Международная группа ученых при активном участии российских исследователей занимается математическим моделированием вируса иммунодефицита человека. Ученые хотят понять, как именно вирус взаимодействует с организмом человека и как можно бороться с последствиями его негативного воздействия. Геннадий Бочаров, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт вычислительной математики Российской академии наук», и Андреас Мэйерханс, руководитель лаборатории биологии инфекций, профессор ИКРЕА Университета им. Помпеу Фабра в Барселоне, рассказали о том, почему иммунная система не способна к эффективному восстановлению после поражения ВИЧ-инфекцией, а также о том, как можно решить эту проблему.

— Геннадий, Андреас, расскажите, пожалуйста, какие еще исследователи принимают участие в проекте?

Геннадий Бочаров: Помимо меня и моего коллеги Андреаса Мэйерханса, на котором лежит экспериментальная часть исследования, над проектом работает Виталий Вольперт, профессор математики из института Камиля Жордана при Университете Лион-1, он специализируется на математических решениях и моделировании. Мы также сотрудничаем с Пермским краевым центром по профилактике и борьбе со СПИДом и инфекционными заболеваниями —

там проводятся клинические исследования уровня вирусной нагрузки, а также гормональных и иммунных показателей у детей, рожденных от ВИЧ-инфицированных матерей.

Их возглавляет четвертый основной исполнитель проекта — Борис Бахметьев, кандидат медицинских наук, заведующий лабораторией экологической иммунологии Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН.

— Как вам удалось собрать такой коллектив из ученых, представляющих разные страны?

Геннадий Бочаров: В 2015 году мы подали наш проект на конкурс «Новые подходы к борьбе с инфекционными заболеваниями», проводимый Российским научным фондом. Благодаря поддержке фонда стало возможным сформировать междисциплинарную группу из активно работающих отечественных и зарубежных исследователей для реализации системного подхода к исследованию механизмов хронизации вирусных инфекций человека и животных. Уникальные условия, предоставляемые фондом для изучения этой сложной проблемы, в сочетании с накопленным опытом работы в этой области и налаженным сотрудничеством ключевых исполнителей проекта позволяют решать весьма широкой круг задач: от развития методов многомасштабного математического моделирования регуляторных процессов при инфекции вирусами иммунодефицита человека (ВИЧ) до разработки оптимальных режимов мультимодальных воздействий на динамику инфекции с учетом иммунного статуса пациентов. Участие в проекте аспирантов и магистров дает возможность

подготовить новое поколение исследователей в области математической иммунологии, владеющих необходимым спектром современных инструментов моделирования и опытом проведения исследований в международной конкурентной среде.

— Расскажите, пожалуйста, что уже было сделано в рамках конкретно этого исследования?

Геннадий Бочаров: Сейчас мы сфокусировались на трех фундаментальных аспектах и многофункциональном математическом моделировании. Мы хотим понять фундаментальный механизм, который отвечает за развитие хронических инфекций, и изучить мультимодальные (то есть действующие на различные системы организма) средства контроля, которые можно было бы применять для корректировки нежелательных сдвигов в динамике инфекционных заболеваний.

Существует три различающихся по своей природе способа повлиять на динамику взаимодействия ВИЧ с организмом инфицированного человека.

Первый, достаточно широко доступный, — антиретровирусная терапия. Существует примерно 26 препаратов, которые позволяют воздействовать на различные этапы внутриклеточной репликации и созревания вируса. В целом это хороший способ, но есть некоторое количество побочных эффектов, он дорогой, и не все пациенты придерживаются схем лечения, которые им предлагают, поскольку это существенно нарушает качество их жизни.

— А какие могут быть побочные эффекты?

Андреас Мэйерханс: Например, нарушения в работе сердечно-сосудистой системы, центральной нервной системы, системы регуляции метаболизма.

Лекарства, которые сейчас существуют на рынке, употребляют в различных комбинациях, при этом они воздействуют на разные этапы репликации вируса.

