计算机模型可以帮助测试新的镰状细胞药物

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——布朗大学的一组研究人员开发了一种新的计算机模型，可以模拟镰状细胞病使红细胞畸形的过程。发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文描述了该模型，它可能在临床前评估旨在预防镰状细胞病的药物时有用。

“目前只有两种药物被FDA批准用于治疗镰状细胞病，而且它们并不适用于所有人，”该研究的联合首席作者、布朗大学应用数学系博士生陆禄说。“我们想建立一个模型，考虑到整个镰状体过程，可以用于快速、廉价地筛选新药候选。”

镰状细胞病是一种影响全球数百万人的遗传疾病。这种疾病导致红细胞变得僵硬、黏糊糊、呈镰刀状(有点像新月)，红细胞通常是柔软的圆形。不规则形状的细胞会卡在血管里，导致疼痛、肿胀、中风和其他并发症。

在细胞水平上，镰状细胞病影响血红蛋白，血红蛋白是红细胞中负责运输氧气的蛋白质。当缺氧时，镰状细胞血红蛋白在细胞内聚集。然后，这些团块形成长长的聚合物纤维，它们会挤压细胞壁，使细胞变硬，迫使它们变形。

布朗大学应用数学教授、这项新研究的资深作者乔治?最近，他与卢和布朗大学(Brown)的研究教授何立合作，为镰状细胞发育过程的每个阶段建立了详细的生物物理模型，包括红细胞功能的OpenRBC模型和镰状细胞纤维形成的超级计算机模型。

这个新模型结合和简化了以前的模型，创建了一个单一的动力学模型，整个镰刀过程。利用从详细的超级计算机模型中收集的信息，研究人员能够构建一个简化的版本，捕捉镰状细胞生长过程的所有重要动态，而且可以在笔记本电脑上运行。

为了验证这个模型，研究人员表示，它可以重现之前在实验室和人身上进行的实验的结果。

由于镰状体发育过程的动态可能因其发生在身体的不同部位而不同，研究人员设计了这个模型来模拟不同器官的镰状体发育过程。例如，由于氧气在这一过程中起着关键作用，镰状体在富氧区(如肺部)的展开方式与在缺氧区(如肾脏)的展开方式非常不同。该模型允许用户输入特定于他们希望模拟的器官的参数。同样的灵活性也使模型能够运行为个别病人谁可能有或多或少的严重版本的障碍。

为了测试药物的潜在有效性，该模型允许用户输入一种药物假定起作用的行为模式，通常在初步的实验室研究中收集信息。例如，如果一种药物的设计目的是提高红细胞中健康血红蛋白的数量，该信息可以被模型用于对大量的患者特异性或器官特异性红细胞产生影响。

Karniadakis说:“有时候，一种药物可以设计用于一个参数，但最终对其他参数产生不同的影响。”“该模型可以判断这些影响是协同的，还是相互抵消的。所以这个模型可以让我们了解药物的总体效果。”

研究人员希望该模型能够在识别有希望的候选药物方面发挥作用。

Karniadakis说:“临床药物试验非常昂贵，而且绝大多数都不成功。”“我们的希望是，在进行临床试验之前，我们可以在硅实验中筛选潜在的药物。”

论文的其他合著者还有李震、李雪瑾和彼得•维基洛夫。该研究由国家心肺血液研究所(U01HL114476)资助。