Kann Ultraschall das Coronavirus zerstören? Studie macht Hoffnung!

Über die Infektionsstrategie und die Geometrie des Virus ist bereits viel geforscht worden. Jedoch ist über das physikalische Widerstandsvermögen bisher wenig bekannt. Gibt es also Stoffe, die das Virus in seiner Form verändern oder sogar beschädigen können?

Eine neue Studie des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) fördert möglicherweise bahnbrechende Erkenntnisse zutage. Wie nun im „Journal of the Mechanics and Physics of Solids” veröffentlicht wurde, kann Ultraschall mit seinen in der Medizin bekannten Frequenzen die Coronaviren destabilisieren und ihre Hülle aufbrechen.

Anhand von Computersimulationen hat die Forschergruppe die mechanische Reaktion des Virus auf Vibrationen mit Ultraschallfrequenzen nachgebaut. Sie fanden heraus, dass Vibrationen zwischen 25 und 100 Megahertz die Hülle und die Proteinspikes des Virus in einem Bruchteil einer Millisekunde aufbrechen und schließlich zusammenbrechen lassen konnten. Dieser Effekt wurde sowohl in der Luft als auch im Wasser beobachtet.

Mit seinen dicht an dicht zusammenstehenden Rezeptoren an der Oberfläche ähnelt die Struktur des COVID-19-Virus einer dornigen Krone. Diese Spike-Proteine sind in der Lage, an gesunde Zellen anzudocken und die Invasion der viralen RNA auszulösen.

Mit dieser Struktur im Hinterkopf erstellte das Forscherteam des MIT ein Modell des Virus und bedeckte dessen Hülle mit 100 elastischen Spikes. Auch wenn die genauen physikalischen Gegebenheiten des Virus noch nicht bekannt sind, konnten es die Forscher mit dieser einfachen und elastischen Struktur simulieren.

Studienleiter Professor Tomasz Wierzbicki erklärt: „Wir kennen die Materialeigenschaften der Spikes nicht, weil sie so winzig sind – etwa 10 Nanometer groß. Noch unbekannter ist, was sich im Inneren des Virus befindet, welches nicht leer, sondern mit RNA gefüllt ist, die wiederum von einer Proteinkapsidhülle umgeben ist. Diese Modellierung erfordert also eine Menge Annahmen“.

Er bekräftigt, dass dieses elastische Modell ein guter Ausgangspunkt sei, um das Virus weiteren Tests auszusetzen. Entscheidend dabei sei, durch welche Belastungen und Stressfaktoren das Virus zerstört werden könnte.

Um die Frage zu beantworten, was genau das COVID-19 Virus zum Zerbrechen bringen könnten, testeten die Wissenschaftler, wie sich akustische Schwingungen über einen Bereich von Ultraschallfrequenzen durch die Struktur des Virus kräuselten. Dabei wurden Schwingungen von 100 Megahertz verwendet. Diese Frequenz entspräche der natürlichen Schwingungsfrequenz der Hülle des Virus.

Zunächst passierte nichts. Aber innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde bewirkten die externen Schwingungen, dass diese mit der Frequenz der natürlichen Schwingungen des Virus in Resonanz traten. In der Folge wölbten sich die Hülle und die Spikes nach innen. Ähnlich wie ein Ball, der beim Aufprall auf dem Boden Dellen bekommt.

Das ermutigte die MIT-Forscher die Intensität der Schwingungen zu erhöhen. So konnten sie die Hülle brechen. Dieses akustische Phänomen, auch als Resonanz bekannt, trete zum Beispiel auch dann auf, wenn Opernsänger ein Weinglas durch Gesang in einer bestimmten Tonhöhe und Lautstärke zerbrechen könnten.

Die Forscher entdeckten bei ihren Simulationen in Luft und Wasser, dass das Virus bei niedrigeren Frequenzen von 25 MHz und 50 MHz noch schneller zerbrach.  Diese Frequenzen sollen laut Professor Wierzbicki in dem Bereich liegen, der auch für die medizinische Bildgebung verwendet wird. Wenn diese Vermutung sich in weiteren Simulationen als richtig erweisen sollte, könnte der in medizinischen Praxen verwendete Ultraschall eingesetzt werden, um Corona-Erkrankte zu behandeln.

Kann Ultraschall also das Coronavirus wirklich verlässlich zerstören und damit bei der Bekämpfung der Pandemie helfen? Dieser Frage gehen die MIT-Wissenschaftler zurzeit gemeinsam mit spanischen Mikrobiologen nach. Diese beobachten die Auswirkungen von Ultraschall auf eine bestimmte Art des Coronavirus, die nur bei Schweinen vorkommt.

Professor Tomasz Wierzbicki betont allerdings, dass noch weitere Forschung nötig sei, um zu überprüfen, ob Ultraschall eine effektive Behandlungs- und Präventionsstrategie gegen Coronaviren sein kann. Während sein Team daran arbeitet, die bestehenden Simulationen mit neuen experimentellen Daten zu verbessern, plant Wierzbicki, die spezifischen Mechanismen des schnell mutierenden Coronavirus genauer zu untersuchen.

Sollte es dem Team um den MIT Professor gelingen zu beweisen, dass die Ultraschallviren das Coronavirus schädigen, könnte man von einer bahnbrechenden Entwicklung sprechen. So könnte Ultraschall, das unter anderem bereits erfolgreich bei der Zertrümmerung von Nierensteinen eingesetzt wird, auch für die Vorbeugung und die Behandlung von Corona eingesetzt werden.

Quelle:

Ultrasound has potential to damage coronaviruses, study finds, in: MIT News (Massachusetts Institute of Technology)

Effect of receptors on the resonant and transient harmonic vibrations of Coronavirus, in: Science Direct