Математики рассчитали, какое количество иммунных клеток способно предотвратить развитие ВИЧ

19.06.2019



Созданная российскими исследователями в сотрудничестве с коллегами из Испании и Швеции математическая модель предсказывает по данным о подвижности иммунных Т-клеток, сколько их должно быть в лимфоузле, чтобы блокировать распространение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). В будущем с помощью подобных моделей можно будет проводить компьютерные эксперименты по разработке вакцин и лекарств от инфекционных болезней. Работа опубликована в Frontiers In Immunology. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.

«С помощью нашей модели мы впервые смогли предсказать, сколько должно быть нацеленных на уничтожение ВИЧ Т-клеток, чтобы с учетом их реальной подвижности они могли остановить распространение вируса. Как и любая модель, наша не учитывает многих других факторов, но позволяет определить минимальное требование, которое должно учитываться при разработке вакцин против ВИЧ», — подчеркнул ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики имени Г. И. Марчука РАН, руководитель проекта Геннадий Бочаров.

На математических моделях сегодня изучают работу многих сложных систем — от глобальных рынков и нефтегазовых залежей до белковых молекул. На компьютере можно создать симуляцию и иммунной системы человека и животных. Ее единая модель позволила бы предсказывать действие лекарств до клинических испытаний и детально исследовать ход заболеваний без дополнительных лабораторных экспериментов. Но большинство созданных в иммунологии моделей описывает отдельные процессы, а не систему в целом. В последнем случае необходимо учитывать биологические эффекты на всех уровнях: клеток, органов и организма.  

Ядром будущей целостной модели должны стать математические описания движения иммунных клеток в 3D-пространствах органов и тканей. Российские исследователи из Института вычислительной математики имени Г. И. Марчука РАН построили такую модель для передвижений Т-лимфоцитов внутри лимфатического узла. Для расчетов выбрана область в так называемой паракортикальной зоне лимфоузла, где сконцентрировано особенно много T-клеток. Модель основана на базовых физических принципах. Каждый из рассматриваемых в ней более чем 12 тысяч Т-лимфоцитов движется под влиянием приложенных к нему сил согласно второму закону Ньютона: произведение ускорения на массу тела равно сумме действующих на него сил. Математики рассчитали параметры этих сил по реальным экспериментальным данным из опубликованных иммунологических исследований. Движение каждого Т-лимфоцита в модели зависит как от его активной внутренней подвижности, так и от взаимодействий с другими клетками, а также от силы трения в вязкой среде лимфоузла. 

Ученые применили модель, чтобы выяснить, как подвижность лимфоцитов влияет на их способность находить и уничтожать зараженные ВИЧ клетки. Исследования экспериментальных вакцин показывают, что эффективность иммунного ответа на вирус зависит от количества «настроенных» на борьбу с ним, то есть эффекторных антиген-специфических к ВИЧ, CD8+ Т-лимфоцитов в лимфоузлах. Но сколько именно их должно быть, чтобы все зараженные клетки были обнаружены, экспериментально определить не удавалось. 

Математическая модель позволила воспроизвести распространение заражения in silico, то есть в компьютерном эксперименте. До того как зараженные ВИЧ клетки выпускают вирусные частицы, проходит от 18 до 24 часов. Выяснилось, что если 5% от всех CD8+ Т-лимфоцитов в лимфоузле — эффекторные, антиген-специфические к ВИЧ, и их подвижность в норме, то зараженные клетки будут обнаружены меньше чем за 18 часов. Однако вирусная инфекция снижает подвижность лимфоцитов за счет разрастания соединительной ткани в лимфоузлах. И если она снижена наполовину, то с вероятностью более 50% CD8+ Т-лимфоциты не успеют остановить распространение вируса. Это означает, что будущие вакцины против ВИЧ должны формировать более чем 5% антиген-специфических к вирусу CD8+ Т-лимфоцитов и обеспечивать их нормальную подвижность. 

«В дальнейшем нашу модель можно адаптировать для исследования других инфекционных заболеваний. Механизм миграции клеток под влиянием сил, которые обеспечивают их автономное движение, и межклеточных взаимодействий достаточно универсален, — подчеркнул Геннадий Бочаров. — Но для каждой конкретной инфекции некоторые параметры модели нужно будет уточнять по соответствующим экспериментальным и клиническим данным. Кроме инфекционных заболеваний, модель может быть полезна и в изучении злокачественных опухолей». 

В исследовании также участвовали ученые из Московского физико-технического института, Российского университета дружбы народов, Института проблем машиноведения РАН, Уппсальского университета (Швеция) и Университета Помпеу Фабра (Испания). 

(jpg, 1 Мб)

Картинка. Слева: начальная конфигурация компьютерного эксперимента по моделированию движения иммунных клеток в лимфоузле. Справа: пример траекторий движения 15 случайно выбранных лимфоцитов в течение 5 часов. Источник: Геннадий Бочаров.

Пресс-служба Российского научного фонда


Подразделы

Объявления

©РАН 2019