Peneliti Husker Mengambil Langkah Selanjutnya Menuju Sistem Kekebalan Virtual | Nebraska hari ini

Hibah National Institutes of Health yang diperbarui akan memungkinkan peneliti Universitas Nebraska-Lincoln untuk terus mengembangkan alat yang menyoroti interaksi multi-skala yang kompleks dari banyak komponen sistem kekebalan.

Tomas Helikar, Profesor Biokimia Susan J. Rosowski, akan menggunakan hibah lima tahun senilai $1,8 juta dari NIHPenghargaan Penelitian Maximizing Investigators untuk memajukan karyanya pada sistem kekebalan virtual yang bertujuan untuk meningkatkan pemahaman tentang penyakit yang berhubungan dengan kekebalan dan mempercepat kecepatan dan efisiensi pengembangan obat.

Helikar percaya model ini dapat secara signifikan mengurangi waktu dan biaya perjalanan obat dari laboratorium ke pasar, yang seringkali memakan waktu lebih dari 10 tahun dan menghabiskan biaya sekitar $1,3 miliar.

“Dengan mampu memetakan, memodelkan dan mensimulasikan sistem kekebalan manusia, tujuannya adalah untuk mengidentifikasi target obat yang lebih efektif dan menghilangkan asumsi yang salah yang dapat membawa Anda ke lubang kelinci yang tidak mengarah ke mana-mana.”, kata Helikar. .

Model itu akan mengisi celah dalam ilmu kesehatan manusia. Meskipun sistem kekebalan bisa dibilang salah satu “mesin” paling kompleks dalam tubuh manusia, tidak ada representasi komputer yang memungkinkan para ilmuwan untuk menguji hipotesis di lingkungan berisiko rendah.

“Salah satu cara untuk memikirkannya adalah kami memiliki model mesin dan roket yang kami simulasikan sebelum menggunakannya, dan kami dapat memprediksi parameter berbeda yang akan membuatnya bekerja,” katanya. “Di sisi kesehatan manusia, kami tidak benar-benar memiliki yang setara. Tujuan jangka panjang kami adalah mengembangkan alat seperti ini.

Ini adalah tugas yang menakutkan: sistem kekebalan mencakup organ, jaringan, antibodi, sel, gen, dan banyak lagi yang terus-menerus memengaruhi perilaku satu sama lain. Interaksi ini terjadi pada skala yang berbeda: di bagian tubuh yang berbeda, pada waktu yang berbeda dan pada tingkat organisasi yang berbeda.

Untuk mendemonstrasikan kelayakan memasukkan masing-masing timbangan dalam satu model, Helikar dan tim kolaborator Husker – yang keahliannya mencakup pengembangan perangkat lunak dan teknologi, imunologi, biologi, biokimia, dan lainnya – telah menggunakan bagian pertama dari MELIHAT hibah untuk membangun metode komputasi dan alat yang berfokus pada satu jenis sel kekebalan. Mereka memilih CD4+ Sel T, yang merupakan “pembantu” dalam sistem kekebalan yang merangsang sel lain untuk melawan patogen.

Seperti yang dirinci dalam sebuah penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di OLP biologi komputasi, tim berhasil membangun a CD4+ Model berbasis sel T menggabungkan empat pendekatan matematika yang berbeda, tiga skala spasial dan jaringan kekebalan yang berbeda.

Keberhasilan tim dalam meluncurkan model ini sangat penting, kata Helikar, karena model ini membentuk metode untuk menghubungkan skala yang berbeda dari sistem kekebalan secara matematis dan komputasi. Tetapi memperluas model untuk memasukkan lebih banyak jenis sel, molekul, gen, dan organ akan membutuhkan menghubungkan lebih banyak pendekatan matematis dengan cara yang efisien secara komputasi. Menghilangkan hambatan ini dengan meningkatkan kecepatan dan efisiensi algoritma model adalah tujuan utama untuk lima tahun ke depan.

Helikar juga berencana untuk memungkinkan model untuk menjelaskan fisiologi seseorang atau kelompok demografis tertentu. Langkah ini dapat membuka pintu untuk pengobatan yang dipersonalisasi, di mana dokter dapat menyesuaikan rejimen pengobatan berdasarkan fungsi kekebalan pasien tertentu.

Meski skala proyeknya menakutkan, Helikar termotivasi oleh pengalamannya sebagai seorang ayah. Pada tahun 2014, putranya lahir dengan mutasi genetik langka yang memerlukan transplantasi paru ganda pada usia sembilan minggu, menjadikannya manusia termuda kedua yang menjalani prosedur tersebut.

Transplantasi sejauh ini memberi putra Helikar tujuh tahun kehidupan, dua tahun lebih lama dari harapan hidup rata-rata untuk penerima transplantasi paru-paru. Tetapi salah satu biaya dari prosedur ini adalah sistem kekebalan yang melemah: ketika pasien menjalani transplantasi, sistem kekebalan mereka mungkin melihat organ baru sebagai penyerbu dan menyerangnya.

Untuk meredam respons ini, penerima transplantasi menggunakan obat imunosupresif. Tetapi obat-obatan ini secara universal melemahkan sistem kekebalan, membuat pasien lebih rentan terhadap penyakit menular dan kanker.

Triknya, kata Helikar, adalah menyempurnakan sistem kekebalan sehingga tidak menghancurkan organ yang ditransplantasikan tetapi mempertahankan kemampuannya untuk melindungi penerima dari hal lain. Melihat secara langsung kebutuhan untuk mencapai keseimbangan yang rapuh ini, dia memupuk ambisi penelitiannya.

“Dengan putra saya, itu membuat saya fokus pada sistem kekebalan tubuh,” kata Helikar. “Saya melihat pentingnya memahami sepenuhnya bagaimana sistem kekebalan bekerja dan bagaimana kita dapat benar-benar memasang kembali dan memprogram ulang untuk melakukan apa yang kita butuhkan.”

Dengan dukungan dari University of Nebraska Collaborative Initiative, Helikar bermitra dengan dokter di University of Nebraska Medical Center, termasuk ahli transplantasi hati, untuk mengeksplorasi bagaimana modelnya dapat membantu penerima transplantasi.

Helikar juga menerapkan model tersebut pada jenis penyakit lain. Tahun lalu, timnya menerbitkan sebuah studi di Sistem Biologi dan Aplikasi yang mengeksplorasi bagaimana FDA-obat yang disetujui dapat digunakan kembali untuk mengobati tiga penyakit autoimun: rheumatoid arthritis, multiple sclerosis dan primary biliary cholangitis. Dia juga menggunakan pendekatan komputasi untuk mengidentifikasi perawatan obat antivirus untuk influenza, yang merupakan lintasan yang mungkin relevan untuk virus lain seperti covid-19.

Selain itu, Helikar adalah bagian dari tim National Institute for Strategic Research yang melakukan pekerjaan yang didanai Departemen Pertahanan untuk mengembangkan terapi obat guna melindungi anggota layanan dari efek paparan radiasi.

Dalam jangka panjang, ia membayangkan modelnya akan cukup fleksibel untuk diterapkan pada penyakit apa pun yang melibatkan sistem kekebalan.

“Dengan sistem kekebalan virtual, Anda dapat mensimulasikan jutaan kondisi berbeda, yang dapat Anda lakukan di komputer jauh lebih murah dan lebih cepat daripada yang dapat Anda lakukan di lab,” katanya. “Ini meningkatkan peluang Anda untuk membuat sistem kekebalan melakukan apa yang Anda inginkan dan melawan banyak penyakit dengan lebih efektif.”

Leave a Comment