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).
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