HIV: Ein neues mathematisches Modell könnte helfen, Stämme für die Impfstoffentwicklung vorherzusagen

Eine große Herausforderung bei der Entwicklung eines HIV-Impfstoffs ist die Tatsache, dass sich das Virus ständig weiterentwickelt und es schwierig ist, vorherzusagen, in welche Richtung es gehen wird. Jetzt zeigt eine neue Studie, wie Ideen aus zwei unterschiedlichen Bereichen - Aktienkursvorhersage und Partikeldiffusion in Flüssigkeiten - helfen können. Angeregt durch das Finanzmodell entwickelten die Forscher ein diffusionsbasiertes Instrument, das genau vorhersagte, wie sich ein HIV-Oberflächenprotein in einer Patientenpopulation über 30 Jahre entwickelt hat.
Eine große Herausforderung für HIV-Impfstoffentwickler ist die Tatsache, dass sich das Virus ständig weiterentwickelt.

Die Forschung ist die Arbeit eines Teams von der Carver College of Medicine an der Universität von Iowa in Iowa City und ist in der Zeitschrift veröffentlicht PLOS Biologie.

HIV verbreitet sich durch den Austausch bestimmter Körperflüssigkeiten wie Blut, Samen und Vaginalsekret. Es kann sich auch durch die Muttermilch ausbreiten. Sobald es in den Körper eindringt, greift HIV das Immunsystem an, insbesondere gegen T-Zellen.

Wenn HIV unbehandelt bleibt, zerstört es weiter die T-Zellen und schwächt allmählich die Fähigkeit des Körpers, sich gegen Infektionen und Krankheiten zu verteidigen. Schließlich schreitet es zu einem fortgeschrittenen Stadium der Infektion voran, das als AIDS bekannt ist.

Laut der Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat HIV mehr als 70 Millionen Menschen infiziert und weltweit rund 35 Millionen Menschen das Leben gekostet.

Seit Beginn der AIDS-Epidemie in den 1980er Jahren wurden in den Vereinigten Staaten mehr als 1,2 Millionen Menschen mit dieser Krankheit diagnostiziert.

Es gibt derzeit keine wirksame Heilung oder keinen Impfstoff gegen HIV oder AIDS, aber mit einer angemessenen medizinischen Behandlung in Form einer antiretroviralen Therapie kann die Infektion kontrolliert werden.

Eine Person, die heute mit HIV diagnostiziert wird und vor der weit fortgeschrittenen Krankheit angemessene medizinische Versorgung erhält, kann mit einem Leben rechnen, das fast genauso lang und produktiv ist wie eine Person, die das Virus nicht hat.

Die Virusentwicklung stellt die Entwicklung von Impfstoffen in Frage

Bei der Entwicklung eines HIV-Impfstoffs versuchen die Forscher im Wesentlichen, ein sicheres Werkzeug zu entwickeln, das das Virus nachahmt, so dass das Immunsystem des Patienten lernt, das echte zu erkennen und anzugreifen.

Wie Hillel Haim, Seniorautor der neuen Studie und Assistenzprofessor für Mikrobiologie, erklärt: "HIV ist ein hochdynamisches Virus. Es verändert sich ständig, sowohl bei einem infizierten Individuum als auch als Folge davon bei der größeren Bevölkerung. "

Daher, so fügt er hinzu, besteht die Herausforderung für Impfstoffentwickler darin, "wie kann man einen Impfstoff entwickeln, um ein sich bewegendes und sich ständig veränderndes Ziel zu treffen?"

Das "bewegliche Ziel", das Prof. Haim und seine Kollegen in ihrer Studie untersuchten, ist ein Protein, das auf der Oberfläche von HIV sitzt, das so genannte Hüllglykoprotein (Env).

Die schnelle Mutation von Env ist der Hauptstolperstein für Versuche, einen HIV-Impfstoff zu entwickeln. Um Fortschritte zu machen, müssen Impfstoffentwickler einen Weg finden, den Virus im Laufe der Zeit zu antizipieren und anzupassen. Sie müssen wissen, welche Env-Varianten in der Bevölkerung aktuell sind und dann vorhersagen, wie sie sich ändern werden.

Für ihre Studie verwendeten Prof. Haim und seine Kollegen Blutproben von Hunderten von Patienten, die an einer HIV-Klinik in Iowa City teilnahmen, die in den 1980er Jahren eröffnet wurde. Die Klinik hat seit mehr als 30 Jahren Proben gesammelt.

Das Team analysierte sorgfältig Hunderte von Env-Proteinen in den Proben und konzentrierte sich dabei insbesondere auf die Integrität spezifischer Strukturen im Protein. Prof. Haim sagt, dass die Veränderungen ihn an Muster erinnerten, die auftreten, wenn Viren zufällig durch Flüssigkeiten diffundieren - etwas, das er Jahre zuvor studiert hatte.

Diffusionsmodell inspiriert von der Idee der Volatilität

An dieser Idee der Partikeldiffusion festhaltend, schauten sich die Forscher dann die Änderungen der Env-Struktur genauer an, um zu sehen, ob sie irgendwelche anderen Hinweise aufgreifen könnten.

Sie untersuchten die Eigenschaften von Envs in verschiedenen Viren in der gleichen Blutprobe. Es stellte sich heraus, dass sich einige sehr verändert haben, während andere weitgehend ähnlich geblieben sind.

Sie nannten diese Variation der Env-Eigenschaften "Volatilität", und weitere Untersuchungen zeigten, dass die Volatilität jeder Eigenschaft der Env-Struktur bei Proben von verschiedenen Patienten sehr ähnlich war.

Finanzmodelle des Aktienmarktes verwenden ebenfalls das Konzept der Diffusion und Volatilität. Die Forscher fanden heraus, dass die Volatilitätseigenschaft einer Env-Liegenschaft den kleinen Fluktuationen oder Preisschwankungen in einer bestimmten Aktie ähnlich ist.

Inspiriert von der Idee der Volatilität bei der Modellierung von Aktienkursen entwickelten die Forscher ein neues diffusionsbasiertes Modell und wendeten es auf die Blutproben an. Sie stellen fest, wie es die Evolution von HIV-Env-Proteinen effizient beschrieben hat:

"Unter Verwendung von Volatilitäten, die von einigen Patientenproben aus den 1980er Jahren gemessen wurden, können wir die Eigenschaften von Viren, die sich in der Bevölkerung im Laufe von 30 Jahren entwickelt haben, genau vorhersagen."

Die Forscher vermuten, dass dies bedeutet, dass nur einige wenige HIV-Patienten getestet werden möglicherweise genug Informationen geben, um Virusveränderungen gut genug vorherzusagen, damit Impfstoffe die bestimmten HIV-Stämme in bestimmten Populationen übereinstimmen.

Für den Fall, dass sich die Leute fragen, wie die Unvorhersehbarkeit der Finanzmärkte diese Forschung beeinflussen kann, kommt Prof. Haims zu folgendem Schluss:

"Zum Glück, relativ zu den Finanzmarktmodellen, die diese Arbeit inspiriert haben, sind unsere Vorhersagen von Veränderungen in HIV bemerkenswert genau, aufgrund der hochkonservierten Natur der Zufälligkeit in diesem Virus."

Erfahren Sie, wie ein HIV-Fingerprint-Tool die Entwicklung von Impfstoffen erheblich unterstützen könnte.

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