Поэтому одна из наших задач — скомбинировать эти лекарственные средства в одно, спроектировать максимально эффективное терапевтическое средство путем поиска на основе анализа чувствительности моделей синергийных эффектов в их совместном действии. Необходимо сделать так, чтобы результат приема лекарств сохранялся, чтобы симптомы не вернулись в течение одной-двух недель. Это возможно путем изменения баланса ВИЧ и иммунной системы таким образом, чтобы противовирусные иммунные реакции могли ослаблять вирусные процессы до непатогенного уровня.

Геннадий Бочаров: В России вирусом иммунодефицита заражено более миллиона человек, и не все получают дорогостоящее лечение. Вторая проблема состоит в том, что антиретровирусная терапия не обеспечивает реальную полноценную защиту.

Иммунная система не восстанавливается, даже если снижается вирусная нагрузка.

Это происходит потому, что нарушается баланс между различными субпопуляциями клеток иммунной системы, например регуляторными Т-клетками и Т-лимфоцитами хелперами CD4+. Уровень активности иммунных процессов определяется балансом активирующих и супрессирующих сигналов. При ВИЧ-инфекции усиливается экспрессия рецепторов, которые отвечают за передачу сигналов на снижение функциональной активности или даже гибель клеток.

Поэтому второй блок подходов к лечению связан с применением иммуномодулирующих препаратов, которые дают различным компонентам иммунной защиты или отдельным субпопуляциям клеток возможность стимулировать или подавлять специфические звенья иммунного реагирования и тем самым влиять на динамику системы «ВИЧ – организм человека».

— То есть частичное восстановление иммунной системы становится возможным?

Геннадий Бочаров: Да, при данном подходе частичное восстановление, безусловно, происходит. Но полного восстановления нет, и более того, антиретровирусная терапия не обеспечивает восстановление численности CD4+ Т-хелперов. Это наглядно демонстрируют исследования, проводимые нашими коллегами, с которыми мы активно сотрудничаем, — академиком Валерием Черешневым и д.м.н. Константином Шмагелем (г. Пермь) по лечению пациентов, больных ВИЧ и гепатитом C.

— А почему функции иммунной системы не восстанавливаются, если снижена вирусная нагрузка?

Геннадий Бочаров: Тут все дело в глубине поражений и изменений в организме человека при попадании и развитии ВИЧ-инфекции. Вирус иммунодефицита поражает клетки иммунной системы человека, которые находятся в лимфоидных органах, в частности в лимфоидной ткани кишечника, селезенке и лимфоузлах, коих в организме насчитывается более 500.

— И что происходит в этих органах?

Геннадий Бочаров: Лимфоидные органы состоят из стромы, которая формируют каркас, в конкретном случае — из фибробластных ретикулярных клеток (ФРК). Когда Т-лимфоцит CD4+ или CD8+ попадает в лимфатический узел, ему нужно вступить в контакт с клетками стромы. Если лимфоцит получает сигнал от ФРК, то он выживает, а если сигнала нет, то клетка гибнет.

В ходе инфицирования ВИЧ разрушается эпителий стенок кишечника, бактериальные продукты проникают в кровь и вызывают системное хроническое воспаление.

В иммунной системе есть механизмы, которые блокируют хроническую активацию, — это регуляторные Т-клетки, упомянутые ранее. В числе других процессов они стимулируют синтез коллагена фибробластными ретикулярными клетками. Коллагеновые нити частично блокируют свободную миграцию клеток, транспорт цитокинов, и иммунная активность в целом снижается. И фиброз, который имеет место при ВИЧ-инфекции, рассматривается как одна из ключевых причин, по которой полное восстановление иммунитета невозможно. Это ставит задачу анализа с помощью моделей и антифиброзной терапии как компонента мультимодальных воздействий. Для исследования структуры и функции лимфатических узлов при экспериментальных вирусных инфекциях мы также сотрудничаем с Институтом иммунобиологии кантонального госпиталя города Санкт-Галлен (Швейцария), руководимым профессором Б. Людвигом.

Наконец, ключевая проблема лечения ВИЧ-инфекции состоит в том, что вирус полностью интегрируется в человеческую хромосому, становится невидимым, пока клетка не активируется.

