Hiv: neues mathe-modell kann helfen, stämme für die entwicklung von impfstoffen vorherzusagen


Hiv: neues mathe-modell kann helfen, stämme für die entwicklung von impfstoffen vorherzusagen

Eine große Herausforderung bei der Entwicklung eines HIV-Impfstoffs ist die Tatsache, dass sich das Virus kontinuierlich weiterentwickelt, und es ist sehr schwierig vorherzusagen, welche Richtung es nehmen wird. Nun zeigt eine neue Studie, wie Ideen aus zwei disparaten Feldern - Aktienkursvorhersage und Partikeldiffusion in Flüssigkeiten - helfen können. Inspiriert durch das Finanzmodell, entwickeln die Forscher ein Diffusions-basiertes Werkzeug, das genau voraussagte, wie sich ein HIV-Oberflächenprotein in einer Patientenpopulation über 30 Jahre entwickelt hat.

Eine große Herausforderung für HIV-Impfstoff-Entwickler ist die Tatsache, dass sich das Virus kontinuierlich weiterentwickelt.

Die Forschung ist die Arbeit eines Teams von der Carver College of Medicine an der University of Iowa in Iowa City und ist in der Zeitschrift veröffentlicht PLOS Biologie .

HIV breitet sich durch den Austausch von bestimmten Körperflüssigkeiten wie Blut, Samen und Vaginalsekreten aus. Es kann sich auch über die Muttermilch ausbreiten. Sobald es in den Körper eintritt, greift HIV das Immunsystem an und zielt insbesondere auf T-Zellen.

Wenn unbehandelt, führt HIV auf Zerstörung T-Zellen, allmählich schwächt die Fähigkeit des Körpers, sich gegen Infektion und Krankheit zu verteidigen. Schließlich geht es zu einem fortgeschrittenen Stadium der Infektion bekannt als AIDS.

Nach der Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat HIV mehr als 70 Millionen infiziert und behauptete das Leben von rund 35 Millionen Menschen weltweit.

Seit Beginn der AIDS-Epidemie in den 1980er Jahren wurden in den Vereinigten Staaten mehr als 1,2 Millionen Menschen mit der Krankheit diagnostiziert.

Es gibt derzeit keine wirksame Heilung oder Impfung für HIV oder AIDS, aber mit der richtigen medizinischen Versorgung in Form einer antiretroviralen Therapie kann die Infektion kontrolliert werden.

Eine Person, die heute mit HIV diagnostiziert wird, die eine angemessene medizinische Versorgung erhält, bevor die Krankheit zu weit fortgeschritten ist, kann erwarten, dass sie fast so lange und produktiv ein Leben als eine Person leben, die nicht das Virus hat.

Virusentwicklung entwickelt die Impfstoffentwicklung

Bei der Entwicklung eines HIV-Impfstoffs versuchen die Forscher im Wesentlichen, ein sicheres Werkzeug zu machen, das das Virus nachahmt, so dass das Immunsystem des Patienten lernt, wie man das echte erkennen und angreifen kann.

Doch als Hillel Haim, hochrangiger Autor des neuen Studien- und Assistenzprofessors für Mikrobiologie, erklärt: "HIV ist ein hochdynamisches Virus, das sich sowohl in einem infizierten Individuum als auch in der Folge in der größeren Bevölkerung kontinuierlich ändert."

Also, fügt er hinzu, die Herausforderung für Impfstoff-Entwickler ist: "Wie können Sie einen Impfstoff entwerfen, um ein bewegendes und kontinuierlich wechselndes Ziel zu treffen?"

Das "bewegte Ziel", das Prof. Haim und Kollegen in ihrer Studie untersucht haben, ist ein Protein, das auf der Oberfläche von HIV sitzt, genannt das Hüllglykoprotein (Env).

Die schnelle Mutation von Env ist der Haupt-Stolperstein für Versuche, einen HIV-Impfstoff zu entwickeln. Um Fortschritte zu machen, müssen Impfstoff-Entwickler einen Weg finden, um das Virus im Laufe der Zeit zu antizipieren und anzupassen. Sie müssen wissen, welche Env-Varianten in der Bevölkerung aktuell sind und dann vorherzusagen, wie sie sich ändern werden.

Für ihre Studie nutzten Prof. Haim und Kollegen Blutproben, die von Hunderten von Patienten gesammelt wurden, die an einer HIV-Klinik in Iowa City teilnahmen, die in den 1980er Jahren eröffnet wurde. Die Klinik hat seit mehr als 30 Jahren Proben gesammelt.

Das Team analysierte sorgfältig Hunderte von Env-Proteinen in den Proben und konzentrierte sich insbesondere auf die Integrität von spezifischen Strukturen im Protein. Prof. Haim sagt, dass die Veränderungen ihn an Muster erinnern, die auftreten, wenn Viren zufällig durch Flüssigkeiten diffundieren - was er Jahre zuvor studiert hatte.

Diffusionsmodell, inspiriert von der Idee der Volatilität

An dieser Idee der Partikeldiffusion hielten die Forscher dann die Env-Strukturen genauer an, um zu sehen, ob sie irgendwelche anderen Hinweise aufgreifen könnten.

Sie sahen die Eigenschaften von Envs in verschiedenen Viren in der gleichen Blutprobe an. Das bemerkte, dass, während einige sehr viel geändert, andere blieben weitgehend ähnlich.

Sie nannten diese Variation in Env Eigenschaften "Volatilität" und weitere Untersuchung ergab, dass die Volatilität der einzelnen Merkmale der Env-Struktur war sehr ähnlich bei Proben von verschiedenen Patienten.

Finanzmodelle der Börse nutzen auch das Konzept der Diffusion und Volatilität. Die Forscher fanden heraus, dass die Volatilität charakteristisch für eine Env-Eigenschaft war ähnlich wie die kleinen Schwankungen oder Volatilität des Preises in einem bestimmten Bestand beobachtet.

Inspiriert durch die Idee der Volatilität bei der Modellierung der Aktienkurse, entwickelten die Forscher dann ein neues Diffusions-basiertes Modell und wandten es an die Blutproben an. Sie merken, wie es die Evolution von HIV-Env-Proteinen effizient beschrieben hat:

"Durch die Verwendung von Volatilitäten, die von wenigen Patientenproben aus den 1980er Jahren gemessen wurden, werden die Eigenschaften von Viren, die sich in der Bevölkerung im Laufe von 30 Jahren entwickelt haben, genau voraussagen."

Die Forscher schlagen vor, dass dies bedeutet, dass nur das Testen einiger HIV-Patienten möglicherweise genügend Informationen geben, um Virusänderungen so gut vorauszusagen, dass Impfstoffe den jeweiligen HIV-Stämmen insbesondere Populationen entsprechen können.

Nur wenn die Leute sich fragen, wie die Unberechenbarkeit der Finanzmärkte diese Forschung informieren kann, schließt Prof. Haims:

Zum Glück, relativ zu den Finanzmarktmodellen, die diese Arbeit inspirierten, sind unsere Vorhersagen von Veränderungen in HIV bemerkenswert genau, aufgrund der hochkonservierten Natur der Zufälligkeit in diesem Virus."

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