Математическая модель для описания регуляции противовирусного иммунного ответа с учетом функциональных нарушений в организме человека

Файл статьи: 
УДК: 
51-76
Авторы: 

П.В. Трусов1, 2, Н.В. Зайцева1, В.М. Чигвинцев1, 2, Д.В. Ланин1, 3

Организация: 

1Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения, Россия, 614045, г. Пермь, ул. Монастырская, 82
2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, ул. Комсомольский проспект, 29
3Пермский государственный национальный исследовательский университет, Россия, 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15

Аннотация: 

Создана математическая модель регуляции противовирусного иммунного ответа с учетом функциональных нарушений адаптивных (нейроэндокринной и иммунной) систем, вызванных химическими факторами различного генеза. Анализ иммунного ответа проведен с учетом видов иммунитета (врожденный и приобретенный), для характеристики которых выбраны некоторые количественные параметры: врожденный иммунитет – интерферон и NK-клетки; приобретенный – вирусспецифические цитотоксические Т-клетки и антителообразующие В-лимфоциты. Регуляторные механизмы, учитываемые в модели, охватывают влияние гормонов оси гипоталамус – гипофиз – надпочечники (кортиколиберин, адренокортикотропный гормон, кортизол) и продуцируемых различными регулятор- ными клетками иммунной системы цитокинов (интерлейкины-1 и -2). Представленная модель учитывает пространственную организацию инфекционных и иммунных процессов в различных органах и тканях с помощью введения времен запаздывания взаимодействия компонент. Модель включает систему 18 обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом, параметры которой характеризуют скорости различных процессов, влияющих на динамику развития инфекции. Параметры идентифицированы на основании опубликованных экспериментальных данных, описывающих процесс инфицирования организма вирусом. Реализован расчет динамики показателей иммунной и нейроэндокринной систем при вирусной инфекции с учетом нарушения синтетической функции костного мозга. Модель разработана в рамках концепции многоуровневой модели организма человека, учитывающей взаимодействия между системами и функциональное состояние включенных в рассмотрение органов в условиях воздействия на них неблаго- приятных факторов различного генеза. Проведенное исследование дает качественное представление о биологических факторах, объясняющих кинетику возбудителя при вирусной инфекции в условиях воздействия факторов различного генеза и может быть использовано для уточнения параметров существующих популяционных моделей распростране- ния и течения инфекций различного генеза и построения долгосрочного прогноза эпидемиологической ситуации, необ- ходимого для проведения анализа риска инфекционных заболеваний, в том числе при воздействии на организм человека неблагоприятных факторов среды обитания.