А еще он способен видоизменяться со временем путем процессов мутирования и рекомбинации геномов, что делает вирус движущейся мишенью для иммунной системы в пространстве антигенных признаков. Соответственно, и течение болезни протекает у всех по-разному.

— Как вы предлагаете решить эту проблему?

Геннадий Бочаров: Это подводит к необходимости теоретически исследовать третий способ повлиять на динамику взаимодействия ВИЧ с организмом. С помощью создания многофункциональной математической модели мы можем изучить, насколько иммунная система чувствительна к внешним воздействиям, а в будущем —

спроектировать эффективный комбинированный препарат с минимальной концентрацией лекарственных компонентов,

которые действуют на различные звенья инфекции и иммунофизиологических процессов и обладают синергийным эффектом.

Андреас Мэйерханс: Это очень важно, потому что уменьшение уровня вирусной нагрузки антиретровирусными лекарствами связано с зависимостью состояния организма от препарата, и прекращение приема вызовет рецидив заболевания. К тому же лекарства могут иметь побочные эффекты, как отмечалось выше.

— А как проходила экспериментальная часть исследования?

Андреас Мэйерханс: Мы рассматривали инфекцию вируса милимфоцитарного хориоменингита (ВЛХМ) мышей, имеющую много общих закономерностей в динамике с ВИЧ-инфекцией.

— Поэтому для клинической части исследования был выбран именно ВЛХМ, а не, например, вирус иммунодефицита обезьян?

Геннадий Бочаров: ВЛХМ — экспериментальный вирус, который часто используют в исследованиях в иммунологии, своеобразный «золотой стандарт».

Андреас Мэйерханс: Лабораторные исследования мы начали проводить около трех лет назад.

У нас собраны данные транскриптомного анализа по динамике активности около 11 тыс. генов при остром и хроническом вариантах течения инфекции.

Программисты-биоинформатики проанализировали имеющиеся данные, и по итогам работы построены математические модели динамики экспрессии генов. В Барселоне, кстати, мы контактируем с двумя госпиталями, а одна из моих бывших аспиранток принимает непосредственное участие в мониторинге испытаний вакцин. Это дает нам дополнительную информацию, которую мы используем при создании математических моделей.

— То есть в проекте участвуют молодые ученые?

Геннадий Бочаров: Да, в исследовании задействованы шесть молодых специалистов из России — один из ИВМ РАН (к.ф.-м.н. А.А. Данилов), трое аспирантов из МГУ имени М.В. Ломоносова (В.В. Желткова, А.А. Кислицын, Р.С. Савинков), два магистра из МФТИ (Д.С. Гребенников) и МГУ имени М.В. Ломоносова (Р.М. Третьякова), а также аспирант из Лиона (Анасс Бучнита). Мы надеемся, что в течение трех следующих лет они станут по-настоящему опытными исследователями в области математической иммунологии и внесут свой вклад в развитие научной школы, созданной академиком Г.И. Марчуком.

Следует также дополнить, что мы активно сотрудничаем с коллегами из научных институтов Новосибирска (д.б.н. С.И. Бажан, д.б.н. В.А. Лихошвай, д.б.н. Т.М. Хлебодарова, к.ф.-м.н. И.А. Гайнова) в области моделирования внутриклеточного онтогенеза ВИЧ, Екатеринбурга (д.ф.-м.н. А.В. Ким) — в задачах оптимального управления динамикой ВИЧ-инфекции и Москвы (д.б.н. Э.В. Карамов) — по анализу генетических особенностей ВИЧ-инфекции в РФ.

— Расскажите, пожалуйста, о ваших дальнейших научных планах.

Геннадий Бочаров: К концу года мы планируем разработать многомасштабную модель ВИЧ-инфекции и исследовать на ее основе факторы, лежащие в основе фенотипически различных вариантов течения ВИЧ-инфекции и несостоятельности иммунного ответа.

Планируем сдать в печать книгу о математическом моделировании в иммунологии.

Вообще математическое моделирование сложных систем является востребованным методом не только в иммунологии или в биологии, поэтому обучение студентов их содержательному моделированию — актуальная задача.

