Серповидно-клеточная анемия затрагивает гемоглобин, молекулы в эритроцитах, ответственных за транспортировку кислорода. В нормальных эритроцитах гемоглобин рассеян равномерно всюду по клетке.
В эритроцитах серпа видоизмененный гемоглобин может полимеризироваться, когда лишено кислорода, собирая себя в длинные волокна полимера, которые прижимаются к мембранам клеток, вынуждая их не в форме. Жесткие, плохо имеющие форму клетки могут стать поселенными в маленьких капиллярах всюду по телу, приведя к болезненным эпизодам, известным как кризис серповидного эритроцита.«Цель нашей работы состоит в том, чтобы смоделировать обоих, как эти волокна гемоглобина серпа формируются, а также механические свойства тех волокон», сказал Лу Лу, аспирант в Подразделении Брауна Прикладной Математики и ведущего автора исследования. «Были отдельные модели для каждой из этих вещей, индивидуально развитых нами, но это примиряет тех в одну всестороннюю модель».
Образцовое использование детализировало биомеханические данные по тому, как молекулы гемоглобина серпа ведут себя и связывают друг с другом, чтобы моделировать собрание волокна полимера. До этой работы проблема состояла в том что, в то время как волокно растет, также – объем данных, который должна грызть модель. Моделирование всего волокна полимера в клеточном масштабе, используя детали каждой молекулы было просто слишком в вычислительном отношении дорогим.
«Даже самые быстрые суперкомпьютеры в мире не были бы в состоянии обращаться с ним», сказал Джордж Карниадакис, преподаватель прикладной математики в Брауне и ведущем авторе газеты. «Есть только слишком много случая и никакой способ захватить все это в вычислительном отношении. Это – то, что мы смогли преодолеть с этой работой».Решение исследователей состояло в том, чтобы применить то, что они называют mesoscopic адаптивной схемой резолюции, или УДАРИЛ модель МАРСА, вычисляет подробную динамику каждой отдельной молекулы гемоглобина только в каждом конце волокон полимера, где новые молекулы принимаются на работу в волокно. Как только четыре слоя волокна были установлены, модель автоматически набирает назад резолюцию, в которой она представляет тот раздел.
Модель сохраняет важную информацию о том, как волокно ведет себя механически, но заминает мелкие детали каждой учредительной молекулы.«Устраняя мелкие детали, где нам не нужны они, мы разрабатываем модель, которая может моделировать этот целый процесс и его эффекты на эритроцит», сказал Карниадакис.Используя новые моделирования МАРСА, исследователи смогли показать, как различные конфигурации растущих волокон полимера в состоянии произвести клетки с различными формами. Хотя болезнь получает свое имя, потому что она вызывает много эритроцитов, берут подобную серпу форму, есть на самом деле множество существующих форм аномальной клетки.
Этот новый подход моделирования показал новые детали о том, как различные структуры волокна в клетке производят различные формы клетки.«Мы в состоянии произвести профиль полимеризации для каждого из типов клетки, связанных с болезнью», сказал Карниадакис. «Теперь цель состоит в том, чтобы использовать эти модели, чтобы искать способы предотвратить начало болезни».Есть только два наркотика на рынке, который был одобрен FDA для рассмотрения серповидного эритроцита, говорит Карниадакис.
Один из них, названный гидроксимочевиной, как думают, работает, повышая сумму эмбрионального гемоглобина – вид гемоглобина, что младенцы терпятся – в крови пациента. Эмбриональный гемоглобин стойкий к полимеризации и, когда существующий в достаточном количестве, как думают, разрушает полимеризацию гемоглобина серповидного эритроцита.Используя эти новые модели, Karniadakis и его коллеги могут теперь управлять моделированиями, которые включают эмбриональный гемоглобин. Те моделирования могли помочь подтвердить, что эмбриональный гемоглобин действительно разрушает полимеризацию, а также помогает установить, сколько эмбрионального гемоглобина необходимо.
Это могло помочь в установлении лучших рекомендаций по дозировке или в разрабатывании новых и более эффективных лекарств, говорят исследователи.«Модели дают нам способ сделать предварительное тестирование на новых подходах к остановке этой болезни», сказал Карниадакис. «Теперь, когда мы можем моделировать весь процесс полимеризации, мы думаем, что модели будут намного более полезными».