Ключевые слова: 
математическая модель, динамическая система, вирусное заболевание, врожденный имму- нитет, приобретенный иммунитет, нейроэндокринная регуляция
Математическая модель для описания регуляции противовирусного иммунного ответа с учетом функциональных нарушений в организме человека / П.В. Трусов, Н.В. Зайцева, В.М. Чигвинцев, Д.В. Ланин // Анализ риска здоровью. – 2017. – № 4. – С. 117–128. DOI: 10.21668/health.risk/2017.4.13
Список литературы: 
  1. Воронин Е.Е., Латышева И.Б. ВИЧ-инфекция в Российской Федерации // Уральский медицинский журнал. – 2016. – № 9 (142). – C. 6–8.
  2. Жданов В.М., Букринская А.Г. Репродукция миксовирусов (вирусов гриппа и сходных с ними). – М.: Медицина, 1969. – 280 c.
  3. Зайцева Н.В., Ланин Д.В., Черешнев В.А. Иммунная и нейроэндокринная регуляция в условиях воздействия химических факторов различного генеза. – Пермь: Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2016. – 236 c.
  4. Ланин Д.В., Зайцева Н.В., Долгих О.В. Нейроэндокринные механизмы регуляции функций иммунной системы // Успехи современной биологии. – 2011. – № 2. – C. 122–134.
  5. Ланин Д.В., Лебедева Т.М. Воздействие химических факторов среды обитания на функции и взаимосвязи регуляторных систем у детей // Гигиена и санитария. – 2016. – Т. 95, № 1. – C. 94–96.
  6. Марчук Г.И., Бербенцова Э.П. Острые пневмонии. Иммунология, оценка тяжести, клиника, лечение. – М.: Наука, 1989. – 304 c.
  7. Методические подходы к оценке интегрального риска здоровью населения на основе эволюционных математических моделей / Н.В. Зайцева, П.З. Шур, И.В. Май, Д.А. Кирьянов // Здоровье населения и среда обитания. – 2011. – № 10. – C. 6–9.
  8. Оценка состояния иммунной системы детского населения как маркера техногенного загрязнения окружающей среды / Л.А. Степаненко, М.Ф. Савченков, С.В. Ильина, Е.В. Анганова, Е.Д. Савилов // Гигие-на и санитария. – 2016. – Т. 95, № 12. – C. 1129–1133.
  9. Полетаев А.Б., Морозов С.Г., Ковалев И.Е. Регуляторная метасистема (иммунонейроэндокринная регуляция гомеостаза). – М.: Медицина, 2002. – 166 c.
  10. Савилов Е.Д., Ильина С.В. Особенности инфекционной патологии детского населения в условиях техногенного загрязнения окружающей среды // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. – 2012. – № 1 (62). – C. 58–63.
  11. Савилов Е.Д., Мальцев М.В. Эпидемиологическая характеристика вирусного гепатита С в условиях крупного промышленного города // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. – 2007. – № 1. – C. 70–71.
  12. Степаненко Л.А., Ильина С.В., Савилов Е.Д. Особенности состояния специфического иммунитета к управляемым инфекциям у детей (на примере кори и полиомиелита) в условиях воздействия техногенной нагрузки // Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. – 2007. – № S3. – C. 66–68.
  13. Техногенное загрязнение окружающей среды и здоровье населения: анализ ситуации и прогноз / Е.Д. Савилов, Е.В. Анганова, С.В. Ильина, Л.А. Степаненко // Гигиена и санитария. – 2016. – Т. 95, № 6. – C. 507–512.
  14. A mathematical model of the immune and neuroendocrine systems mutual regulation under the technogenic chemical factors impact / N.V. Zaitseva, D.A. Kiryanov, D.V. Lanin, V.M. Chigvintsev [Электронный ре-сурс] // Computational and Mathematical Methods in Medicine. – 2014. – URL: https://www.hindawi.com/jour-nals/cmmm/2014/492489/abs/ (дата обращения: 18.04.2017).
  15. Activation of virus specific CTL clones: antigen-dependent regulation of interleukin 2 receptor expression / M.E. Andrew, A.M. Churilla, T.R. Malek, V.L. Braciale, T.J. Braciale // J. Immunol. – 1985. – Vol. 134, № 2. – P. 920–925.
  16. Antibody-forming cells in the nasal-associated lymphoid tissue during primary influenza virus infection / S.I. Tamura, T. Iwasaki, A.H. Thompson, H. Asanuma, Z. Chen, Y. Suzuki, C. Aizawa, T. Kurata // Journal of General Virology. – 1998. – Vol. 79, № 2. – P. 291–299.
  17. Ashley N.T., Demas G.E. Neuroendocrine-immune circuits, phenotypes, and interactions // Hormones and Behavior. – 2017. – Vol. 87. – P. 25–34.
  18. Bairagi N., Chatterjee S., Chattopadhyay J. Variability in the secretion of corticotropin-releasing hormone, adrenocorticotropic hormone and cortisol and understandability of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis dynamics – a mathematical study based on clinical evidence // Mathematical Medicine and Biology. – 2008. – Vol. 25, № 1. – P. 37–63.
  19. Bellavance M., Rivest S. The neuroendocrine control of the innate immune system in health and brain diseases // Immunological Reviews. – 2012. – Vol. 248, № 1. – P. 36–55.
  20. Bocharov G.A., Romanyukha A.A. Mathematical model of antiviral immune response III. Influenza A virus infection // Journal of Theoretical Biology. – 1994. – Vol. 167, № 4. – P. 323–360.
  21. Chapman C.R., Tuckett R.P., Song C.W. Pain and Stress in a Systems Perspective: Reciprocal Neural, Endocrine, and Immune Interactions // Journal of Pain. – 2008. – Vol. 9, № 2. – P. 22–145.