Международная группа ученых при активном участии российских исследователей занимается математическим моделированием вируса иммунодефицита человека. Ученые хотят понять, как именно вирус взаимодействует с организмом человека и как можно бороться с последствиями его негативного воздействия. Геннадий Бочаров, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт вычислительной математики Российской академии наук», и Андреас Мэйерханс, руководитель лаборатории биологии инфекций, профессор ИКРЕА Университета им. Помпеу Фабра в Барселоне, рассказали о том, почему иммунная система не способна к эффективному восстановлению после поражения ВИЧ-инфекцией, а также о том, как можно решить эту проблему.

— Геннадий, Андреас, расскажите, пожалуйста, какие еще исследователи принимают участие в проекте?

Геннадий Бочаров: Помимо меня и моего коллеги Андреаса Мэйерханса, на котором лежит экспериментальная часть исследования, над проектом работает Виталий Вольперт, профессор математики из института Камиля Жордана при Университете Лион-1, он специализируется на математических решениях и моделировании. Мы также сотрудничаем с Пермским краевым центром по профилактике и борьбе со СПИДом и инфекционными заболеваниями —

там проводятся клинические исследования уровня вирусной нагрузки, а также гормональных и иммунных показателей у детей, рожденных от ВИЧ-инфицированных матерей.

Их возглавляет четвертый основной исполнитель проекта — Борис Бахметьев, кандидат медицинских наук, заведующий лабораторией экологической иммунологии Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН.

— Как вам удалось собрать такой коллектив из ученых, представляющих разные страны?

Геннадий Бочаров: В 2015 году мы подали наш проект на конкурс «Новые подходы к борьбе с инфекционными заболеваниями», проводимый Российским научным фондом. Благодаря поддержке фонда стало возможным сформировать междисциплинарную группу из активно работающих отечественных и зарубежных исследователей для реализации системного подхода к исследованию механизмов хронизации вирусных инфекций человека и животных. Уникальные условия, предоставляемые фондом для изучения этой сложной проблемы, в сочетании с накопленным опытом работы в этой области и налаженным сотрудничеством ключевых исполнителей проекта позволяют решать весьма широкой круг задач: от развития методов многомасштабного математического моделирования регуляторных процессов при инфекции вирусами иммунодефицита человека (ВИЧ) до разработки оптимальных режимов мультимодальных воздействий на динамику инфекции с учетом иммунного статуса пациентов. Участие в проекте аспирантов и магистров дает возможность

подготовить новое поколение исследователей в области математической иммунологии, владеющих необходимым спектром современных инструментов моделирования и опытом проведения исследований в международной конкурентной среде.

— Расскажите, пожалуйста, что уже было сделано в рамках конкретно этого исследования?

Геннадий Бочаров: Сейчас мы сфокусировались на трех фундаментальных аспектах и многофункциональном математическом моделировании. Мы хотим понять фундаментальный механизм, который отвечает за развитие хронических инфекций, и изучить мультимодальные (то есть действующие на различные системы организма) средства контроля, которые можно было бы применять для корректировки нежелательных сдвигов в динамике инфекционных заболеваний.

Существует три различающихся по своей природе способа повлиять на динамику взаимодействия ВИЧ с организмом инфицированного человека.

Первый, достаточно широко доступный, — антиретровирусная терапия. Существует примерно 26 препаратов, которые позволяют воздействовать на различные этапы внутриклеточной репликации и созревания вируса. В целом это хороший способ, но есть некоторое количество побочных эффектов, он дорогой, и не все пациенты придерживаются схем лечения, которые им предлагают, поскольку это существенно нарушает качество их жизни.

— А какие могут быть побочные эффекты?

Андреас Мэйерханс: Например, нарушения в работе сердечно-сосудистой системы, центральной нервной системы, системы регуляции метаболизма.

Лекарства, которые сейчас существуют на рынке, употребляют в различных комбинациях, при этом они воздействуют на разные этапы репликации вируса.

