Računalniški modeli omogočajo novo razumevanje bolezni srpastih celic

Anonim

Računalniški modeli, ki so jih razvili matematiki Brown University, kažejo nove podrobnosti o tem, kaj se dogaja v rdečih krvnih celicah, ki jih je prizadela bol srptoma. Raziskovalci so menili, da upajo, da bodo njihovi modeli, opisani v članku Biophysical Journal, pomagali pri ocenjevanju strategij boja proti genetski krvni motnji, ki prizadene milijone ljudi po vsem svetu.

Bolezen srčnih celic prizadene hemoglobin, molekule znotraj rdečih krvnih celic, odgovornih za prevoz kisika. V normalnih eritrocitih se hemoglobin enakomerno razprši po celotni celici. V srpastih rdečih krvnih celicah se lahko mutirani hemoglobin polimerizira, kadar je prikrajšan za kisik, in se sestavlja v dolga polimerna vlakna, ki potiskajo proti membranam celic in jih silijo izven oblike. Trdne, slabo oblikovane celice se lahko pojavijo v majhnih kapilarah po telesu, kar vodi do bolečih epizod, znanih kot kriza srpastih celic.

"Cilj našega dela je modeliranje tako oblikovanja teh srpastih vlaken hemoglobina kot tudi mehanskih lastnosti teh vlaken, " je dejal Lu Lu, doktorat znanosti. študentka Brown Department of Applied Mathematics in vodilni avtor študije. "Za vsako od teh stvari, ki smo jih posamezno razvili, so bili ločeni modeli, to pa združuje v en celovit model."

Model uporablja podrobne biomehanske podatke o tem, kako se srpne molekule srca obnašajo in se vežejo med seboj, da simulirajo sestavo polimernega vlakna. Pred tem delom je bila težava v tem, da raste vlakno, prav tako pa količina podatkov, ki mora model krčiti. Modeliranje celotnega polimernega vlakna v celični lestvici z uporabo podrobnosti vsake molekule je bilo preprosto preveč računsko drago.

"Tudi najhitrejši superračunalniki na svetu tega ne bi mogli rešiti, " je povedal George Karniadakis, profesor matematike pri Brownu in višji avtor. "Obstaja le preveč dogaja in nobenega načina, da bi vse to ujeli, računsko. To smo lahko premagali s tem delom."

Rešitev raziskovalcev je bila uporabiti tisto, kar imenujemo shema mezoskopske adaptivne ločljivosti ali MARS. Model MARS izračuna podrobno dinamiko vsake posamezne molekule hemoglobina samo na vsakem koncu polimernih vlaken, kjer se v vlakna vnesejo nove molekule. Ko so ugotovili štiri plasti vlaken, model samodejno izbere ločljivost, na kateri predstavlja ta razdelek. Model ohranja pomembne informacije o tem, kako se vlakna obnašajo mehanično, vendar glosi nad finimi detajli vsake sestavne molekule.

"Z odpravo finih podrobnosti, kjer jih ne potrebujemo, razvijamo model, ki lahko simulira celoten proces in njegove učinke na rdečo krvno celico, " je dejal Karniadakis.

Z uporabo novih simulacij MARS so raziskovalci lahko pokazali, kako različne konfiguracije rastočih polimernih vlaken lahko proizvedejo celice z različnimi oblikami. Čeprav je bolezen dobila svoje ime, ker povzroča veliko rdečih krvnih celic na srbi podobni obliki, dejansko obstajajo številne nenormalne oblike celic, ki so prisotne. Ta novi modelski pristop je pokazal nove podrobnosti o tem, kako različne strukture vlaken v celici proizvajajo različne oblike celic.

"Mi lahko izdelamo polimerizacijski profil za vsako od tipov celic, povezanih z boleznijo, " je dejal Karniadakis. "Zdaj je cilj, da uporabite te modele, da iščete načine za preprečevanje nastajanja bolezni."

Na trgu je samo ena droga, ki jo je odobrila FDA za zdravljenje srpastih celic, pravi Karniadakis. Zdi se, da to zdravilo, imenovano hidroksiurea, deluje tako, da poveča količino hemoglobina ploda - vrsto hemoglobina, s katerim se otroci rodi - v pacientovi krvi. Fetalni hemoglobin je odporen na polimerizacijo in, če je prisoten v zadostni količini, naj bi motil polimerizacijo srpastega hemoglobina.

Z uporabo teh novih modelov lahko Karniadakis in njegovi sodelavci vodijo simulacije, ki vključujejo fetalni hemoglobin. Te simulacije bi lahko pomagale potrditi, da plodni hemoglobin resnično ovira polimerizacijo in pomaga določiti, koliko fetalnega hemoglobina je potrebno. To bi lahko pomagalo pri oblikovanju boljših smernic za odmerjanje ali pri razvoju novih in učinkovitejših zdravil, pravijo raziskovalci.

"Modeli nam ponujajo način za predhodno testiranje novih pristopov k preprečevanju te bolezni, " je dejal Karniadakis. "Zdaj, ko lahko simulira celoten polimerizacijski proces, menimo, da bodo modeli veliko bolj uporabni."

menu
menu