„Zerstörung von Viren durch Schall?“ Neue Studie zeigt, dass Ultraschall COVID-19 und Grippe zum Platzen bringt

Anstatt Viren mit Medikamenten zu unterdrücken oder das Immunsystem mit Impfstoffen im Voraus zu stärken, wird der „Kraft des Klangs“ genutzt, um die Viren selbst zu zerstören. Eine solche Forschung, die wie Science-Fiction klingt, zieht als reale wissenschaftliche Arbeit Aufmerksamkeit auf sich.

Ein Forscherteam der Universität São Paulo in Brasilien hat gezeigt, dass hochfrequenter Ultraschall die Struktur des SARS-CoV-2-Virus, also des Erregers von COVID-19, sowie des H1N1-Influenzavirus zerstören und inaktivieren kann. Die Forschungsergebnisse wurden in Scientific Reports veröffentlicht und von Phys.org und FAPESP berichtet.

Der entscheidende Punkt ist, dass Ultraschall die Viren weder „durch Hitze verbrennt“ noch „wie Chemikalien chemisch zerstört“. Das Forschungsteam konzentrierte sich auf das Phänomen der „akustischen Resonanz“, bei dem die Struktur der Viruspartikel durch Schallwellen erschüttert wird, sodass Membran und Hülle nicht mehr standhalten können.

Die Idee, Viren mit „Schreien“ zu zerstören

In Berichten wird dieser Mechanismus als „Kampf gegen Viren mit Schreien“ beschrieben. Natürlich bedeutet das nicht, dass Viren zerstört werden, wenn Menschen laut schreien. Verwendet wird hochfrequenter Ultraschall, der für das menschliche Ohr nicht hörbar ist.

In der aktuellen Studie wurde hochfrequenter Ultraschall im Bereich von 3 bis 20 MHz untersucht. Dies liegt nahe dem Frequenzbereich, der in der medizinischen Bildgebung verwendet wird. Im Gegensatz dazu unterscheidet sich der Mechanismus von Ultraschall, der zur Reinigung und Sterilisation von Geräten bekannt ist. Bei Reinigungsultraschall steht die „Kavitation“ im Mittelpunkt, bei der winzige Blasen in Flüssigkeiten heftig kollabieren. Kavitation ist stark, kann aber auch das umgebende Gewebe schädigen.

Das Forschungsteam zielte nicht auf die zerstörerische Wirkung des Kollapses von Blasen bei niedrigen Frequenzen ab, sondern auf die Wirkung, bei der durch Ultraschall im MHz-Bereich Vibrationsenergie direkt in den Viruspartikeln gespeichert wird. Die äußere Hülle des Virus vibriert, verformt sich und reißt schließlich. Die Forscher vergleichen dies mit dem „Popcorn-Effekt“, bei dem es von innen platzt.

Strukturveränderungen bei SARS-CoV-2 und H1N1 bestätigt

In der Studie wurde berichtet, dass sich die Partikelgröße und -struktur sowohl bei SARS-CoV-2 als auch beim H1N1-Influenzavirus nach der Ultraschallbestrahlung veränderten.

Bei SARS-CoV-2 zeigten unbehandelte Viruspartikel eine relativ einheitliche Größenverteilung, während nach der Ultraschallbehandlung ein Peak kleinerer Fragmente auftrat. Dies deutet darauf hin, dass die Viruspartikel teilweise zerlegt oder fragmentiert wurden. Bei H1N1 verschwand nach der Behandlung das messbare Partikelsignal, was auf einen umfassenderen Strukturzusammenbruch hinweisen könnte.

Beobachtungen mit dem Rasterelektronenmikroskop und dem Rasterkraftmikroskop zeigten, dass die äußeren Konturen von SARS-CoV-2 zusammenbrachen, Dellen und Risse auf der Oberfläche entstanden und die glatten Viruspartikel unregelmäßige Formen annahmen. Dies zeigt, dass nicht nur die Größe verändert wurde, sondern auch die für die Infektion wichtigen Hüllen und Oberflächenstrukturen beschädigt wurden.

Auch die Infektiosität nahm ab, jedoch nur in vitro

Wenn nur die Struktur zerstört wird, könnte man sagen, dass sich nur das „Aussehen verändert“ hat. Entscheidend ist, ob dies zu einem Rückgang der Infektionsfähigkeit führt.

