麻省理工学院 学分:麻省理工学院 冠状病毒的结构是一个非常熟悉的图像，它密集的表面受体就像一个多刺的皇冠
这些尖峰状蛋白质锁定在健康细胞上，引发病毒核糖核酸的入侵
虽然病毒的几何结构和感染策略已被普遍了解，但对其物理完整性却知之甚少
麻省理工学院机械工程系的研究人员进行的一项新研究表明，冠状病毒可能容易受到医学诊断成像中使用的超声波振动频率的影响
通过计算机模拟，研究小组模拟了病毒对一系列超声波频率振动的机械反应
他们发现25到100兆赫之间的振动触发了病毒的外壳和尖刺在几分之一毫秒内坍塌并开始破裂
在空气和水中的病毒模拟中可以看到这种效果
这些结果是初步的，并且是基于关于病毒物理特性的有限数据
然而，研究人员表示，他们的发现首次暗示了基于超声波的冠状病毒治疗的可能性，包括新型SARS-CoV-2病毒
如何精确地进行超声波治疗，以及超声波在人体复杂性范围内破坏病毒的效果如何，是未来科学家必须解决的主要问题
“我们已经证明，在超声波激发下，冠状病毒的外壳和尖刺会振动，振动的幅度会非常大，产生的菌株可能会破坏病毒的某些部分，对外壳造成可见的损伤，并可能对内部的核糖核酸造成不可见的损伤，”麻省理工学院应用力学教授托马斯·维尔茨比基(Tomasz Wierzbicki)说
“希望我们的论文能够引发一场跨学科的讨论
" 该团队的研究结果在线发表在《固体力学和物理学杂志》上
维尔茨比基的合著者是麻省理工学院的、和朱军
尖尖的贝壳 随着新冠肺炎大流行在世界范围内蔓延，维尔兹比奇希望对病毒的科学理解做出贡献
他的团队专注于固体和结构力学，以及研究材料在各种应力和应变下如何断裂
从这个角度来看，他想知道关于这种病毒的断裂可能性可以了解到什么
Wierzbicki的团队开始模拟新型冠状病毒及其对振动的机械反应
他们使用固体力学和物理学的简单概念来构建病毒结构的几何和计算模型，这些模型是基于科学文献中有限的信息，如病毒外壳和刺状物的显微图像
根据以前的研究，科学家们已经绘制出冠状病毒的一般结构——一个由艾滋病毒、流感和新型非典病毒株组成的病毒家族
这种结构由脂质蛋白的光滑外壳和从外壳突出的密集的穗状受体组成
考虑到这种几何形状，研究小组将病毒建模为一个被大约100个弹性钉覆盖的弹性薄壳
由于病毒的确切物理性质尚不确定，研究人员模拟了这种简单结构在外壳和刺钉弹性范围内的行为
“我们不知道尖峰的材料属性，因为它们非常小——大约10纳米高，”维尔茨比奇说
“更未知的是病毒内部的东西，它不是空的，而是充满了核糖核酸，核糖核酸本身被蛋白质外壳包围着
所以这个建模需要很多假设
" “我们相信这种弹性模型是一个很好的起点，”维尔茨比奇说
"问题是，会导致病毒破裂的压力和紧张是什么？" 日冕的坍塌 为了回答这个问题，研究人员在模拟中引入了声学振动，并观察了振动如何在一系列超声波频率下穿过病毒的结构
研究小组从100兆赫的振动开始，即每秒1亿个周期，根据已知的病毒物理特性，他们估计这将是外壳的自然振动频率
当他们将病毒暴露在100兆赫的超声波激发下时，病毒的自然振动最初是检测不到的
但在几分之一毫秒内，外部振动与病毒的自然振动频率共振，导致外壳和尖刺向内弯曲，就像一个球从地面反弹回来时会凹陷一样
随着研究人员增加振动的幅度或强度，外壳可能会破裂——这是一种被称为共振的声学现象，也解释了为什么歌剧演员如果以正确的音高和音量演唱，他们会打碎酒杯
在25兆赫和50兆赫的较低频率下，病毒弯曲和断裂得更快，无论是在模拟的空气环境中，还是在与体内液体密度相似的水环境中
“这些频率和强度在医疗成像安全使用的范围内，”维尔茨比奇说
为了完善和验证他们的模拟，该团队正在与西班牙的微生物学家合作，他们正在使用原子力显微镜观察超声波振动对一种只在猪身上发现的冠状病毒的影响
如果超声波可以被实验证明可以破坏冠状病毒，包括SARS-CoV-2，并且如果这种破坏可以被证明具有治疗效果，该小组设想，已经被用于打碎肾结石和通过脂质体释放药物的超声波可以被用来治疗和可能预防冠状病毒感染
研究人员还设想，安装在手机和其他便携式设备中的微型超声波传感器可能能够保护人们免受病毒的侵害
Wierzbicki强调，要确认超声波是否是对抗冠状病毒的有效治疗和预防策略，还有很多研究要做
当他的团队致力于用新的实验数据改进现有的模拟时，他计划专注于新的快速变异的SARS-CoV-2病毒的具体机制
“我们研究了一般的冠状病毒家族，现在正在专门研究新冠肺炎的形态学和几何学，”维尔兹比奇说
“在当前严峻的形势下，这种潜力是巨大的
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