Ett team av specialister inom matematisk modellering från RUDN-universitetet föreslog en kvalitativ modell för virusutveckling och förekomsten av nya stammar. Resultaten av studien kan göra att förutsäga virusbeteende mer effektivt och hjälpa till i utvecklingen av nya antivirala läkemedel. Artikeln publicerades i tidskriften Matematik .

Interaktionen mellan ett virus och en människokropp är ett mycket komplext fenomen som kan reduceras till två processer:ett virus förökar sig i värdceller, och organismen motstår infektionen med hjälp av immunsvaret. En närmare titt på en virusinfektion visar att virus konkurrerar om värdceller, förändring under påverkan av antivirala läkemedel, och muterar under dess replikering. De kan utvecklas i mycket hög hastighet genom att modifiera gamla eller förvärva nya RNA- eller DNA-sekvenser. På grund av dessa och många andra faktorer, det är svårt för biologer att förutsäga dynamiken i virusutvecklingen, förutse förekomsten av nya stammar, och bedöma deras potentiella motståndsnivåer.

Teamet av Vitaly Volpert, en matematiker från RUDN University, föreslog en matematisk modell som beskriver utvecklingen och diversifieringen av viruskvasiarter. Modellen visar en dynamisk interaktion mellan replikeringen, mutation, och eliminering av ett virus. Resultaten av arbetet kan användas ytterligare för att förutsäga förekomsten av virusstammar som kan undvika immunigenkänning och motstå antivirala läkemedel.

"För att hålla det enkelt, modellen visar oss att befintliga stammar utvecklas för att minska konkurrensen mellan virus, att försvaga viruselimineringen genom immunsvaret, och att bli mindre känslig för medicinering. Denna tendens leder till förekomsten av läkemedelsresistenta stammar, säger Vitaly Volpert.

Att arbeta tillsammans med sina kollegor, forskaren beskrev en virusstam som en lokaliserad lösning koncentrerad kring en given genotyp. Uppkomsten av nya stammar motsvarar en periodisk våg som fortplantar sig i genotypers utrymme. Förekomsten av nya distributionstoppar i processen för vågutbredning sammanfaller med förekomsten av nya virusstammar. Teamet beskrev villkoren för förekomsten av periodiska vandringsvågor och deras dynamik genom att analysera stabiliteten hos rumsligt homogena stationära lösningar.

Modellen representeras av en icke-lokal reaktions-diffusionsekvation för virusdensiteten. Ekvationen har två integrerade termer som motsvarar de icke-lokala effekterna av virusinteraktion med värdceller och immunceller.

Den nya modellen är kvalitativ och applicerbar på olika virusinfektioner. Dock, för att bättre beskriva dynamiken hos viruskvasiarter, man behöver känna till deras individuella egenskaper, såsom arten av deras mutationer, interaktion med immunsystemet, och svar på antiviral medicin.

"Med vår modell, man kan utveckla olika metoder för att förhindra spridning av virusinfektioner över kroppsvävnader och uppkomsten av nya stammar, d.v.s. förökningen i genotypers utrymme. Dock, för att dessa tillvägagångssätt ska ha en praktisk implementering, de bör kombineras med experimentella och kliniska data, ", tillägger Vitaly Volpert.

Modellen har ett antal begränsningar eftersom den bygger på flera förenklingar. Nämligen, den tar inte hänsyn till förekomsten av olika immunceller och cytokiner (små informativa peptidmolekyler) som deltar i immunsvaret, eller komplexa processer av intracellulär reglering och virusreplikation. Dock, dessa begränsningar hjälper forskarna att fastställa några vanliga evolutionära egenskaper hos viruskvasiarter som skulle vara svåra att identifiera i en mer komplex modell. Arbetsgruppens arbete kan användas som underlag för vidare utredningar.