Поэтому одна из наших задач — скомбинировать эти лекарственные средства в одно, спроектировать максимально эффективное терапевтическое средство путем поиска на основе анализа чувствительности моделей синергийных эффектов в их совместном действии. Необходимо сделать так, чтобы результат приема лекарств сохранялся, чтобы симптомы не вернулись в течение одной-двух недель. Это возможно путем изменения баланса ВИЧ и иммунной системы таким образом, чтобы противовирусные иммунные реакции могли ослаблять вирусные процессы до непатогенного уровня.

Геннадий Бочаров: В России вирусом иммунодефицита заражено более миллиона человек, и не все получают дорогостоящее лечение. Вторая проблема состоит в том, что антиретровирусная терапия не обеспечивает реальную полноценную защиту.

Иммунная система не восстанавливается, даже если снижается вирусная нагрузка.

Это происходит потому, что нарушается баланс между различными субпопуляциями клеток иммунной системы, например регуляторными Т-клетками и Т-лимфоцитами хелперами CD4+. Уровень активности иммунных процессов определяется балансом активирующих и супрессирующих сигналов. При ВИЧ-инфекции усиливается экспрессия рецепторов, которые отвечают за передачу сигналов на снижение функциональной активности или даже гибель клеток.

Поэтому второй блок подходов к лечению связан с применением иммуномодулирующих препаратов, которые дают различным компонентам иммунной защиты или отдельным субпопуляциям клеток возможность стимулировать или подавлять специфические звенья иммунного реагирования и тем самым влиять на динамику системы «ВИЧ – организм человека».

— То есть частичное восстановление иммунной системы становится возможным?

Геннадий Бочаров: Да, при данном подходе частичное восстановление, безусловно, происходит. Но полного восстановления нет, и более того, антиретровирусная терапия не обеспечивает восстановление численности CD4+ Т-хелперов. Это наглядно демонстрируют исследования, проводимые нашими коллегами, с которыми мы активно сотрудничаем, — академиком Валерием Черешневым и д.м.н. Константином Шмагелем (г. Пермь) по лечению пациентов, больных ВИЧ и гепатитом C.

— А почему функции иммунной системы не восстанавливаются, если снижена вирусная нагрузка?

Геннадий Бочаров: Тут все дело в глубине поражений и изменений в организме человека при попадании и развитии ВИЧ-инфекции. Вирус иммунодефицита поражает клетки иммунной системы человека, которые находятся в лимфоидных органах, в частности в лимфоидной ткани кишечника, селезенке и лимфоузлах, коих в организме насчитывается более 500.

— И что происходит в этих органах?

Геннадий Бочаров: Лимфоидные органы состоят из стромы, которая формируют каркас, в конкретном случае — из фибробластных ретикулярных клеток (ФРК). Когда Т-лимфоцит CD4+ или CD8+ попадает в лимфатический узел, ему нужно вступить в контакт с клетками стромы. Если лимфоцит получает сигнал от ФРК, то он выживает, а если сигнала нет, то клетка гибнет.

В ходе инфицирования ВИЧ разрушается эпителий стенок кишечника, бактериальные продукты проникают в кровь и вызывают системное хроническое воспаление.

В иммунной системе есть механизмы, которые блокируют хроническую активацию, — это регуляторные Т-клетки, упомянутые ранее. В числе других процессов они стимулируют синтез коллагена фибробластными ретикулярными клетками. Коллагеновые нити частично блокируют свободную миграцию клеток, транспорт цитокинов, и иммунная активность в целом снижается. И фиброз, который имеет место при ВИЧ-инфекции, рассматривается как одна из ключевых причин, по которой полное восстановление иммунитета невозможно. Это ставит задачу анализа с помощью моделей и антифиброзной терапии как компонента мультимодальных воздействий. Для исследования структуры и функции лимфатических узлов при экспериментальных вирусных инфекциях мы также сотрудничаем с Институтом иммунобиологии кантонального госпиталя города Санкт-Галлен (Швейцария), руководимым профессором Б. Людвигом.

Наконец, ключевая проблема лечения ВИЧ-инфекции состоит в том, что вирус полностью интегрируется в человеческую хромосому, становится невидимым, пока клетка не активируется.

