ويقول البروفيسور ويرزبيكي:  “لا نعرف الخصائص المادية للنتوءات لأنها صغيرة جدًا – يبلغ ارتفاعها حوالي 10 نانومتر؛ والمجهول أكثر هو ما يوجد داخل الفيروس، وهو ليس فارغًا ولكنه مليء بالحمض النووي الريبي، وهو نفسه محاط بقشرة قفيصة بروتينية. ولذا، تتطلب هذه النمذجة الكثير من الافتراضات”. ويتابع: “نشعر بالثقة في أن هذا النموذج المرن يمثل نقطة انطلاق جيدة، والسؤال هو: ما هي الضغوطات والسلالات التي ستؤدي إلى تمزق الفيروس؟”

انهيار كورونا

للإجابة على هذا السؤال، أدخل الباحثون الاهتزازات الصوتية في عمليات المحاكاة، ولاحظوا كيف تموج الاهتزازات من خلال بنية الفيروس عبر نطاق من ترددات الموجات فوق الصوتية.

وبدأ الفريق بذبذبات تبلغ 100 ميغا هرتز، أو 100 مليون دورة في الثانية، والتي قدروا أنها ستكون تردد اهتزاز القشرة الطبيعي، بناءً على ما هو معروف عن الخصائص الفيزيائية للفيروس.

وعندما عرّضوا الفيروس لإثارة بالموجات فوق الصوتية بسرعة 100 ميجاهرتز، كانت الاهتزازات الطبيعية للفيروس في البداية غير قابلة للكشف. ولكن في غضون جزء من جزء من الملي ثانية، تسببت الاهتزازات الخارجية، التي يتردد صداها مع تواتر التذبذبات الطبيعية للفيروس، في انزلاق القشرة والنتوءات إلى الداخل، على غرار الكرة التي تنفجر أثناء ارتدادها عن الأرض.

وكلما زاد الباحثون سعة أو شدة الاهتزازات، يمكن أن تتكسر القشرة – وهي ظاهرة صوتية تُعرف بالرنين والتي تشرح أيضًا كيف يمكن لمغنيي الأوبرا أن يكسروا كأسًا من النبيذ إذا قاموا بالغناء بالنغمة والحجم المناسبين. وعند الترددات المنخفضة التي تبلغ 25 ميجاهرتز و 50 ميجاهرتز، يتشقق الفيروس ويتكسر بشكل أسرع، سواء في بيئات محاكاة الهواء أو في الماء الذي يشبه كثافة السوائل في الجسم. ويقول البروفيسور ويرزبيكي: “تقع هذه الترددات والشدة ضمن النطاق الذي يتم استخدامه بأمان للتصوير الطبي”.

ولتحسين عمليات المحاكاة والتحقق من صحتها، يعمل الفريق مع علماء الأحياء الدقيقة في إسبانيا، الذين يستخدمون مجهر القوة الذرية لمراقبة تأثيرات اهتزازات الموجات فوق الصوتية على نوع من فيروس كورونا الموجود حصريًا في الخنازير. فإذا ثبت تجريبياً أن الموجات فوق الصوتية تتلف فيروسات كورونا، بما في ذلك سارس-كورونا-2 ، وإذا ثبت أن هذا الضرر له تأثير علاج، فإن الفريق يتصور أن الموجات فوق الصوتية، التي تُستخدم بالفعل لتفتيت حصوات الكلى وإطلاق الأدوية عن طريق الجسيمات الشحمية، يمكن تسخيرها لعلاج فيروس كورونا وربما الوقاية من عدواه. ويتصور الباحثون أيضًا أن محولات طاقة الموجات فوق الصوتية المصغرة، المثبتة في الهواتف والأجهزة المحمولة الأخرى، قد تكون قادرة على حماية الناس من الفيروس.

ويشدد البروفيسور ويرزبيكي على أن هناك الكثير من الأبحاث التي يتعين القيام بها، لتأكيد ما إذا كانت الموجات فوق الصوتية يمكن أن تكون استراتيجية فعالة للعلاج والوقاية ضد فيروسات كورونا. ونظرًا لأن فريقه يعمل على تحسين عمليات المحاكاة الحالية ببيانات تجريبية جديدة، فإنه يخطط للتركيز على الآليات المحددة للرواية، والتحول سريعًا لفيروس سارس-كورونا-2.  ويقول: “لقد نظرنا إلى عائلة فيروس كورونا العامة، وننظر الآن بشكل خاص في شكل وهندسة كوفيد-19 ، والمرتقب شيء يمكن أن يكون عظيمًا في الوضع الحرج الحالي”.

 *تمت الترجمة بتصرف

 المصدر:

https://news.mit.edu/2021/ultrasound-coronaviruses-damage-0316

لمزيد من المعلومات: توماس ويرزبيكي وآخرون، Effect of receptors on the resonant and transient harmonic vibrations of Coronavirus, Journal of the Mechanics and Physics of Solids(2021). DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104369