La structure du coronavirus est une image trop familière, avec ses récepteurs de surface densément remplis ressemblant à une couronne épineuse. Ces protéines en forme de pic s'accrochent aux cellules saines et déclenchent l'invasion de l'ARN viral. Si la géométrie du virus et la stratégie d’infection sont généralement comprises, on en sait peu sur son intégrité physique.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs du département de génie mécanique du MIT suggère que les coronavirus peuvent être vulnérables aux vibrations ultrasonores, dans les fréquences utilisées en imagerie diagnostique médicale.
Grâce à des simulations informatiques, l’équipe a modélisé la réponse mécanique du virus aux vibrations sur une gamme de fréquences ultrasonores. Ils ont découvert que des vibrations comprises entre 25 et 100 mégahertz ont déclenché l’effondrement de la coquille et des pointes du virus et commencé à se rompre en une fraction de milliseconde. Cet effet a été observé dans des simulations du virus dans l'air et dans l'eau.
Les résultats sont préliminaires et basés sur des données limitées concernant les propriétés physiques du virus. Néanmoins, les chercheurs affirment que leurs découvertes sont un premier indice sur un éventuel traitement par ultrasons pour les coronavirus, y compris le nouveau virus SARS-CoV-2. La manière exacte dont l'échographie pourrait être administrée et son efficacité pour endommager le virus dans la complexité du corps humain font partie des principales questions auxquelles les scientifiques devront s'attaquer à l'avenir.
«Nous avons prouvé que sous excitation ultrasonore, la coquille et les pointes du coronavirus vibreront, et l'amplitude de cette vibration sera très grande, produisant des souches qui pourraient briser certaines parties du virus, causant des dommages visibles à la coque externe et éventuellement des dommages invisibles. à l'ARN à l'intérieur », explique Tomasz Wierzbicki, professeur de mécanique appliquée au MIT. «L’espoir est que notre article amorcera une discussion dans diverses disciplines.»
Les résultats de l’équipe sont publiés en ligne dans le Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Les co-auteurs de Wierzbicki sont Wei Li, Yuming Liu et Juner Zhu du MIT.
Une coquille hérissée
Alors que la pandémie de Covid-19 s'est installée dans le monde entier, Wierzbicki a cherché à contribuer à la compréhension scientifique du virus. Son groupe se concentre sur la mécanique des solides et des structures et sur l’étude de la fracture des matériaux sous diverses contraintes et déformations. Dans cette perspective, il se demande ce qu’il est possible d’apprendre sur le potentiel de fracture du virus.
L'équipe de Wierzbicki a entrepris de simuler le nouveau coronavirus et sa réponse mécanique aux vibrations. Ils ont utilisé des concepts simples de la mécanique et de la physique des solides pour construire un modèle géométrique et informatique de la structure du virus, qu’ils ont fondé sur des informations limitées dans la littérature scientifique, telles que des images microscopiques de la coquille et des pointes du virus.
À partir d'études précédentes, les scientifiques ont cartographié la structure générale du coronavirus - une famille de virus que sont le VIH, la grippe et la nouvelle souche SARS-CoV-2. Cette structure se compose d'une coquille lisse de protéines lipidiques et de récepteurs en forme de pointes densément tassés qui dépassent de la coquille.
Avec cette géométrie à l'esprit, l'équipe a modélisé le virus comme une fine coque élastique recouverte d'environ 100 pointes élastiques. Les propriétés physiques exactes du virus étant incertaines, les chercheurs ont simulé le comportement de cette structure simple sur une gamme d’élasticités pour la coque et les pointes.
«Nous ne connaissons pas les propriétés matérielles des pointes car elles sont si minuscules - environ 10 nanomètres de hauteur», déclare Wierzbicki. «Ce qui est encore plus inconnu est ce qui se trouve à l’intérieur du virus, qui n’est pas vide mais rempli d’ARN, lui-même entouré d’une enveloppe protéique de capside. Cette modélisation nécessite donc de nombreuses hypothèses. »
«Nous sommes convaincus que ce modèle élastique est un bon point de départ», déclare Wierzbicki. «La question est de savoir quels sont les stress et les souches qui provoqueront la rupture du virus?»
L'effondrement d'une couronne
Pour répondre à cette question, les chercheurs ont introduit des vibrations acoustiques dans les simulations et observé comment les vibrations ondulaient à travers la structure du virus sur une gamme de fréquences ultrasonores.
L’équipe a commencé avec des vibrations de 100 mégahertz, soit 100 millions de cycles par seconde, qu’elle estimait être la fréquence naturelle de vibration de la coquille, sur la base de ce que l’on sait des propriétés physiques du virus.
Lorsqu'ils ont exposé le virus à des excitations ultrasonores de 100 MHz, les vibrations naturelles du virus étaient initialement indétectables. Mais en une fraction de milliseconde, les vibrations externes, résonnant avec la fréquence des oscillations naturelles du virus, ont provoqué la déformation de la coquille et des pointes vers l’intérieur, semblable à une balle qui se fossette en rebondissant sur le sol.
Au fur et à mesure que les chercheurs augmentaient l'amplitude ou l'intensité des vibrations, la coquille pourrait se fracturer - un phénomène acoustique connu sous le nom de résonance qui explique également comment les chanteurs d'opéra peuvent casser un verre à vin s'ils chantent juste à la bonne hauteur et au bon volume. Aux fréquences inférieures de 25 MHz et 50 MHz, le virus s'est déformé et s'est fracturé encore plus rapidement, à la fois dans des environnements simulés d'air et d'eau dont la densité est similaire à celle des fluides corporels.
«Ces fréquences et intensités se situent dans la plage qui est utilisée en toute sécurité pour l'imagerie médicale», déclare Wierzbicki.
Pour affiner et valider leurs simulations, l'équipe travaille avec des microbiologistes en Espagne, qui utilisent la microscopie à force atomique pour observer les effets des vibrations ultrasonores sur un type de coronavirus trouvé exclusivement chez les porcs. S'il est prouvé expérimentalement que l'échographie endommage les coronavirus, y compris le SRAS-CoV-2, et si ces dommages peuvent avoir un effet thérapeutique, l'équipe envisage cette échographie, qui est déjà utilisée pour briser les calculs rénaux et libérer des médicaments via liposomes, pourraient être exploités pour traiter et éventuellement prévenir une infection à coronavirus. Les chercheurs envisagent également que les transducteurs à ultrasons miniatures, intégrés dans les téléphones et autres appareils portables, pourraient être capables de protéger les gens du virus.
Wierzbicki souligne qu'il y a beaucoup plus de recherches à faire pour confirmer si l'échographie peut être une stratégie efficace de traitement et de prévention contre les coronavirus. Alors que son équipe travaille à améliorer les simulations existantes avec de nouvelles données expérimentales, il prévoit de se concentrer sur les mécanismes spécifiques du nouveau virus SARS-CoV-2 à mutation rapide.
«Nous avons examiné la famille générale des coronavirus et examinons maintenant spécifiquement la morphologie et la géométrie de Covid-19», explique Wierzbicki. «Le potentiel est quelque chose qui pourrait être formidable dans la situation critique actuelle.»
