Математики РУДН предложили модель, которая описывает мутацию вирусов

Взаимодействие вирусной инфекции с организмом человека — очень сложное явление, которое можно свести к двум основным процессам: вирус размножается в клетках организма, а организм противостоит развитию инфекции посредством иммунного ответа. При более детальном изучении вирусной инфекции можно заметить, что вирусы конкурируют за клетки организма, меняются под действием антивирусных препаратов, а также могут мутировать по естественным причинам. Они развиваются путем изменения старых или приобретения новых последовательностей в их РНК или ДНК и делают это довольно быстро. Из-за этих и многих других факторов биологи не могут точно предсказать динамику эволюции вирусов, появление новых штаммов и дать прогнозы по их резистентности.

Математик из РУДН Виталий Вольперт с коллегами предложили математическую модель эволюции и диверсификации вирусных квазивидов. Она дает понимание динамического взаимодействия между репликацией, мутацией и элиминацией вируса. Полученные результаты можно в перспективе использовать для прогнозирования генерации вирусных штаммов, которые избегают иммунного распознавания и приобретают резистентность к противовирусным препаратам.

«Изучение модели показывает, если говорить упрощенно, что эволюция существующих штаммов и появление новых происходит таким образом, чтобы уменьшить их конкуренцию между собой, а также воздействие иммунной системы и лекарственных препаратов. Именно эта тенденция и приводит к возникновению резистентных штаммов», — говорит Виталий Вольперт.

Вместе с коллегами математик описал вирусный штамм как локализованное решение, которое сконцентрировано вокруг некоторого генотипа. Появление новых штаммов соответствует периодической волне, которая распространяется в пространстве генотипов. Появление новых пиков распределения вирусной плотности во время распространения волны соответствует появлению новых штаммов вируса. Ученые из РУДН описали условия возникновения периодических бегущих волн и их динамику через анализ устойчивости однородных в пространстве стационарных решений.

Модель состоит из нелокального уравнения реакции-диффузии для плотности вируса. Это уравнение содержит два интегральных члена, которые соответствуют нелокальным эффектам взаимодействия вируса с клетками организма и иммунными клетками.

«В рамках предложенной модели можно разработать методы воздействия, препятствующие распространению вирусной инфекции по тканям организма и возникновению новых штаммов, то есть распространению в пространстве генотипов. Для реализации этих подходов на практике их нужно совмещать с экспериментальными и клиническими данными», — отмечает Виталий Вольперт.

Модель имеет некоторые ограничения, возникающие из-за различных упрощающих предположений. В ней не учитывается наличие разных иммунных клеток и цитокинов (небольших пептидных информационных молекул), участвующих в иммунном ответе, сложной внутриклеточной регуляции функционирования клеток и размножения вирусов. Но эти и другие упрощения позволяют выявить некоторые общие свойства эволюции вирусных квазивидов, которые было бы труднее идентифицировать в более сложной модели. Эта работа предоставляет основу для дальнейших исследований.

Статья опубликована в журнале Mathematics.