Самый тимус: цифровая «фабрика» иммунных клеток поможет в борьбе с ВИЧ
Как математическая модель вилочковой железы улучшит лечение и повысит качество жизни пациентов
Команда российских медиков и программистов создала цифровую копию тимуса, или вилочковой железы, — главного органа иммунной системы человека. Разработка поможет рассчитывать его активность в зависимости от возраста пациента, употребления лекарственных препаратов и других факторов. Эксперты отметили, что новое ПО может быть включено в состав более крупных платформ для имитации в электронном виде болезней, связанных с ВИЧ-инфекцией или со старением организма.
«Фабрика» иммунных клеток
Ученые из Сеченовского университета и Института вычислительной математики РАН совместно с зарубежными коллегами создали математическую модель тимуса, или вилочковой железы, — главного органа иммунной системы человека.
Он находится в верхней части грудной клетки и отвечает за производство и «обучение» Т-лимфоцитов — клеток, которые борются с инфекциями в организме, распознавая и уничтожая чужеродные агенты. Эти клетки образуются в костном мозге, после чего поступают в тимус, где происходит их созревание, распределение по типам и обучение. Во время этого процесса они приобретают способность распознавать антигены и реагировать на них соответствующим образом.
По словам ученых, вилочковая железа наиболее активна в детском возрасте. Затем она постепенно уменьшается в размерах и производит всё меньше иммунных клеток. Также на ее работу влияет употребление лекарственных препаратов и различные патологии. Предложенная специалистами модель позволяет имитировать эти процессы и прогнозировать их дальнейшее развитие.
— Алгоритмы, заложенные в программу, дают возможность достоверно предсказывать поведение биологической системы. В частности, наша модель отражает последовательность созревания иммунных Т-клеток и структуру тимуса. Для создания программного комплекса использовались данные, опубликованные в научной литературе, — рассказал «Известиям» руководитель Центра математического моделирования в разработке лекарств Сеченовского университета Кирилл Песков.
Он пояснил, что моделирование процессов, которые влияют на функции вилочковой железы, на следующем этапе поможет ученым разработать методы для улучшения функций этого органа. Также ученые получат возможность оценить воздействие препаратов на тимус и подобрать вещества, которые будут стимулировать производство иммунных клеток.
В дальнейшем, подчеркнул ученый, математическая копия органа может быть использована для построения цифровых двойников.
Также в нее можно интегрировать данные и историю болезни конкретного пациента, что позволяет реализовать принципы персонализированной медицины.
— Созданная нами модель представляет собой аналитическую платформу для прогноза действия лекарств на функцию тимуса при различных патологических состояниях. К примеру, с помощью программы мы сымитировали воздействие на вилочковую железу препарата финголимод (он снижает активность иммунной системы и показан при лечении рассеянного склероза) и получили объяснение, почему у некоторых пациентов уменьшается риск повторного заболевания при отмене терапии, — пояснила младший научный сотрудник Центра математического моделирования в разработке лекарств Сеченовского университета Виктория Кулеш.
По ее словам, математическая симуляция позволит своевременно выявлять возможные негативные последствия для тимуса при приеме тех или иных препаратов и тем самым сократить издержки на проведение доклинических исследований.
В дальнейшем ученые намерены усовершенствовать интерфейс программы, чтобы упростить использование модели в медицинской практике. Также специалисты предполагают расширить базу лекарственных препаратов, действие которых может затрагивать тимус.
Моделирование ВИЧ-инфекции
Эксперты отметили ряд направлений, где может найти применение модель, предложенная учеными.
— Прогноз воздействия лекарств на ткани организма — одна из ключевых задач медицинской науки. Имея качественную имитацию, можно ускорить и удешевить разработку новых препаратов, уменьшив количество экспериментов и сократив путь от идеи до результата, — прокомментировал «Известиям» руководитель проектов лаборатории гибридных интеллектуальных систем МФТИ Алексей Самосюк.
Более того, зачастую именно данные, полученные вычислительными методами, могут подвигнуть ученых к разработке новых препаратов, подчеркнул специалист.
— Т-клетки — это ключевое звено реакций отторжения организмом чужеродных органов и тканей при трансплантации, и с помощью моделирования можно рассчитать необходимое воздействие на тимус для управления процессами созревания этих клеток, — поделился мнением заведующий кафедрой биохимии им. Т.Т. Березова Российского университета дружбы народов имени П. Лумумбы Вадим Покровский.
Таким образом, отметил он, специалисты получают инструменты, чтобы регулировать силу иммунного ответа организма, сохраняя при этом его защитные функции и не допуская отторжения трансплантата.
Ученый добавил, что цифровые методы при разработке фармпрепаратов помогут частично заменить исследования, где требуются животные. Однако цифровые методы в медицине могут столкнуться с неприятием консервативной части врачебного сообщества.
— Версия в том виде, в котором она представлена, пока недостаточно функциональна. Но ее уже можно включать в состав широких (платформенных) математических моделей T-клеточного иммунитета. Например, при разработке цифровой модели развития ВИЧ-инфекции, — прокомментировал гендиректор компании M&S Decisions Юрий Косинский.
Он добавил, что такие модели смогут учитывать влияние воспалений, вызванных ВИЧ, на деградацию тканей тимуса. Эти процессы приводят к гибели зрелых и уменьшению притока новых (наивных) Т-клеток, что способствует ускорению иммунодефицита. В свою очередь, разработка позволит просчитать сценарии протекания болезни и оптимизировать методики ее лечения.
Другой вариант — использовать модель вилочковой железы в составе платформы для изучения динамики рассеянного склероза, который также вносит вклад в деградацию тканей тимуса. Дальнейшее развитие разработки даст возможность точнее описывать и другие болезни, связанные со старением организма, резюмировал эксперт.
