Matematiker foreslår model, der beskriver virusmutationer

Et team af specialister i matematisk modellering fra RUDN University foreslog en kvalitativ model for virusudvikling og forekomsten af ​​nye stammer. Resultaterne af undersøgelsen kan gøre forudsigelse af virusadfærd mere effektiv og hjælpe med udviklingen af ​​nye antivirale lægemidler. Artiklen blev publiceret i tidsskriftet Matematik .

Interaktionen mellem en virus og en menneskelig krop er et meget komplekst fænomen, der kan reduceres til to processer:en virus formerer sig i værtsceller, og organismen modstår infektionen ved hjælp af immunresponset. Et nærmere kig på en virusinfektion viser, at vira konkurrerer om værtsceller, forandring under påvirkning af antivirale lægemidler, og muterer under dets replikation. De kan udvikle sig med meget høj hastighed ved at modificere gamle eller erhverve nye RNA- eller DNA-sekvenser. På grund af disse og mange andre faktorer, det er svært for biologer at forudsige dynamikken i virusudviklingen, forudse forekomsten af ​​nye stammer, og vurdere deres potentielle modstandsniveauer.

Holdet af Vitaly Volpert, en matematiker fra RUDN University, foreslog en matematisk model, der beskriver udviklingen og diversificeringen af ​​virus-kvasiarter. Modellen viser en dynamisk interaktion mellem replikationen, mutation, og eliminering af en virus. Resultaterne af arbejdet kan yderligere bruges til at forudsige forekomsten af ​​virusstammer, der er i stand til at undgå immungenkendelse og modstå antiviral medicin.

"For at holde det enkelt, modellen viser os, at eksisterende stammer udvikler sig for at reducere konkurrencen mellem vira, at svække viruseliminering ved immunrespons, og at blive mindre følsom over for medicin. Denne tendens fører til forekomsten af ​​lægemiddelresistente stammer, " siger Vitaly Volpert.

I samarbejde med sine kolleger, videnskabsmanden beskrev en virusstamme som en lokaliseret opløsning koncentreret omkring en given genotype. Fremkomsten af ​​nye stammer svarer til en periodisk bølge, der forplanter sig i genotypernes rum. Forekomsten af ​​nye distributionstoppe i processen med bølgeudbredelse falder sammen med forekomsten af ​​nye virusstammer. Holdet beskrev betingelserne for forekomsten af ​​periodiske vandrende bølger og deres dynamik ved at analysere stabiliteten af ​​rumligt homogene stationære løsninger.

Modellen er repræsenteret af en ikke-lokal reaktion-diffusionsligning for virustætheden. Ligningen har to integrerede led, der svarer til de ikke-lokale virkninger af virusinteraktion med værtsceller og immunceller.

Den nye model er kvalitativ og anvendelig til forskellige virusinfektioner. Imidlertid, for bedre at beskrive dynamikken af ​​virus quasispecies, man skal kende deres individuelle funktioner, såsom arten af ​​deres mutationer, interaktion med immunsystemet, og respons på antiviral medicin.

"Ved at bruge vores model, man kan udvikle forskellige metoder til at forhindre spredning af virusinfektioner på tværs af kropsvæv og forekomsten af ​​nye stammer, dvs. udbredelsen i rummet af genotyper. Imidlertid, for at disse tilgange har en praktisk implementering, de bør kombineres med eksperimentelle og kliniske data, " tilføjer Vitaly Volpert.

Modellen har en række begrænsninger, fordi den er baseret på flere forenklinger. Nemlig det tager ikke højde for eksistensen af ​​de mange forskellige immunceller og cytokiner (små informative peptidmolekyler), der deltager i immunresponset, eller komplekse processer med intracellulær regulering og virusreplikation. Imidlertid, disse begrænsninger hjælper forskerne med at bestemme nogle fælles evolutionære træk ved virus-quasispecies, som ville være svære at identificere i en mere kompleks model. Teamets arbejde kan bruges som grundlag for yderligere undersøgelser.