Das Forschungsteam infizierte Zellen mit ultraschallbehandeltem SARS-CoV-2 und untersuchte die Signale des Spike-Proteins des Virus sowie der doppelsträngigen RNA, die als Indikator für die Replikation dient. Die Ergebnisse zeigten, dass unter bestimmten Bedingungen die Signale für Infektion und Replikation stark unterdrückt wurden. Besonders bei Bedingungen um 7,5 MHz war die Wirkung stark, und bei Wildtyp-SARS-CoV-2 verschwanden die Virusantigen- und Replikationssignale fast vollständig.

Hier ist jedoch Vorsicht geboten. Diese Forschung befindet sich hauptsächlich im in vitro-Stadium, also in Experimenten mit Reagenzgläsern und Zellkulturen. Ob Viren im menschlichen Körper tatsächlich gezielt zerstört werden können und ob Ultraschall sicher und ausreichend an Viren in der Lunge, den Nasenhöhlen, dem Blut oder tief im Gewebe abgegeben werden kann, muss noch untersucht werden.

Es ist zu früh, um zu schließen, dass „COVID-19 und Influenza mit Ultraschall behandelt werden können“. Derzeit sollte man es als „Möglichkeit, dass Ultraschall unter bestimmten Bedingungen Viruspartikel physikalisch zerstören und die Infektiosität verringern könnte“ verstehen.

Warum werden nur Viren zerstört, während Zellen weniger betroffen sind?

Der Grund, warum diese Forschung Aufmerksamkeit erregt, liegt nicht nur darin, dass Viren zerstört wurden. Wenn starke Energie angewendet wird, können viele Dinge zerstört werden. Die Frage ist, ob Viren gezielt angegriffen werden können, während Schäden am menschlichen Körper vermieden werden.

Laut dem Forschungsteam liegt der Schlüssel in der „Form“ und „Größe“. Sphärische Hüllenviren absorbieren Ultraschallenergie bestimmter Frequenzen leicht. Die Schallenergie sammelt sich im Inneren der Partikel an, und mechanischer Stress baut sich in der äußeren Hülle oder der Membran auf. Infolgedessen verformen sich die Viruspartikel, reißen und verlieren die für die Infektion notwendige Struktur.

Andererseits sind Wirtszellen viel größer als Viren und haben eine andere Struktur, weshalb sie in derselben Schallumgebung die Energie nicht so leicht absorbieren können. In der Studie wird betont, dass es sich nicht um einen Mechanismus handelt, bei dem Blasen wie bei der Niedrigfrequenzkavitation kollabieren und die Umgebung wahllos beschädigen, sondern um einen nicht-thermischen und nicht-chemischen Mechanismus der Resonanz im MHz-Bereich.

Um jedoch zu behaupten, dass „Zellen überhaupt nicht betroffen sind“, sind weitere Untersuchungen mit verschiedenen Zelltypen, Geweben, Tiermodellen und letztlich klinischen Studien erforderlich. Wenn man an eine medizinische Anwendung denkt, gibt es viele Punkte zu überprüfen, wie Frequenz, Leistung, Bestrahlungszeit, Bestrahlungsort, Dämpfung im Gewebe, Wärmeentwicklung und Auswirkungen auf die Immunantwort.

Könnte es auch gegen Mutationen wirksam sein?

Ein Punkt, auf den die Forscher hoffen, ist, dass diese Methode nicht von der genetischen Sequenz des Virus, sondern von seiner physikalischen Form abhängt.

Antivirale Medikamente zielen häufig auf Enzyme oder spezifische Proteine des Virus ab. Daher kann sich ihre Wirksamkeit verringern, wenn sich das Ziel durch Mutationen verändert. Auch bei Impfstoffen kann die Veränderung der erkannten Stellen durch das Immunsystem die Infektionsprävention verringern.

Im Gegensatz dazu nutzt die physikalische Zerstörung durch akustische Resonanz die großen strukturellen Merkmale, dass Viren kugelförmige Partikel sind und eine Hülle besitzen. Theoretisch könnte die Wirkung erhalten bleiben, solange sich die physikalischen Eigenschaften des gesamten Partikels nicht erheblich ändern, selbst wenn ein Teil des Spike-Proteins mutiert.

