Arvuti mudelid pakuvad uut arusaamist sirprakulistest haigustest

Digitark saade [#nutitelefon]: Kuidas hoida oma nutitelefoni (Juuni 2019).

Anonim

Browni ülikooli matemaatikate poolt välja töötatud arvutirakendused näitavad uudiseid, mis juhtub sirprakulise haiguse all kannatavate punavereliblede sees. Teadlased väidavad, et nad loodavad, et nende mudelid, mida on kirjeldatud Biofizikakirjas avaldatud artiklis, aitavad hinnata geneetilises verehäire vastu võitlemiseks kasutatavaid ravimisstrateegiaid, mis mõjutavad miljoneid inimesi kogu maailmas.

Mürgistusrakkude haigus mõjutab hemoglobiini, hapniku transportimise eest vastutavad punaste vererakkude molekule. Tavalistes punastes verelibledes jaotub hemoglobiin kogu rakus ühtlaselt. Hiir-punastes verelibledes võib muteerunud hemoglobiin polümeriseerida, kui puudub hapnik, ühendades end pikkade polümeerkiududega, mis suruvad vastu rakkude membraane, sundides neid kujult välja. Kõvad kehakujulised rakud võivad asetada kogu kehas väiksetele kapillaaridele, põhjustades valulikke episoode, mida nimetatakse sirprakkide kriisiks.

"Meie töö eesmärk on modelleerida nii seda, kuidas need sirp-hemoglobiini kiud moodustavad, kui ka nende kiudude mehaanilisi omadusi, " ütles Lu Lu, Ph.D. üliõpilane Browni rakenduste matemaatika osakonnas ja uuringu juhtiv autor. "Meie jaoks eraldi välja töötatud iseseisvad mudelid on kõik need asjad, kuid see toob need kokku ühe tervikliku mudelini."

Mudel kasutab üksikasjalikke biomehhaanilisi andmeid selle kohta, kuidas sirbi hemoglobiini molekulid käituvad ja seostuvad üksteisega, et simuleerida polümeerkiudude kokkupanekut. Enne seda tööd oli probleemiks see, et kiud kasvab, mistõttu ka andmete hulk, mida mudel peab kukkuma. Kogu polümeerkihi modelleerimine molekulmassil, kasutades iga molekuli üksikasju, oli lihtsalt arvutuslikult kallis.

"Isegi maailma kiireimad superarvutid ei saaks seda hakkama saada, " ütles George Brownidakis, prantsuse ja kirjanduse vanemautori rakendusliku matemaatika professor. "Seal on lihtsalt liiga palju juhtumeid ja pole võimalik seda kõiki arvutatavalt hõivata. Seda me võime selle tööga ületada."

Teadlaste lahendus oli rakendada seda, mida nad nimetavad mesoskoopilise adaptiivseks lahendamise skeemiks või MARS-iks. MARS-mudel arvutab iga üksik hemoglobiini molekuli üksikasjaliku dünaamika ainult polümeerkiudude mõlemas otsas, kus kiudesse värbatakse uusi molekule. Kui kiust on neli kihti loodud, valib mudel automaatselt resolutsiooni, milles see kujutab endast seda sektsiooni. Mudel säilitab olulise teabe selle kohta, kuidas kiud käituvad mehaaniliselt, kuid läikeid iga komponendi molekuli peened detailid ületavad.

"Kaotades üksikasjalikud üksikasjad, kus me neid ei vaja, arendame välja mudeli, mis suudab simuleerida kogu protsessi ja selle toimet punalibledele, " sõnas Karniadakis.

Uute MARS-i simulatsioonide abil suutsid uurijad näidata, kuidas kasvavad polümeerkiudude erinevad koosseisud suudavad toota erineva kujuga rakke. Kuigi haigus saab selle nime, sest see põhjustab paljusid punaste vereliblede võtmist sirpjoonelise kuju, esineb tegelikult mitmeid ebanormaalseid rakukujundeid. See uus modelleerimisviis näitas uusi üksikasju selle kohta, kuidas raku sees olevad kiudstruktuurid tekitavad erinevaid rakukujundeid.

"Me oleme võimelised tootma iga haigustekitusega seotud rakutüübi polümerisatsiooni profiili, " ütles Karniadakis. "Nüüd on eesmärk kasutada neid mudeleid, et otsida võimalusi haiguse puhkemise vältimiseks."

Karniadakis ütleb, et FDA on heaks kiitnud sirprakkude ravimiseks turul ainult ühe ravimi. Arvatakse, et seda ravimit, mida nimetatakse hüdroksüuureaks, suurendab loote hemoglobiini hulka - sellist hemoglobiini, mida lapsed sünnivad patsiendi veres. Loote hemoglobiin on resistentne polümerisatsiooni suhtes ja arvatakse, et kui see esineb piisavas koguses, siis see häirib sirprakkude hemoglobiini polümerisatsiooni.

Nende uute mudelite abil saavad Karniadakis ja tema kolleegid nüüd käivitada simulatsioone, mis sisaldavad loote hemoglobiini. Need simulatsioonid võivad aidata kinnitada, et loote hemoglobiin tõepoolest häirib polümerisatsiooni ja aitab kindlaks teha, kui palju loote hemoglobiini on vaja. See võib aidata paremate annustamisjuhiste koostamisel või uute ja tõhusamate ravimite väljatöötamisel, ütlevad teadlased.

"Mudelid annavad meile võimaluse teha selle haiguse peatamiseks uusi lähenemisviise, " ütles Karniadakis. "Nüüd, kui saame simuleerida kogu polümerisatsiooniprotsessi, arvame, et mudelid on palju kasulikud."

menu
menu