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技術文章

超聲技術——滅殺病毒新思路

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冠狀病毒組成結構


2021年2月18日， 麻省理工學院Tomasz Wierzbicki研究團隊在國際固體力學期刊“Journal of the Mechanics and Physics of Solids"（《固體力學與固體物理學雜志》）上發表文章，文章表示病毒可能容易受到醫學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，超聲波振動能夠破壞冠狀病毒結構甚至殺死病毒。[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胞具有關鍵作用。由于病毒是寄生生物，無法獨立生存，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構的方法，對于治療以及預防冠狀病毒感染具有很大的意義。



研究內容與結果


Wierzbicki團隊通過計算機模擬構建冠狀病毒模型，并模擬其在一系列超聲波頻率振動的機械反應。結果發現在100 MHz（冠狀病毒衣殼自然振動頻率）的振動頻率下，病毒產生共振效應，病毒衣殼和刺突蛋白發生向內彎曲，類似于一個球在從地面反彈時會出現的凹痕現象，并于幾毫秒內發生破裂。并且隨著研究人員增加超聲波振動的幅度和強度，在 25MHz 和 50MHz 的頻率之間時，彎曲和破裂的速度加快，這種效應在空氣及與人體體液密度相等的水模擬環境中都可以看到。最重要的是這次模擬實驗證明了存在著在人體醫學成像適用范圍內（1MHz-30MHz）利用超聲波治療人體感染的可能性。

Wierzbicki補充說：該試驗已成功表明，在超聲波激發下，外殼和刺突蛋白會發生共振，振動的幅度會非常大，產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，他們正計劃與西班牙微生物學家合作探索，使用原子力顯微鏡，來觀察超聲波振動對豬體內一種冠狀病毒的影響。如果實驗成功，可以預見該試驗研究結果會為超聲波治療和預防感染帶來一個嶄新的方向。像超聲破碎腎結石一樣，未來我們不僅可以利用超聲技術應用于冠狀病毒的臨床治療，甚至還可以將超聲波發生器內置于手機等便攜式設備，隨身預防保護人類免受病毒侵害。
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家們的研究和驗證，比如如何精準地使用超聲波在復雜的人體內有效破壞病毒將是日后解決的關鍵性問題之一，而距離超聲波應用于滅殺治療冠狀病毒未來將有很長一段路等待去探索。
超聲波除了具有應用于滅殺病毒的可能性，目前其在病毒的醫療診斷治療領域或是各種微生物實驗研究中也有著相當廣泛的應用。比如當前的監測診斷領域中必要的超聲成像技術，其可以為臨床醫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型超聲圖像（平流層征）


超聲其他領域應用


以病毒、細胞、真菌等為代表的微生物學領域，超聲波技術具有廣泛的應用場景：

  • 利用超聲波細胞粉碎機(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]；

  • 利用超聲波細胞粉碎機(SCIENTZ-IID）破碎重組大腸桿菌得到表達的目標蛋白酶（hNMT1，可以催化蛋白發生豆蔻?；?，進而研究該酶所催化的豆蔻?；揎棇τ谛NA病毒蛋白衣殼裝配的影響[3]；

  • 利用超聲波細胞粉碎機(SCIENTZ-IID）分解重組工程表達菌株，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品：


超聲波技術作為一項通用技術，在醫學成像、細胞工程、微生物研究、病毒研究等領域具備廣闊的應用前景。新芝生物成立三十多年來，專注于超聲技術的研發與應用，開發了包括超聲波細胞粉碎機、非接觸式超聲波細胞粉碎機、超聲波提取儀、超聲波清洗機、超聲波除垢設備等系列產品。新芝生物超聲波系列產品遍布生命科學研究實驗室，為科研工作者提供專業、周到的服務！


參考文獻：

[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移酶在大腸埃希氏菌中的表達、純化及活性檢測[J].動物醫學進展,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].微生物學免疫學進展,2016,44(03):14-18.








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