Allerdings zeigt die Studie auch, dass es Unterschiede in der Empfindlichkeit zwischen dem Wildtyp, der Gamma-Variante und der Delta-Variante von SARS-CoV-2 gab. Besonders bei der Gamma- und Delta-Variante wurden unter bestimmten Bedingungen verbleibende Signale festgestellt, was darauf hindeutet, dass optimale Frequenzbedingungen wichtig sind. Daher sollte man es eher als „die optimalen Bedingungen könnten sich je nach Variante ändern“ verstehen, anstatt es als „universell unabhängig von Mutationen“ zu betrachten.

Abstand zur bestehenden medizinischen Ultraschalltechnologie

Medizinischer Ultraschall wird häufig bei Schwangerschaftsvorsorgeuntersuchungen sowie bei Untersuchungen des Herzens, des Bauches und der Blutgefäße eingesetzt. Es ist eine nicht-invasive Bildgebungstechnologie, die keine Strahlung verwendet und daher vertraut ist. Daher könnte man hoffen, dass „bereits im Krankenhaus vorhandene Geräte zur Virusbehandlung verwendet werden können“.

Allerdings sind die Diagnose und die gezielte Abgabe von Energie an einen bestimmten Ort zu Behandlungszwecken zwei verschiedene Dinge. Diagnostischer Ultraschall ist darauf ausgelegt, Bilder zu erhalten, und nicht darauf optimiert, die resonante Zerstörung von Viruspartikeln zu Behandlungszwecken stabil zu induzieren. Um die in der Forschung verwendeten Bedingungen im komplexen Gewebe des menschlichen Körpers zu reproduzieren, sind wahrscheinlich spezielle Geräteentwürfe und Bestrahlungsprotokolle erforderlich.

Darüber hinaus befinden sich bei Atemwegsinfektionen Viren an mehreren Stellen wie Nasenhöhle, Rachen, Atemwege und Lunge. Da die Lunge viel Luft enthält, ist die Übertragung von Ultraschall schwierig. Wenn Energie an tiefes Gewebe abgegeben wird, müssen auch die Auswirkungen auf das umliegende Gewebe und die Wärmeakkumulation sorgfältig bewertet werden.

Dennoch hat das Konzept einer physikalischen antiviralen Strategie großen Reiz. Es könnte weniger wahrscheinlich sein, dass es zu Arzneimittelresistenzen führt, keine Chemikalien verwendet und möglicherweise nicht von spezifischen Virusproteinen abhängt. Forscher führen auch Tests an anderen Hüllenviren wie Dengue, Chikungunya und Zika durch.

Erwartungen und Kritik in den sozialen Medien

Diese Nachricht wurde auch auf Reddit in den Foren r/science und r/Futurology behandelt. Die Reaktionen zeigen eine Mischung aus wissenschaftlicher Erwartung, dem Humor der sozialen Medien und vorsichtigen Fragen.

Hervorzuheben ist zunächst die Erwartung: „Könnte dies wirklich zu einer Behandlung führen?“ Die Entwicklung antiviraler Medikamente erfordert Zeit und Kosten, und ihre Wirksamkeit kann durch Virusmutationen beeinträchtigt werden. Daher ist das Interesse an einem physischen Ansatz, der sich von Medikamenten unterscheidet, natürlich. Besonders, da es sich um COVID-19 und Influenza handelt, zwei häufige Infektionskrankheiten, sehen einige dies als potenziell neue Option für Atemwegsviren in der Zukunft.

Gleichzeitig wurden in den Kommentaren sofort technische Fragen aufgeworfen. Zum Beispiel gab es die Frage „Was ist die Frequenz?“, und es gab Reaktionen, die sich auf die im Abstract der Studie genannten Bedingungen von 3–20 MHz und die starke Wirkung um 7,5 MHz konzentrierten. Dies ist ein sehr wichtiger Aspekt. Auch wenn man von Ultraschall spricht, unterscheiden sich die Wirkmechanismen und die Sicherheit von Niedrigfrequenz-Reinigungsultraschall und hochfrequentem medizinischem Ultraschall, der der medizinischen Bildgebung ähnelt.

