Projekti / Programi
Matematični modeli dinamike nalezljivih bolezni
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 7.00.00 |
Interdisciplinarne raziskave |
|
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B110 |
Biomedicinske vede |
Bioinformatika, medicinska informatika, biomatematika, biometrija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.01 |
Naravoslovne vede |
Matematika |
matematični modeli, populacijska dinamika, evolucija, nalezljive bolezni, dinamični sistemi, virulentnost, dinamika znotraj gostitelja, gnezdeni modeli, HIV
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
29452 |
dr. Barbara Boldin |
Interdisciplinarne raziskave |
Vodja |
2010 - 2012 |
80 |
Organizacije (1)
Povzetek
Predlagan podoktorski projekt ima dva namena. Kot prvo je naš cilj formulirati in analizirati več matematičnih modelov z namenom odgovoriti na dve konkretni vprašanji o dinamiki nalezljivih bolezni. Poleg tega bomo razširili že obstoječo teorijo Adaptivne Dinamike in nova orodja uporabili za študij evolucijske dinamike nalezljivih bolezni. V teku podoktorskega projekta se bomo ukvarjali s tremi temami:
(A) Menjava koreceptorjev pri HIVu:
Prvi problem zadeva dinamiko HIVa znotraj okuženega posameznika, in sicer menjavo koreceptorjev, ki jih HIV uporablja za vstop v celico. V začetni fazi okužbe HIV napada predvsem T celice s t.i. CCR5 receptorjem. Pri nekaterih posameznikih se kasneje pojavijo variante virusa, ki uporabljajo drug koreceptor, in sicer CXCR4. Menjava koreceptorjev se zgodi pri približno 50% okuženih in je pomemben indikator poteka okužbe, saj je povezan z upadom števila še neokuženih T celic in z razvojem AIDSa.
Do danes je bilo predlaganih že več hipotez, vendar pa do sedaj še nobena od njih ni zadovoljivo pojasnila vseh aspektov menjave koreceptorjev. Naš predlog je, da se menjavo koreceptorjev da razložiti kot evolucijo virusa HIV v heterogenem okolju znotraj gostitelja in z uporabo matematičnih modelov bomo to hipotezo tudi preverili.
(B) Vpliv diverzitete imunskega sistema na širjenje in evolucijo nalezljivih bolezni:
Drugi del projekta zadeva epidemiološko in evolucijsko dinamiko nalezljivih bolezni v heterogenih populacijah. Posamezniki se med seboj razlikujejo v več karakteristikah, ki vplivajo na potek širjenja infekcije (recimo starost, socialni položaj itd.). Naš namen se je osredotočiti predvsem na razlike v odzivih imunskega sistema in preučiti kako le te vplivajo na potek epidemij. Razvili bomo tudi modele ko-evolucijske dinamike gostiteljev in patogenov, s katerimi bomo odgovorili na vprašanja (i) kako dane razlike med gostitelji vplivajo na evolucijo nalezljivih bolezni in (ii) kako patogeni organizmi oblikujejo evolucijo diverzitete v odzivih imunskega sistema. Razvite modele in tehnike bomo uporabili za različne konkretne primere nalezljivih bolezni (influenca, HIV, hepatitis).
(C) Razširitev tehnik Adaptivne Dinamike in njihova uporaba:
Zadnji del projekta bo posvečen razširitvi obstoječe teorije Adaptivne Dinamike. Klasična teorija, ki je bila razvita v 90-ih za klasifikacijo evolucijskih scenarijev predvideva, da je fitnes mutanta v danem okolju dvakrat odvedljiva funkcija. Veliko primerov iz ekologije in epidemiologije pa kaže, da temu ni vedno tako. Naša motivacija za razširitev obstoječe teorije izvira iz kandidatkinega študija gnezdenih modelov, ki opisujejo dinamiko virusov v populacijah. Razvita orodja in tehnike pa bodo uporabna tudi v drugih situacijah, denimo v modelih adaptivne dinamike alel ali v ekoloških modelih metapopulacij. Novo razvite tehnike bomo uporabili tudi za študijo mehanizmov, ki vodijo v t.i. "arms races" v virulentnosti patogenih organizmov.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovalni projekt je imel dva osnovna namena:
1. s formulacijo in analizo matematičnih modelov prispevati k razumevanju kompleksnih bioloških procesov in
2. razviti nove metode za analizo različnih matematičnih modelov v ekologiji, epidemiologiji in evoluciji.
