Een team van specialisten in wiskundige modellering van de RUDN Universiteit stelde een kwalitatief model voor van virusevolutie en van het voorkomen van nieuwe stammen. De resultaten van het onderzoek kunnen het voorspellen van virusgedrag efficiënter maken en helpen bij de ontwikkeling van nieuwe antivirale medicijnen. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Wiskunde .

De interactie tussen een virus en een menselijk lichaam is een zeer complex fenomeen dat kan worden teruggebracht tot twee processen:een virus vermenigvuldigt zich in gastheercellen, en het organisme verzet zich tegen de infectie door middel van de immuunrespons. Een nadere beschouwing van een virusinfectie laat zien dat virussen strijden om gastheercellen, verandering onder invloed van antivirale geneesmiddelen, en muteren tijdens de replicatie. Ze kunnen met een zeer hoge snelheid evolueren door oude RNA- of DNA-sequenties aan te passen of nieuwe te verwerven. Door deze en vele andere factoren, het is voor biologen moeilijk om de dynamiek van virusevolutie te voorspellen, het optreden van nieuwe stammen te voorzien, en hun potentiële weerstandsniveaus beoordelen.

Het team van Vitaly Volpert, een wiskundige van de RUDN University, stelde een wiskundig model voor dat de evolutie en diversificatie van virusquasispecies beschrijft. Het model toont een dynamische interactie tussen de replicatie, mutatie, en eliminatie van een virus. De resultaten van het werk kunnen verder worden gebruikt om het voorkomen van virusstammen te voorspellen die immuunherkenning kunnen vermijden en weerstand kunnen bieden aan antivirale medicatie.

"Om het simpel te houden, het model laat ons zien dat bestaande stammen evolueren om de concurrentie tussen virussen te verminderen, om de eliminatie van virussen door de immuunrespons te verzwakken, en minder gevoelig te worden voor medicatie. Deze neiging leidt tot het optreden van resistente stammen, ', zegt Vitaly Volpert.

Samen met zijn collega's, de wetenschapper beschreef een virusstam als een gelokaliseerde oplossing geconcentreerd rond een bepaald genotype. De opkomst van nieuwe stammen komt overeen met een periodieke golf die zich voortplant in de ruimte van genotypen. Het optreden van nieuwe verspreidingspieken in het proces van golfvoortplanting valt samen met het optreden van nieuwe virusstammen. Het team beschreef de omstandigheden van het optreden van periodiek lopende golven en hun dynamiek door de stabiliteit van ruimtelijk homogene stationaire oplossingen te analyseren.

Het model wordt weergegeven door een niet-lokale reactie-diffusievergelijking voor de virusdichtheid. De vergelijking heeft twee integrale termen die overeenkomen met de niet-lokale effecten van virusinteractie met gastheercellen en immuuncellen.

Het nieuwe model is kwalitatief en toepasbaar op verschillende virale infecties. Echter, om de dynamiek van virusquasispecies beter te beschrijven, men moet hun individuele kenmerken kennen, zoals de aard van hun mutaties, interactie met het immuunsysteem, en reactie op antivirale medicatie.

"Met ons model, men kan verschillende methoden ontwikkelen om de verspreiding van virale infecties over lichaamsweefsels en het ontstaan ​​van nieuwe stammen te voorkomen, d.w.z. de voortplanting in de ruimte van genotypen. Echter, om deze benaderingen een praktische implementatie te geven, ze moeten worden gecombineerd met experimentele en klinische gegevens, ", voegt Vitaly Volpert toe.

Het model heeft een aantal beperkingen omdat het op verschillende vereenvoudigingen is gebaseerd. Namelijk, het houdt geen rekening met het bestaan ​​van de verscheidenheid aan immuuncellen en cytokinen (kleine informatieve peptidemoleculen) die deelnemen aan de immuunrespons, of complexe processen van intracellulaire regulatie en virusreplicatie. Echter, deze beperkingen helpen de wetenschappers om enkele gemeenschappelijke evolutionaire kenmerken van virusquasispecies te bepalen die moeilijk te identificeren zouden zijn in een complexer model. Het werk van het team kan als basis dienen voor verder onderzoek.