Вирус иммунодефицита человека типа 1 (ВИЧ-1) является причиной всемирной пандемии СПИДа. По данным Всемирной организации здравоохранения, с начала эпидемии в 1970-х годах более 70 миллионов человек были инфицированы, и около 35 миллионов человек умерли от ВИЧ.«ВИЧ — это очень динамичный вирус. Он постоянно меняется как у инфицированного человека, так и, как следствие этого, в большей части населения», — говорит Хаим, доцент микробиологии Медицинского колледжа У.И.
Карвера и старший автор книги. Новое исследование опубликовано 6 апреля в журнале PLOS Biology. «Когда мы делаем вакцину, мы, по сути, пытаемся имитировать вирус, чтобы иммунная система научилась распознавать настоящий вирус и атаковать его. Проблема, которую мы пытаемся решить для ВИЧ, заключается в том, как разработать вакцину, которая поразит движущаяся и постоянно меняющаяся цель? "Движущаяся цель, о которой говорит Хаим, — это гликопротеин оболочки (Env), который находится на поверхности ВИЧ. Этот белок часто мутирует, что приводит к увеличению числа вариантов Env в популяции.
Это разнообразие ограничивает успех протестированных на сегодняшний день вакцин против ВИЧ. Чтобы создать вакцину, которая со временем будет соответствовать вирусу, производителям вакцин необходимо знать, какие варианты Env в настоящее время циркулируют в популяции пациентов, и уметь предсказать, как эти белки изменятся.Используя вычислительные инструменты и подходы, основанные на математических моделях, разработанных для прогнозирования изменений цен на акции, Хаим и его команда смогли точно предсказать, как различные свойства белка Env эволюционировали в населении Айовы в течение 30 лет.Ключом к работе был уникальный ресурс, доступный в пользовательском интерфейсе.
В 1980-х годах Джек Стэплтон, профессор внутренней медицины, основал клинику ВИЧ в Айова-Сити. На протяжении десятилетий в клинике собирали образцы крови у нескольких сотен пациентов.
Хаим и его коллеги кропотливо выделили и проанализировали сотни Env ВИЧ из этих образцов.Они изучили изменения структурных свойств белка Env, которые произошли у ВИЧ-инфицированного населения штата Айова за последние 30 лет. Наблюдаемые им закономерности изменений напомнили Хаиму его дипломное исследование, в котором он изучал случайное движение (распространение) вирусов в жидкостях.
«Изучая физический процесс распространения вирусных частиц, я познакомился с этим (математикой)», — говорит он. «Просматривая 10 лет вперед и глядя на закономерности изменения свойств вируса, я сказал:« Ух ты, это распространение! »»Они приступили к исследованию свойств Env, чтобы найти ключи, которые могли бы предсказать наблюдаемые закономерности изменений. Когда они сравнили Env различных вирусов, полученных из одного и того же образца крови, они обнаружили, что некоторые свойства относительно схожи, тогда как другие сильно различаются. Они назвали эту характерную дисперсию «волатильностью».
Волатильность каждого свойства у пациентов была очень одинаковой.Еще одна система, в которой измеряется волатильность и используются модели распространения для прогнозирования, — это фондовый рынок. Небольшие колебания курса акций часто весьма характерны для той или иной акции.
Как в эволюции ВИЧ, так и на фондовом рынке случайность сама по себе имеет определенную и часто предсказуемую структуру, которую можно использовать для прогнозирования развития системы. Модель, основанная на диффузии, которую использовала команда UI, эффективно описывает эволюцию белков Env ВИЧ.«Мы обнаружили, что изменчивость свойств Env, измеренная на нескольких образцах пациентов из 1980-х годов, позволила нам точно предсказать, как эти свойства вируса эволюционировали в популяции Айовы в течение 30 лет», — говорит Хаим.Возможность точно предсказать будущие изменения путем тестирования небольшого числа пациентов может потенциально позволить адаптировать вакцины к конкретным формам ВИЧ, присутствующим в различных группах населения во всем мире.
«К счастью, по сравнению с моделями финансового рынка, которые вдохновили эту работу, наши прогнозы изменений в ВИЧ удивительно точны из-за высококонсервативной природы случайности в этом вирусе», — добавляет Хаим.