Bilgisayar modelleri orak hücre hastalığının yeni anlayışını sağlar

Anonim

Brown Üniversitesi matematikçiler tarafından geliştirilen bilgisayar modelleri, orak hücre hastalığından etkilenen bir kırmızı kan hücresinin içinde neler olduğuna dair yeni detayları göstermektedir. Araştırmacılar, Biyofizik Dergisi'ndeki bir makalede açıklanan modellerinin, dünya çapında milyonlarca insanı etkileyen genetik kan bozukluğu ile mücadele etmek için uyuşturucu stratejilerini değerlendirmede yardımcı olacağını umduğunu söyledi.

Orak hücre hastalığı, hemoglobini, oksijeni taşımaktan sorumlu kırmızı kan hücreleri içindeki molekülleri etkiler. Normal kırmızı kan hücrelerinde, hemoglobin hücre boyunca eşit olarak dağılır. Orak kırmızı kan hücrelerinde, mutasyona uğramış hemoglobin oksijenden yoksun olduğunda polimerize olabilir, kendilerini hücrelerin zarlarına doğru iten ve onları şekil dışı bırakan uzun polimer liflerine monte eder. Sert, kötü şekilli hücreler, omurga hücresi krizi olarak bilinen ağrılı ataklara neden olarak, vücut boyunca küçük kılcal damarlara yerleştirilebilir.

“Çalışmamızın amacı hem oraklobin liflerinin hem de bu liflerin mekanik özelliklerini nasıl oluşturduğunu modellemektir”, diye açıklıyor Lu Lu, Ph.D. Uygulamalı Matematik Brown Bölümü ve çalışmanın başyazarı öğrenci. "Bu şeylerin her birimiz tarafından bireysel olarak geliştirilen ayrı modeller vardı, ama bu onları tek bir kapsamlı model haline getiriyor."

Model, orak hemoglobin moleküllerinin nasıl davrandığını ve bir polimer fiberin montajını simüle etmek için birbirleriyle nasıl bağlandıklarına dair ayrıntılı biyomekanik verileri kullanmaktadır. Bu çalışmadan önce, problem, lif büyüdükçe, modelin ezmesi gereken veri miktarının da artmasıydı. Her bir molekülün detaylarını kullanarak hücresel bir ölçekte tüm bir polimer fiberin modellenmesi, sadece çok hesaplamalı bir şekilde pahalıydı.

Brown'a ve gazetenin kıdemli yazarına uygulamalı matematik profesörü George Karniadakis, "Dünyanın en hızlı süper bilgisayarları bile bunu başaramazdı." Dedi. “Sadece çok fazla şey var ve hepsini hesaplamalı olarak yakalamanın bir yolu yok. Bu çalışma ile üstesinden gelebildik.”

Araştırmacıların çözümü, bir mezoskopik adaptif çözünürlük şeması veya MARS dedikleri şeyi uygulamaktı. MARS modeli, her bir bireysel hemoglobin molekülünün ayrıntılı dinamiklerini, yeni moleküllerin lif içine alındığı polimer liflerinin her bir ucunda hesaplar. Bir lifin dört katmanı oluşturulduktan sonra, model o bölümü temsil ettiği çözünürlüğü otomatik olarak geri arar. Model, fiberin mekanik olarak nasıl davrandığına dair önemli bilgileri korur, ancak her bir kurucu molekülün ince detaylarının üzerinde parlar.

Karniadakis, "İhtiyacımız olmadığı ince ayrıntıları ortadan kaldırarak, bu süreci ve bunun bir kırmızı kan hücresi üzerindeki etkilerini simüle edebilecek bir model geliştiriyoruz." Dedi.

Yeni MARS simülasyonlarını kullanarak, araştırmacılar büyüyen polimer fiberlerin farklı konfigürasyonlarının farklı şekillerde hücreler üretebildiğini gösterebildiler. Hastalığın ismini almasına rağmen, birçok kırmızı kan hücresinin orak benzeri bir şekle girmesine neden olur, aslında çeşitli anormal hücre şekilleri vardır. Bu yeni modelleme yaklaşımı, hücre içindeki farklı lif yapılarının farklı hücre şekillerini nasıl ürettiğine dair yeni detaylar gösterdi.

Karniadakis, "Hastalıkla ilişkili her hücre tipi için bir polimerizasyon profili üretebiliyoruz." Dedi. “Şimdi amaç, bu modelleri hastalık başlangıcını önlemenin yollarını aramaktır.”

Karniadakis, orak hücresinin tedavisinde FDA tarafından onaylanan tek bir ilacın var olduğunu söylüyor. Hidroksiüre denilen bu ilacın, bir çocuğun kanında, bebeklerin doğduğu hemoglobinin miktarı olan fetal hemoglobin miktarını arttırarak çalıştığı düşünülmektedir. Fetal hemoglobin polimerizasyona dirençlidir ve yeterli miktarda bulunduğunda orak hücreli hemoglobinin polimerizasyonunu bozduğu düşünülmektedir.

Bu yeni modelleri kullanarak, Karniadakis ve meslektaşları şimdi fetal hemoglobin içeren simülasyonlar yapabilir. Bu simülasyonlar, fetal hemoglobinin gerçekten de polimerizasyonu bozduğunu ve aynı zamanda ne kadar fetal hemoglobin gerekli olduğunu belirlemeye yardımcı olabilir. Araştırmacılar, daha iyi dozaj kurallarının oluşturulmasında veya yeni ve daha etkili ilaçların geliştirilmesinde yardımcı olabilirler.

Karniadakis, "Modeller bize bu hastalığı durdurmak için yeni yaklaşımlar üzerinde ön testler yapmanın bir yolunu veriyor." Dedi. "Şimdi tüm polimerizasyon sürecini simüle edebiliriz, modellerin çok daha kullanışlı olacağını düşünüyoruz."

menu
menu