Врачи традиционно применяют для лечения вирусных инфекций химические препараты и вакцины, однако патогены быстро мутируют и обходят иммунную защиту. Физические методы дезинфекции, такие как ультрафиолет или промышленный низкочастотный ультразвук (он вызывает кавитацию — разрушительное закипание жидкости), отлично стерилизуют поверхности, но повреждают живые ткани. До сих пор у медиков не было физического инструмента, который разрушал бы вирусы внутри организма пациента, оставляя его собственные клетки невредимыми.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Scientific Reports, протестировали стандартные медицинские УЗИ-сканеры, которые клиники используют для осмотра внутренних органов. Эти приборы работают на высоких частотах от трех до 20 мегагерц при малой мощности акустической волны. Физики облучали ультразвуком чашки Петри со взвесями живого коронавируса (включая штаммы «Ухань», «гамма» и «дельта») и вируса гриппа А (H1N1).
Затем размер частиц измерили с помощью лазерного динамического рассеяния света и изучили их структуру под сканирующим электронным и атомно-силовым микроскопами. На финальном этапе биологи проверили, сохранили ли вирусы инфекционность: они попытались заразить обработанными патогенами культуру живых клеток почек обезьяны (линия Vero-E6). При этом саму культуру живых клеток в качестве контроля тоже подвергли аналогичному получасовому облучению УЗИ. Во время всех процедур датчики непрерывно фиксировали температуру и кислотность (pH) жидкости.
Эксперимент показал, что после 5-30 минут УЗИ-терапии на частоте 7,5 мегагерца вирусы теряют форму или вовсе распадаются на фрагменты. Под микроскопом сферические вирусы выглядели как лопнувший попкорн: их липидная оболочка порвалась, а внутренние нуклеопротеины вышли наружу. После такой обработки способность уханьского штамма коронавируса проникать в клетки упала почти до нуля.
Показатели температуры и pH в пробирках остались неизменными на протяжении всего облучения. Это доказывает, что вирусные частицы разрушились не от нагрева или химической реакции, а исключительно от механического воздействия.
Ученые установили, что причиной разрушения стал акустический резонанс. Физические параметры вируса (его нанометровый размер, толщина оболочки и упругость) идеально совпали с мегагерцовыми частотами аппарата УЗИ. Частица поглотила кинетическую энергию акустической волны, начала сильно вибрировать и разорвалась. Микроскопия подтвердила, что клетки млекопитающих эту частоту игнорируют: облученные контрольные клеточные культуры сохранили нормальную морфологию и не получили никаких повреждений.
Исследование переводит борьбу с вирусами из области биохимии в область механики. Независимо от того, как мутирует вирус, он остается наноразмерной сферой с липидной оболочкой, которая уязвима для акустического резонанса. Авторы исследования полагают, что в будущем ультразвуковая терапия может стать универсальным способом очистки дыхательных путей и других органов от патогенов без применения тяжелой фармакологии.