计算机模型可以帮助测试新的镰状细胞药物 2019-08-24 11:56

  普罗维登斯,罗德[布朗大学] - 布朗大学研究小组开发了一种新的计算机模型,模拟红细胞通过镰状细胞病变成畸形的方式。该模型在Science Advances上发表的论文中描述,可用于预防镰刀过程的药物的临床前评估。

  “目前只有两种药物被FDA批准用于治疗镰状细胞病,但它们并不适用于所有人,”陆璐博士说。布朗应用数学系的学生和该研究的共同主要作者。“我们想要建立一个考虑整个镰刀过程的模型,并且可以用来快速,低成本地预筛选新的候选药物。”

  镰状细胞病是一种遗传性疾病,影响着全世界数百万人。这种疾病导致通常柔软和圆形的红细胞变得僵硬,粘稠和镰刀状(有点像新月)。不规则形状的细胞卡在血管中,引起疼痛,肿胀,中风和其他并发症。

  在细胞水平,镰状细胞病影响血红蛋白,血红蛋白是负责输送氧气的红细胞中的蛋白质。当缺氧时,镰状细胞血红蛋白在细胞内聚集在一起。然后,团块形成长聚合物纤维,其推动细胞壁,使细胞变硬并迫使它们变形。

  布朗应用数学教授,新研究的高级作者George Karniadakis多年来一直致力于更好地理解这种疾病。最近,他与Lu和研究教授He Li一起工作,为镰刀过程的每个阶段创建详细的生物物理模型,包括称为OpenRBC的红细胞功能模型和镰状细胞纤维形成的超级计算机模型。

  这个新模型结合并简化了以前的模型,创建了整个镰刀过程的单一动力学模型。利用从详细的超级计算机模型中收集的信息,研究人员能够构建一个简化版本,捕获镰刀过程的所有重要动态,但可以在笔记本电脑上运行。

  因为镰刀过程的动态可以根据身体的位置而变化,研究人员设计模型来模拟不同器官中的镰刀过程。例如,由于氧气在这个过程中发挥着关键作用,与像肾脏这样的贫氧区域相比,镰刀在富含氧气的区域(如肺部)的展开方式大不相同。该模型允许用户输入特定于他们希望模拟的器官的参数。同样的灵活性还使得能够针对可能具有或多或少的严重版本的病症的个体患者进行模型化。

  为了测试药物的潜在有效性,该模型允许用户输入假定药物起作用的作用模式,通常在初步实验室研究期间收集信息。例如,如果药物被设计为增加红细胞中健康血红蛋白的量,则该模型可以使用该信息来产生对大量患者特异性或器官特异性红细胞的影响。

  “有时药物可以设计用于一个参数,但最终会对其他参数产生不同的影响,”Karniadakis说。“该模型可以判断这些效应是否具有协同作用,或者它们是否可能相互抵消。因此,该模型可以让我们了解药物的整体效果。”