Prvi cilj smo realizirali z obravnavo dveh problemov. Pri študiju dinamike virusa HIV znotraj gostitelja smo z matematično analizo modelov ter numeričnimi simulacijami pokazali, da lahko menjavo koreceptorjev pri virusu HIV (in vse posledice te menjave) razumemo kot posledico adaptacije virusa na heterogeno okolje znotraj okuženega gostitelja [1]. Z obravnavo eko-evolucijske dinamike virusov z različnimi načini prenosa pa smo pokazali, da ekološka dinamika populacije gostiteljev pomembno vpliva tako na evolucijo virulentnosti sevov patogenih organizmov kot tudi na to, ali evolucija vodi do razvoja generalistov ali specialistov [4]. Sklepi obeh študij so tako prispevali k razumevanju poteka infekcije pri posamezniki okuženih s HIV ter k razumevanju evolucijske dinamike patogenih organizmov in predstavljajo kvalitetne prispevke tudi za nadaljne empirične študije.
Drugi cilj smo dosegli z obravnavo dveh problemov. Prvi zadeva razširitev obstoječe teorije Adaptivne Dinamike, ki je bila v 90-ih letih prejšnjega stoletja razvita za študij fenotipske evolucije. Čeprav klasična teorija Adaptivne Dinamike predstavlja pomemben prispevek v evolucijski biologiji (kar kažejo tudi številne aplikacije te teorije pri različnih problemih iz ekologije in epidemiologije), pa zadnje raziskave kažejo na potrebo po razširitvi obsoječe teorije, predvsem za bolj kompleksne matematične modele, ki upoštevajo različne nivoje naravne selekcije [2]. V članku [3] smo obstoječo teorijo razširili in uporabo prikazali na gnezdenih modelih za študij evolucije virusov. Nove matematične metode smo razvili tudi v članku [5], kjer predstavljene tehnike omogočajo študij vpliva t.i. spremenljivk okolja (angl. environmental feedback variables) na evolucijo fenotipov.
Reference:
[1] A. Alizon, B. Boldin: Within-host viral evolution in a heterogeneous environment: insights into the HIV co-receptor switch. Journal of Evolutionary Biology, Vol. 23 (2010), pp. 2625-2635
[2] B. Boldin, O. Diekmann: Superinfections can induce evolutionarily stable coexistence of pathogens. Journal of Mathematical Biology, Volume 56 (2008), Issue 5, pp. 635-672.
[3] B. Boldin, O. Diekmann: An extension of the classification of evolutionarily singular strategies in Adaptive Dynamics. Submitted to the Journal of Mathematical Biology
[4] B. Boldin, É. Kisdi: On the evolutionary dynamics of pathogens with direct and environmental transmission. Evolution, Vol. 66, No. 8, (2012), pp. 2514-2527.
[5] Kisdi, É. & Boldin B: A construction method to study the role of incidence in the adaptive dynamics of pathogens with direct and environmental transmission. Journal of Mathematical Biology, Volume 66 (2013), Issue 4-5, pp. 1021–1044
Pomen za razvoj Slovenije
Matematika in biologija sta že nekaj desetletij prepleteni znanstveni disciplini: matematični modeli predstavljajo pomembno orodje pri razumevanju kompleksnih bioloških procesov, problemi iz biologije in medicine pa lahko motivirajo matematične raziskave in pogosto vodijo do zanimivih odkritij.
V Sloveniji je razvoj matematične biologije še na samem začetku: raziskovalcev s tega področja je malo, v izobraževanju matematično modeliranje v biologiji najdemo le redko. Zato so interdisciplinarni projekti s področja matematične biologije zelo pomembni za razvoj področja v Sloveniji. V okviru podoktorskega projekta smo krepili raziskovalno sodelovanje Univerze na Primorskem z univerzami, ki sodijo v sam svetovni vrh na področju matematične biologije (med drugim z Univerzo Utrecht in Univerzo Helsinki). Poleg tega s predavanji na različnih srečanjih po Sloveniji skušamo strokovnjakom iz različnih naravoslovnih ved predstaviti uporabnost matematike v biologiji in medicini ter okrepiti sodelovanje med matematiki ter znanstveniki s področja medicine in biologije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
