Un equip internacional d'investigadors ha utilitzat dades sobre la mobilitat de les cèl·lules T del sistema immune per a dissenyar un model matemàtic amb la finalitat de predir quantes han d'estar presents en un gangli limfàtic per a bloquejar el progrés del Virus d'Immunodeficiència Humana (VIH). L'estudi ha estat dirigit per investigadors russos de l'Institut Marchuk de Matemàtiques Numèriques de l'Acadèmia de Ciències de Rússia i hi ha participat Andreas Meyerhans, professor de recerca ICREA a la UPF. 

En el futur, un model d'aquest tipus permetrà als científics realitzar experiments computacionals per a desenvolupar vacunes i medicaments per a malalties infeccioses. Els resultats de la recerca han estat publicats a Frontiers in Immunology i han comptat amb el suport de la Russian Science Foundation. 

“Aquest model ens permet pronosticar quantes cèl·lules T que destrueixen el VIH han d'existir perquè aquestes cèl·lules, considerant la seva mobilitat, puguin detenir la propagació del virus. Com qualsevol altre model, el nostre ignora molts factors, però permet determinar què hem de tenir en compte quan treballem en una vacuna contra el VIH ", va dir Gennady Bocharov, coordinador de l'estudi. 

Aquest model permet pronosticar quantes cèl·lules T que destrueixen el VIH han d'existir perquè aquestes cèl·lules, considerant la seva mobilitat, puguin detenir la propagació del virus.

Els científics utilitzen models matemàtics per a explorar el funcionament de molts sistemes complexos, des dels mercats globals fins les reserves de petroli i gas o les molècules de proteïnes. Un model computacional pot proporcionar una simulació del funcionament dels sistemes immunes humans i animals. Un model únic d'aquest tipus permetria predir l'efecte dels medicaments abans dels assajos clínics i realitzar un examen exhaustiu del curs de la malaltia sense experiments de laboratori addicionals. La majoria dels models que existeixen en immunologia se centren en processos separats, en lloc d'en un sistema en el seu conjunt. Un estudi del sistema complet requereix tenir en compte els efectes biològics a tots els nivells: cèl·lules, òrgans i l'organisme en el seu conjunt.

Les descripcions matemàtiques del moviment de les cèl·lules immunes en espais 3D d'òrgans i teixits han de convertir-se en el nucli d'aquest model integrat. Investigadors russos han creat un model d'aquest tipus per als moviments de limfòcits T dins un gangli limfàtic. Per als càlculs, han seleccionat un espai en l'anomenada zona paracortical d'un gangli limfàtic on es concentra una quantitat particularment gran de cèl·lules T. El model es basa en els principis bàsics de la física. Cadascun dels més de 12.000 limfòcits T estudiats es mou sota la influència de forces que actuen sobre ells d'acord amb la Segona Llei de Newton: el producte de la velocitat per la massa és igual a la suma de les forces que actuen sobre el cos. Els matemàtics han calculat els paràmetres d'aquestes forces sobre la base dels resultats d'estudis immunològics publicats. El moviment de cada limfòcit T en el model depèn de la seva mobilitat interna activa i de les seves interaccions amb altres cèl·lules, així com de la força de fricció en el mitjà viscós d'un gangli limfàtic.

El moviment de cada limfòcit T en el model depèn de la seva mobilitat interna activa i de les seves interaccions amb altres cèl·lules, així com de la força de fricció en el mitjà viscós d'un gangli limfàtic.

Els científics han utilitzat el model per a establir com la motilitat dels limfòcits afecta la seva capacitat per a detectar i destruir les cèl·lules infectades pel VIH. Els estudis de vacunes experimentals demostren que l'efectivitat de la resposta immune al virus depèn del nombre d'efectors específics per a l'antigen del VIH, els limfòcits T CD8 + en els ganglis limfàtics. Però fins fa poc, els científics no podien determinar quants d'aquests limfòcits ha d'haver-hi per a detectar totes les cèl·lules infectades.

El model matemàtic ha permès reproduir la propagació de la infecció in silico, és a dir, en un experiment computacional. Són necessàries entre 18 i 24 hores perquè les cèl·lules infectades pel VIH alliberin partícules virals. Per això, si el 5% de tots els limfòcits T CD8 + en el gangli limfàtic són efectors, específics per a antigen del VIH i la seva mobilitat és normal, les cèl·lules infectades es detectaran en menys de 18 hores.

No obstant això, la infecció viral redueix la mobilitat dels limfòcits a causa del creixement del teixit connectiu en els ganglis limfàtics. I si aquesta mobilitat es redueix a la meitat, hi ha més del 50% de probabilitat que els limfòcits T CD8 + no tinguin temps per a detenir la propagació del virus. Això significa que les futures vacunes contra el VIH haurien d'aconseguir més del 5% dels limfòcits T CD8 + específics de l'antigen i garantir la seva mobilitat normal.

En el futur, el model es pot adaptar per a l'estudi d'altres malalties infeccioses. El mecanisme de la migració cel·lular sota la influència de forces que asseguren el seu moviment autònom i el mecanisme d'interacció intercel·lular són força universals.

“En el futur, el nostre model es pot adaptar per a l'estudi d'altres malalties infeccioses. El mecanisme de la migració cel·lular sota la influència de forces que asseguren el seu moviment autònom i el mecanisme d'interacció intercel·lular són força universals, diu Gennady Bocharov. - “Però cada infecció específica requerirà que s'ajustin alguns paràmetres del model, utilitzant dades clíniques i experimentals apropiades. A més de les malalties infeccioses, el model pot ser útil en l'estudi de tumors malignes ".

Han participat també en la recerca científics de l'Institut de Física i Tecnologia de Moscou, la Universitat Russa de l'Amistat dels Pobles, l'Institut d’Enginyeria Mecànica de l'Acadèmia de Ciències de Rússia i la Universitat d’Uppsala (Suècia).

Article de referència:

Grebennikov Dmitry, Bouchnita Anass, Volpert Vitaly, Bessonov Nikolay, Meyerhans Andreas, Bocharov Gennady. Spatial Lymphocyte Dynamics in Lymph Nodes Predicts the Cytotoxic T Cell Frequency Needed for HIV Infection Control. Frontiers in Immunology, June 2019. DOI: 10.3389/fimmu.2019.01213.