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技術(shù)文章

超聲技術(shù)——滅殺病毒新思路

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冠狀病毒組成結(jié)構(gòu)


2021年2月18日， 麻省理工學(xué)院Tomasz Wierzbicki研究團(tuán)隊(duì)在國際固體力學(xué)期刊“Journal of the Mechanics and Physics of Solids"（《固體力學(xué)與固體物理學(xué)雜志》）上發(fā)表文章，文章表示病毒可能容易受到醫(yī)學(xué)診斷成像中使用的超聲波振動頻率的影響。即在人體安全適用的超聲波頻率范圍內(nèi)，超聲波振動能夠破壞冠狀病毒結(jié)構(gòu)甚至殺死病毒。[1]
病毒主要由核心RNA、衣殼以及衣殼上的刺突蛋白組成，其中刺突蛋白對于病毒識別入侵宿主細(xì)胞具有關(guān)鍵作用。由于病毒是寄生生物，無法獨(dú)立生存，因此尋找一種可以有效破壞冠狀病毒衣殼及其刺突蛋白結(jié)構(gòu)的方法，對于治療以及預(yù)防冠狀病毒感染具有很大的意義。



研究內(nèi)容與結(jié)果


Wierzbicki團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)模擬構(gòu)建冠狀病毒模型，并模擬其在一系列超聲波頻率振動的機(jī)械反應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在100 MHz（冠狀病毒衣殼自然振動頻率）的振動頻率下，病毒產(chǎn)生共振效應(yīng)，病毒衣殼和刺突蛋白發(fā)生向內(nèi)彎曲，類似于一個球在從地面反彈時會出現(xiàn)的凹痕現(xiàn)象，并于幾毫秒內(nèi)發(fā)生破裂。并且隨著研究人員增加超聲波振動的幅度和強(qiáng)度，在 25MHz 和 50MHz 的頻率之間時，彎曲和破裂的速度加快，這種效應(yīng)在空氣及與人體體液密度相等的水模擬環(huán)境中都可以看到。最重要的是這次模擬實(shí)驗(yàn)證明了存在著在人體醫(yī)學(xué)成像適用范圍內(nèi)（1MHz-30MHz）利用超聲波治療人體感染的可能性。

Wierzbicki補(bǔ)充說：該試驗(yàn)已成功表明，在超聲波激發(fā)下，外殼和刺突蛋白會發(fā)生共振，振動的幅度會非常大，產(chǎn)生的張力可能會破壞病毒的某些部分，對外殼造成可見的損傷，并可能對內(nèi)部的核糖核酸造成不可見的損傷。


研究缺陷與展望


目前，他們正計(jì)劃與西班牙微生物學(xué)家合作探索，使用原子力顯微鏡，來觀察超聲波振動對豬體內(nèi)一種冠狀病毒的影響。如果實(shí)驗(yàn)成功，可以預(yù)見該試驗(yàn)研究結(jié)果會為超聲波治療和預(yù)防感染帶來一個嶄新的方向。像超聲破碎腎結(jié)石一樣，未來我們不僅可以利用超聲技術(shù)應(yīng)用于冠狀病毒的臨床治療，甚至還可以將超聲波發(fā)生器內(nèi)置于手機(jī)等便攜式設(shè)備，隨身預(yù)防保護(hù)人類免受病毒侵害。
該研究成果的推論固然讓人感到興奮，但目前該研究方向僅僅只是踏出了一小步，局限于物理模型階段。依舊有很多的問題等待著科學(xué)家們的研究和驗(yàn)證，比如如何精準(zhǔn)地使用超聲波在復(fù)雜的人體內(nèi)有效破壞病毒將是日后解決的關(guān)鍵性問題之一，而距離超聲波應(yīng)用于滅殺治療冠狀病毒未來將有很長一段路等待去探索。
超聲波除了具有應(yīng)用于滅殺病毒的可能性，目前其在病毒的醫(yī)療診斷治療領(lǐng)域或是各種微生物實(shí)驗(yàn)研究中也有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。比如當(dāng)前的監(jiān)測診斷領(lǐng)域中必要的超聲成像技術(shù)，其可以為臨床醫(yī)生及時提供患者的各種重要生命體征，在急性重癥肺炎的診斷、治療以及療效評估上具有不可替代的地位。

正常肺超聲M型圖像（沙灘樣征）          

肺炎患者M(jìn)型超聲圖像（平流層征）


超聲其他領(lǐng)域應(yīng)用


以病毒、細(xì)胞、真菌等為代表的微生物學(xué)領(lǐng)域，超聲波技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用場景：

  • 利用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(SCIENTZ-IID），從重組大腸桿菌中破碎提取包涵體并純化得到H1N1流感病毒抗原（HA抗原），用于對血液中抗體（抗-HA）的檢測，從而篩選出可用于治療流感病毒感染的免疫血漿[2]；

  • 利用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(SCIENTZ-IID）破碎重組大腸桿菌得到表達(dá)的目標(biāo)蛋白酶（hNMT1，可以催化蛋白發(fā)生豆蔻?；?，進(jìn)而研究該酶所催化的豆蔻酰化修飾對于小RNA病毒蛋白衣殼裝配的影響[3]；

  • 利用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)(SCIENTZ-IID）分解重組工程表達(dá)菌株，從中得到腸道病毒的重組蛋白抗原，用于多克隆抗體的制備[4]。


新芝部分超聲波系列產(chǎn)品：


超聲波技術(shù)作為一項(xiàng)通用技術(shù)，在醫(yī)學(xué)成像、細(xì)胞工程、微生物研究、病毒研究等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。新芝生物成立三十多年來，專注于超聲技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，開發(fā)了包括超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)、非接觸式超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)、超聲波提取儀、超聲波清洗機(jī)、超聲波除垢設(shè)備等系列產(chǎn)品。新芝生物超聲波系列產(chǎn)品遍布生命科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室，為科研工作者提供專業(yè)、周到的服務(wù)！


參考文獻(xiàn)：

[1]Tomasz Wierzbicki, Wei Li, Yuming Liu, Juner Zhu. Effect of receptors on the resonant and transient harmonic vibrations of Coronavirus. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2021; 150: 104369  DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104369

[2]江小工,修冰水,王國華,張向穎,陳坤,宋曉國,楊君,朱翠霞,周友,魏堤,房濤,張賀秋.接種甲型H1N1流感疫苗獻(xiàn)血者血清中血凝素IgG抗體的檢測[J].中國輸血雜志,2010,23(03):168-170.

[3]王苗苗,董虎,盧淵錄,郭慧琛,孫世琪,聞曉波.N-豆蔻?；D(zhuǎn)移酶在大腸埃希氏菌中的表達(dá)、純化及活性檢測[J].動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2021,42(06):1-7.

[4]任富利,周輝,孟勝利,王澤鋆,申碩.兔抗腸道病毒71型截短VP1抗體的制備及鑒定[J].微生物學(xué)免疫學(xué)進(jìn)展,2016,44(03):14-18.








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