  22. Circadian rhythm of interleukin-1 production of monocytes and the influence of endogenous and exogenous glucocorticoids in man / P. Zabel, H.J. Horst, C. Kreiker, M. Schlaak // Klinische Wochenschrift. – 1990. – Vol. 68, № 24. – P. 1217–1221.
  23. Cytokine kinetics and other host factors in response to pneumococcal pulmonary infection in mice / Y. Bergeron, N. Ouellet, A. Deslauriers, M. Simard, M. Olivier, M. Bergeron // Infect. Immun. – 1998. – Vol. 66, № 3. – P. 912–922.
  24. Demas G.E., Adamo S.A., French S.S. Neuroendocrine-immune crosstalk in vertebrates and invertebrates: Implications for host defence // Functional Ecology. – 2011. – Vol. 25, № 1.– P. 29–39.
  25. Effect of compassion meditation on neuroendocrine, innate immune and behavioral responses to psychosocial stress / T.W. Pace, L.T. Negi, D.D. Adame, S.P. Cole, T.I. Sivilli, T.D. Brown, M.J. Issa, C.L. Raison // Psychoneuroendocrinology. – 2009. – № 34. – P. 87–98.
  26. Felig P., Frohman L. Endocrinology and metabolism. 4er ed. – New York: McGraw-Hill, 2001. – 1562 p.
  27. Gloff C., Wills R. Pharmacokinetics and Metabolism of Therapeutic Cytokines / eds. B. Ferraiolo, M. Mohler, C. Gloff. – New York: Plenum Press, 1992. – P. 127–150.
  28. Haus E., Smolensky M.H. Biologic rhythms in the immune system // Chronobiology international. – 1999. – Vol. 16, № 5. – P. 581–622.
  29. Heffner K.L. Neuroendocrine Effects of Stress on Immunity in the Elderly: Implications for Inflammatory Disease // Immunology and Allergy Clinics of North America. – 2011. – Vol. 31, № 1. – P. 95–108.
  30. Heijnen C.J. Receptor regulation in neuroendocrine-immune communication: current knowledge and future perspectives // Brain, behavior, and immunity. – 2007. – Vol. 21, № 1. – P. 1–8.
  31. Inflammatory responses in influenza A virus infection / I. Julkunen, K. Melen, M. Nyqvist, J. Pirhonen, T. Sareneva, S. Matikainen // Vaccine. – 2000. – Vol. 19, № 1. – P. 32–37.
  32. Interleukin 2 receptors on human B cells. Implications for the role of interleukin 2 in human B cell func-tion / A. Muraguchi, J.H. Kehrl, D.L. Longo, D.J. Volkman, K.A. Smith, A.S. Fauci // The Journal of experimental medicine. – 1985. – № 1 (161). – P. 181–97.
  33. Joklik W.K. Interferons / B.N. Fields, ed. – New York: Raven Press, 1985. – P. 281–307.
  34. Keenan K.P., Combs J.W., McDowell E.M. Regeneration of hamster tracheal epithelium after mechanical injury // Virchows Archiv B Cell Pathology Including Molecular Pathology. – 1983. – № 1 (42). – P. 231–252.
  35. Kerdiles Y., Ugolini S., Vivier E. T cell regulation of natural killer cells // The Journal of Experimental Medicine. – 2013. – Vol. 210, № 6. – P. 1065–1068.
  36. Mathematical model of antiviral immune response. I. Data analysis, generalized picture construction and parameters evaluation for hepatitis B / G.I. Marchuk, R.V. Petrov, A.A. Romanyukha, G.A. Bocharov // Journal of Theoretical Biology. – 1991. – Vol. 151, № 1. – P. 1–40.
  37. Miyake S. Mind over cytokines: Crosstalk and regulation between the neuroendocrine and immune systems // Clinical and Experimental Neuroimmunology. – 2012. – Vol. 3, № 1. – P. 1–15.
  38. Pathophysiology of hypercortisolism in depression / B.J. Carroll, F. Cassidy, D. Naftolowitz, N.E. Tatham, W.H. Wilson, A. Iranmanesh, P.Y. Liu, J.D. Veldhuis // Acta Psychiatrica Scandinavica. – 2007. – Vol. 115. – P. 90–103.
  39. Ronni T., Sareneva T., Pirhonen J., Julkunen I. Activation of IFN-alpha, IFN-gamma, MxA, and IFN regulatory factor 1 genes in influenza A virusinfected human peripheral blood mononuclear cells // Journal of immu-nology. – 1995. – Vol. 154, № 6. – P. 2764–2774.
  40. Sareneva T., Matikainen S., Kurimoto M., Julkunen I. Influenza A virus-induced IFN-alpha/beta and IL-18 synergistically enhance IFN-gamma gene expression in human T cells // Journal of immunology. – 1998. – Vol. 160, № 12. – P. 6032–6038.
  41. Suarez E.C., Sundy J.S., Erkanli A. Depressogenic vulnerability and gender-specific patterns of neuro-immune dysregulation: What the ratio of cortisol to C-reactive protein can tell us about loss of normal regulatory control // Brain, Behavior, and Immunity. – 2015. – № 44. – P. 137–147.
  42. Vinther F., Andersen M., Ottesen J.T. The minimal model of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis // Journal of Mathematical Biology. – 2011. – Vol. 63, № 4. – P. 663–690.
  43. Wohlfartt C. Neutralization of Adenoviruses: Kinetics, Stoichiometry, and Mechanisms // J Immunol. – 1988. – № 7 (62). – P. 2321–2328.
  44. World Health Organization World Health Organization. World health statistics 2016: monitoring health for the SDGs, sustainable development goals // World Health Organization. – 2016. – 121 p.
Получена: 
18.08.2017
Принята: 
20.12.2017
Опубликована: 
30.12.2017

Вы здесь