Es gab auch Witze wie „Muss ich jedes Mal, wenn ich Grippe habe, in die Berge gehen, um zu trainieren?“. Dies liegt daran, dass der Ausdruck, Viren mit Schall oder Schreien zu zerstören, an das „Shouting“ in Spielen oder Fantasy erinnert. Wenn wissenschaftliche Nachrichten in sozialen Medien verbreitet werden, können solche Metaphern das Verständnis erleichtern, aber auch Missverständnisse hervorrufen. Tatsächlich handelt es sich nicht um eine Geschichte, bei der Viren durch Stimmen oder Musik zerstört werden, sondern um eine Studie, die kontrollierten Ultraschall mit spezifischer Frequenz, Leistung und Bestrahlungszeit verwendet.

Darüber hinaus ist in medizinischen und wissenschaftlichen Gemeinschaften eine nüchterne Sichtweise wichtig, dass „dies noch im in vitro-Stadium ist“. Es gibt einen großen Unterschied zwischen der Anwendung von Ultraschall auf eine Virensuspension in einem Reagenzglas und der sicheren Erzielung derselben Wirkung an Infektionsstellen im menschlichen Körper. Auch die Reaktionen in den sozialen Medien zeigen nicht nur einfache Anerkennung, sondern eher „interessant, aber es gibt noch einen langen Weg zur klinischen Anwendung“.

Diese Forschung sollte eher als „neuer Ansatz“ denn als übermäßige Erwartung betrachtet werden

Diese Forschung stellt keine sofort einsatzbereite Behandlungsmethode vor. Es bedeutet nicht, dass Menschen, die mit COVID-19 oder Influenza infiziert sind, durch eine Ultraschalluntersuchung geheilt werden. Es bedeutet auch nicht, dass Haushalts-Ultraschallgeräte oder Schönheitsgeräte zur Behandlung von Infektionen verwendet werden können.

Vielmehr ist der wichtige Punkt, dass ein neuer Ansatz zur „physikalischen Zerstörung“ von Viren aufgezeigt wurde. Bisher konzentrierten sich die Maßnahmen gegen Viren auf biologische, chemische und öffentliche Gesundheitsmethoden wie Impfstoffe, antivirale Medikamente, Desinfektion, Belüftung, Masken und Immunregulation. Nun könnte ein physikalischer Ansatz hinzukommen, bei dem Viruspartikel durch präzise abgestimmte Schallwellen zerstört werden.

Sollten in Zukunft sichere Bestrahlungsbedingungen für bestimmte Viren etabliert werden, könnte dies zu einer unterstützenden Therapie an lokalen Infektionsstellen, zur fortschrittlichen Sterilisation medizinischer Geräte, zur Behandlung von Proben aus Blut oder Körperflüssigkeiten oder zu neuen Behandlungsstrategien in Kombination mit Medikamenten führen.

Allerdings gibt es hohe Hürden für die Anwendung am menschlichen Körper. Im Körper schweben Viren nicht allein, sondern sind in Zellen, Schleim, Blut, Immunbestandteilen und Gewebestrukturen eingebettet. Es ist notwendig, Bedingungen zu finden, die genügend Energie an die Viren liefern, ohne das umliegende Gewebe zu schädigen. Darüber hinaus erfordern akute Infektionen mit hoher Viruslast, latente Infektionen, chronische Infektionen und systemische Infektionen jeweils unterschiedliche Bestrahlungsmethoden.

Wie weit wird die „Medizin des Klangs“ gehen?

Ultraschall wird bereits nicht nur zur Diagnose, sondern auch zur Behandlung in der Medizin eingesetzt. Anwendungen umfassen die Zertrümmerung von Steinen, fokussierte Ultraschalltherapie, Tumoranwendungen und die Unterstützung der Arzneimittelabgabe. Diese Forschung hat das neue Thema „gezieltes Anvisieren von Viruspartikeln“ in diese Richtung gesetzt.

Interessant ist, dass aufgrund der geringen Größe von Viren bisher angenommen wurde, dass eine Wechselwirkung mit Ultraschall unwahrscheinlich ist. Die Wellenlänge von Ultraschall ist viel länger als die von Viruspartikeln. Dennoch wurde gezeigt, dass kugelförmige Partikel Energie absorbieren und durch interne Vibrationen strukturell zusammenbrechen können. Hier liegt die interessante Schnittstelle zwischen Physik und Virologie.

Die Richtung, in die diese Forschung gehen sollte, ist klar. Erstens, zu untersuchen, ob ähnliche Effekte bei einer größeren Anzahl von Virenarten auftreten. Zweitens, die Sicherheit in verschiedenen menschlichen Zell- und Gewebemodellen zu überprüfen