Modelo matemático para impedir el progreso del VIH

Izquierda: la configuración inicial de un experimento computacional para simular el movimiento de células inmunes en un ganglio linfático. Derecha: un ejemplo de las trayectorias del movimiento de 15 linfocitos seleccionados al azar en las 5 horas. Fuente: Gennady Bocharov.

Un equipo internacional de investigadores ha utilizado datos sobre la movilidad de las células T del sistema inmune para diseñar un modelo matemático con el fin de predecir cuántas deben estar presentes en un ganglio linfático para bloquear el progreso del Virus de Inmunodeficiencia Humana (VIH).

 

UPF / El estudio ha sido dirigido por investigadores rusos en el Instituto Marchuk de Matemáticas Numéricas de la Academia de Ciencias de Rusia y ha participado Andreas Meyerhans, profesor de investigación ICREA en la UPF.

En el futuro, un modelo de este tipo permitirá a los científicos realizar experimentos computacionales para desarrollar vacunas y medicamentos para enfermedades infecciosas. Los resultados de la investigación han sido publicados en Frontiers in Immunology y han contado con el apoyo de la Russian Science Foundation.

En el futuro, un modelo de este tipo permitirá a los científicos realizar experimentos computacionales para desarrollar vacunas y medicamentos para enfermedades infecciosas

“Este modelo nos permitió pronosticar cuántas células T que destruyen el VIH deben existir para que estas células, considerando su movilidad, puedan detener la propagación del virus. Como cualquier otro modelo, el nuestro ignora muchos factores, pero permite determinar qué debemos tener en cuenta cuando trabajamos en una vacuna contra el VIH”, dijo Gennady Bocharov, coordinador del estudio.

Los científicos utilizan modelos matemáticos para explorar el funcionamiento de muchos sistemas complejos, desde los mercados globales hasta las reservas de petróleo y gas o las moléculas de proteínas. Un modelo computacional puede proporcionar una simulación del funcionamiento de los sistemas inmunes humanos y animales. Un modelo único de este tipo permitiría predecir el efecto de los medicamentos antes de los ensayos clínicos y realizar un examen exhaustivo del curso de la enfermedad sin experimentos de laboratorio adicionales. La mayoría de los modelos que existen en inmunología se centran en procesos separados, en lugar de en un sistema en su conjunto. Un estudio del sistema completo requiere tener en cuenta los efectos biológicos a todos los niveles: células, órganos y el organismo en su conjunto.

 

Movimiento de las células inmunes en espacios 3D

Las descripciones matemáticas del movimiento de las células inmunes en espacios 3D de órganos y tejidos deben convertirse en el núcleo de este modelo integrado. Investigadores rusos han creado un modelo de este tipo para los movimientos de linfocitos T dentro de un ganglio linfático. Para los cálculos, han seleccionado un espacio en la llamada zona paracortical de un ganglio linfático donde se concentra una cantidad particularmente grande de células T.

El modelo se basa en los principios básicos de la física

El modelo se basa en los principios básicos de la física. Cada uno de los más de 12 mil linfocitos T estudiados se mueve bajo la influencia de fuerzas que actúan sobre ellos de acuerdo con la Segunda Ley de Newton: el producto de la velocidad por la masa es igual a la suma de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. Los matemáticos han calculado los parámetros de estas fuerzas sobre la base de los resultados de estudios inmunológicos publicados.

El movimiento de cada linfocito T en el modelo depende de su movilidad interna activa y de sus interacciones con otras células, así como de la fuerza de fricción en el medio viscoso de un ganglio linfático.

Los científicos han recurrido al modelo para establecer cómo la motilidad de los linfocitos afecta a su capacidad para detectar y destruir las células infectadas por el VIH. Los estudios de vacunas experimentales demuestran que la efectividad de la respuesta inmune al virus depende del número de efectores específicos para el antígeno del VIH, los linfocitos T CD8 + en los ganglios linfáticos. Pero hasta hace poco, los científicos no podían determinar cuántos de estos linfocitos debe haber para detectar todas las células infectadas.

El modelo matemático ha permitido reproducir la propagación de la infección in silico, es decir, en un experimento computacional

El modelo matemático ha permitido reproducir la propagación de la infección in silico, es decir, en un experimento computacional. Son necesarias entre 18 y 24 horas para que las células infectadas por el VIH liberen partículas virales. Por ello, si el 5% de todos los linfocitos T CD8 + en el ganglio linfático son efectores, específicos para antígeno del VIH y su movilidad es normal, las células infectadas se detectarán en menos de 18 horas.

Sin embargo, la infección viral reduce la movilidad de los linfocitos debido al crecimiento del tejido conectivo en los ganglios linfáticos. Y si esta movilidad se reduce a la mitad, hay más del 50% de probabilidad de que los linfocitos T CD8 + no tengan tiempo para detener la propagación del virus. Esto significa que las futuras vacunas contra el VIH deberían conseguir más del 5% de los linfocitos T CD8 + específicos del antígeno y garantizar su movilidad normal.

En el futuro, nuestro modelo se puede adaptar para el estudio de otras enfermedades infecciosas

“En el futuro, nuestro modelo se puede adaptar para el estudio de otras enfermedades infecciosas. El mecanismo de la migración celular bajo la influencia de fuerzas que aseguran su movimiento autónomo y el mecanismo de interacción intercelular son bastante universales, dijo Gennady Bocharov. – “Pero cada infección específica requerirá que se ajusten algunos parámetros del modelo, utilizando datos clínicos y experimentales apropiados. Además de las enfermedades infecciosas, el modelo puede ser útil en el estudio de tumores malignos “.

Han participado también en la investigación científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, la Universidad de Rusia de la Amistad de los Pueblos, el Instituto de Ingeniería Mecánica de la Academia de Ciencias de Rusia y la Universidad de Uppsala (Suecia).

Referencia bibliográfica: 
Grebennikov Dmitry, Bouchnita Anass, Volpert Vitaly, Bessonov Nikolay, Meyerhans Andreas, Bocharov Gennady. Spatial Lymphocyte Dynamics in Lymph Nodes Predicts the Cytotoxic T Cell Frequency Needed for HIV Infection Control. Frontiers in Immunology, June 2019. DOI: 10.3389/fimmu.2019.01213.    

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