Тип 1 вируса иммунодефицита человека (ВИЧ 1) является причиной международной пандемии СПИДа. По данным Всемирной организации здравоохранения, были заражены больше чем 70 миллионов человек, так как эпидемия началась в 1970-х, и приблизительно 35 миллионов человек умерли от ВИЧ.«ВИЧ – очень динамический вирус.
Это непрерывно изменяется, и в зараженном человеке и, в результате этого, в большем населении», говорит Хаим, доцент микробиологии в Медицинском колледже УИ Карвера и ведущем авторе нового исследования, опубликованного 6 апреля в журнале PLOS Biology. «Когда мы делаем вакцину, мы по существу пытаемся подражать вирусу так, чтобы иммунная система изучила, как признать и напасть на настоящий вирус. Проблема, которую мы пытаемся решить для ВИЧ, состоит в том, как Вы можете проектировать вакцину, чтобы поразить перемещение и непрерывно изменение цели?»Движущаяся цель, к которой обращается Хаим, является гликопротеином конверта (ENV), который сидит на поверхности ВИЧ.
Этот белок часто видоизменяется, приводя к растущему числу огибающих вариантов в населении. Это разнообразие ограничило успех вакцин против ВИЧ, проверенных до настоящего времени. Чтобы сделать вакцину, которая продолжит соответствовать вирусу со временем, производители вакцины должны знать то, что огибающие варианты в настоящее время распространяют в терпеливом населении и быть в состоянии предсказать, как эти белки изменятся.Используя вычислительные аппараты и подходы, которые были вдохновлены математическими моделями, разработанными, чтобы предсказать изменения в курсах акций, Хаим и его команда смогли точно предсказать, как различные свойства огибающего белка развились в населении Айовы в течение 30 лет.
Ключ к работе был уникальным ресурсом, доступным в UI. В 1980-х Джек Стэплтон, преподаватель UI внутренней медицины, основал клинику ВИЧ в Айова-Сити. За десятилетия клиника собрала образцы крови от нескольких сотен пациентов.
Хаим и его коллеги кропотливо изолировали и проанализировали сотни ВИЧ Envs от этих образцов.Они исследовали изменения в структурных свойствах огибающего белка, который произошел в зараженном ВИЧ населении Айовы за прошлые 30 лет. Образцы изменения, он наблюдал Хаима, которому напоминают, своего исследования выпускника, где он изучил случайное движение (распространение) вирусов через жидкости.
«Изучая физический процесс вирусного распространения частицы, я познакомился с тем (математика)», говорит он. «Увеличение масштаба изображения отправляет 10 лет и рассмотрение образцов изменения в вирусных свойствах, я сказал, ‘Ничего себе, что это – распространение!’»Они продолжили исследовать свойства ENV найти подсказки, которые могли предсказать наблюдаемые образцы изменения.
Когда они сравнили Envs различных вирусов, полученных из того же самого образца крови, они нашли, что некоторые свойства относительно подобны, тогда как другие очень переменные. Они назвали это характерное различие «изменчивостью». Изменчивость каждой собственности была очень похожа среди пациентов.
Другая система, где изменчивость измерена и модели распространения, используется, чтобы сделать предсказания, фондовый рынок. Маленькие колебания курса акций часто довольно характерны для конкретного запаса.
И в эволюции ВИЧ и в фондовом рынке, у самой хаотичности есть определенная и часто предсказуемая структура, которая может использоваться, чтобы предсказать, как система разовьется. Основанная на распространении модель, которую команда UI использовала эффективно, описывает эволюцию белков ENV ВИЧ.
«Мы нашли, что колебания огибающих свойств, измеренных от нескольких терпеливых образцов с 1980-х, позволили нам точно предсказывать, как эти свойства вируса развились в населении Айовы в течение 30 лет», говорит Хаим.Способность точно предсказать будущие изменения, проверяя небольшое количество пациентов могла потенциально позволить кроить вакцин к определенным формам ВИЧ, существующего в различном населении во всем мире.
«К счастью, относительно моделей финансового рынка, которые вдохновили эту работу, наши предсказания изменений в ВИЧ удивительно точны из-за высоко сохраненной природы хаотичности у этого вируса», добавляет Хаим.