Los modelos informáticos desarrollados por matemáticos de la Universidad de Brown muestran nuevos detalles de lo que sucede dentro de un glóbulo rojo afectado por la enfermedad de células falciformes. Los investigadores dijeron que esperan que sus modelos, descritos en un artículo en el Revista biofísica , ayudará en la evaluación de estrategias farmacológicas para combatir el trastorno genético de la sangre, que afecta a millones de personas en todo el mundo.
La anemia de células falciformes afecta a la hemoglobina, moléculas dentro de los glóbulos rojos responsables del transporte de oxígeno. En los glóbulos rojos normales, la hemoglobina se dispersa uniformemente por toda la célula. En los glóbulos rojos falciformes, la hemoglobina mutada puede polimerizarse cuando se les priva de oxígeno, ensamblándose enfibras poliméricas largas que empujan contra las membranas de las células, forzándolas a deformarlas. Las células rígidas y mal formadas pueden alojarse en pequeños capilares en todo el cuerpo, lo que lleva a episodios dolorosos conocidos como crisis de células falciformes.
"El objetivo de nuestro trabajo es modelar tanto cómo se forman estas fibras de hemoglobina falciforme como las propiedades mecánicas de esas fibras", dijo Lu Lu, estudiante de doctorado en la División Brown de Matemáticas Aplicadas y autor principal del estudio.. "Hubo modelos separados para cada una de estas cosas desarrollados individualmente por nosotros, pero esto los une en un modelo integral".
El modelo utiliza datos biomecánicos detallados sobre cómo las moléculas de hemoglobina falciforme se comportan y se unen entre sí para simular el ensamblaje de una fibra de polímero. Antes de este trabajo, el problema era que a medida que la fibra crece, también lo hace la cantidad de datos queEl modelo debe crujir. Modelar una fibra polimérica completa a escala celular utilizando los detalles de cada molécula era simplemente demasiado costoso desde el punto de vista informático.
"Incluso las supercomputadoras más rápidas del mundo no podrían manejarlo", dijo George Karniadakis, profesor de matemáticas aplicadas en Brown y autor principal del artículo. "Están sucediendo demasiadas cosas y no hay forma de capturarlo todo computacionalmente. Eso eslo que pudimos superar con este trabajo ".
La solución de los investigadores fue aplicar lo que ellos llaman un esquema de resolución adaptativa mesoscópica o MARS. El modelo MARS calcula la dinámica detallada de cada molécula de hemoglobina individual solo en cada extremo de las fibras poliméricas, donde se reclutan nuevas moléculas en la fibra. Una vez que se han establecido cuatro capas de una fibra, el modelo vuelve a marcar automáticamente la resolución a la que representa esa sección. El modelo retiene la información importante sobre cómo se comporta mecánicamente la fibra, pero pasa por alto los detalles finos de cada molécula constituyente.
"Al eliminar los pequeños detalles donde no los necesitamos, desarrollamos un modelo que puede simular todo este proceso y sus efectos en un glóbulo rojo", dijo Karniadakis.
Usando las nuevas simulaciones MARS, los investigadores pudieron mostrar cómo diferentes configuraciones de fibras de polímero en crecimiento pueden producir células con diferentes formas. Aunque la enfermedad recibe su nombre porque hace que muchos glóbulos rojos adquieran una forma de hoz, en realidad hay una variedad de formas de células anormales presentes. Este nuevo enfoque de modelado mostró nuevos detalles sobre cómo las diferentes estructuras de fibras dentro de la célula producen diferentes formas de células.
"Podemos producir un perfil de polimerización para cada uno de los tipos de células asociados con la enfermedad", dijo Karniadakis. "Ahora el objetivo es utilizar estos modelos para buscar formas de prevenir la aparición de la enfermedad".
Hay solo dos medicamentos en el mercado que han sido aprobados por la FDA para tratar la anemia drepanocítica, dice Karniadakis. Se cree que uno de ellos, llamado hidroxiurea, funciona al aumentar la cantidad de hemoglobina fetal, el tipo de hemoglobina quelos bebés nacen con - en la sangre de un paciente. La hemoglobina fetal es resistente a la polimerización y, cuando está presente en cantidad suficiente, se cree que interrumpe la polimerización de la hemoglobina de células falciformes.
Con estos nuevos modelos, Karniadakis y sus colegas ahora pueden ejecutar simulaciones que incluyen hemoglobina fetal. Esas simulaciones podrían ayudar a confirmar que la hemoglobina fetal de hecho interrumpe la polimerización, así como ayudar a establecer cuánta hemoglobina fetal es necesaria. Eso podría ayudaren el establecimiento de mejores pautas de dosificación o en el desarrollo de fármacos nuevos y más eficaces, dicen los investigadores.
"Los modelos nos brindan una manera de realizar pruebas preliminares sobre nuevos enfoques para detener esta enfermedad", dijo Karniadakis. "Ahora que podemos simular todo el proceso de polimerización, creemos que los modelos serán mucho más útiles".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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