А еще он способен видоизменяться со временем путем процессов мутирования и рекомбинации геномов, что делает вирус движущейся мишенью для иммунной системы в пространстве антигенных признаков. Соответственно, и течение болезни протекает у всех по-разному.

— Как вы предлагаете решить эту проблему?

Геннадий Бочаров: Это подводит к необходимости теоретически исследовать третий способ повлиять на динамику взаимодействия ВИЧ с организмом. С помощью создания многофункциональной математической модели мы можем изучить, насколько иммунная система чувствительна к внешним воздействиям, а в будущем —

спроектировать эффективный комбинированный препарат с минимальной концентрацией лекарственных компонентов,

которые действуют на различные звенья инфекции и иммунофизиологических процессов и обладают синергийным эффектом.

Андреас Мэйерханс: Это очень важно, потому что уменьшение уровня вирусной нагрузки антиретровирусными лекарствами связано с зависимостью состояния организма от препарата, и прекращение приема вызовет рецидив заболевания. К тому же лекарства могут иметь побочные эффекты, как отмечалось выше.

— А как проходила экспериментальная часть исследования?

Андреас Мэйерханс: Мы рассматривали инфекцию вируса милимфоцитарного хориоменингита (ВЛХМ) мышей, имеющую много общих закономерностей в динамике с ВИЧ-инфекцией.

— Поэтому для клинической части исследования был выбран именно ВЛХМ, а не, например, вирус иммунодефицита обезьян?

Геннадий Бочаров: ВЛХМ — экспериментальный вирус, который часто используют в исследованиях в иммунологии, своеобразный «золотой стандарт».

Андреас Мэйерханс: Лабораторные исследования мы начали проводить около трех лет назад.

У нас собраны данные транскриптомного анализа по динамике активности около 11 тыс. генов при остром и хроническом вариантах течения инфекции.

Программисты-биоинформатики проанализировали имеющиеся данные, и по итогам работы построены математические модели динамики экспрессии генов. В Барселоне, кстати, мы контактируем с двумя госпиталями, а одна из моих бывших аспиранток принимает непосредственное участие в мониторинге испытаний вакцин. Это дает нам дополнительную информацию, которую мы используем при создании математических моделей.

— То есть в проекте участвуют молодые ученые?

Геннадий Бочаров: Да, в исследовании задействованы шесть молодых специалистов из России — один из ИВМ РАН (к.ф.-м.н. А.А. Данилов), трое аспирантов из МГУ имени М.В. Ломоносова (В.В. Желткова, А.А. Кислицын, Р.С. Савинков), два магистра из МФТИ (Д.С. Гребенников) и МГУ имени М.В. Ломоносова (Р.М. Третьякова), а также аспирант из Лиона (Анасс Бучнита). Мы надеемся, что в течение трех следующих лет они станут по-настоящему опытными исследователями в области математической иммунологии и внесут свой вклад в развитие научной школы, созданной академиком Г.И. Марчуком.

Следует также дополнить, что мы активно сотрудничаем с коллегами из научных институтов Новосибирска (д.б.н. С.И. Бажан, д.б.н. В.А. Лихошвай, д.б.н. Т.М. Хлебодарова, к.ф.-м.н. И.А. Гайнова) в области моделирования внутриклеточного онтогенеза ВИЧ, Екатеринбурга (д.ф.-м.н. А.В. Ким) — в задачах оптимального управления динамикой ВИЧ-инфекции и Москвы (д.б.н. Э.В. Карамов) — по анализу генетических особенностей ВИЧ-инфекции в РФ.

— Расскажите, пожалуйста, о ваших дальнейших научных планах.

Геннадий Бочаров: К концу года мы планируем разработать многомасштабную модель ВИЧ-инфекции и исследовать на ее основе факторы, лежащие в основе фенотипически различных вариантов течения ВИЧ-инфекции и несостоятельности иммунного ответа.

Планируем сдать в печать книгу о математическом моделировании в иммунологии.

Вообще математическое моделирование сложных систем является востребованным методом не только в иммунологии или в биологии, поэтому обучение студентов их содержательному моделированию — актуальная задача.