Команда исследователей из Школы инженерии и прикладных наук и Медицинской школы Перельмана раскрыла математику сети белков, существующей уже 500 миллионов лет. Эта сеть действует как «вышибала» в организме, «решая», какие чужеродные материалы будут разрушены иммунными клетками, а какие получат доступ.
«Система комплемента, возможно, является старейшей известной частью нашей внеклеточной иммунной системы», — говорит Джейкоб Бреннер, врач-учёный из Университета Пенсильвании. «Она играет решающую роль в идентификации чужеродных материалов, таких как микробы, медицинские устройства или новые лекарства, особенно более крупных, как в вакцине от COVID».
Система комплемента может одновременно быть и другом, и врагом, предлагая защиту с одной стороны и атакуя организм с другой. В некоторых случаях эта древняя сеть может значительно усугублять такие состояния, как инсульт, нацеливаясь на собственные ткани организма.
Как объясняет Бреннер, протекающие кровеносные сосуды позволяют белкам комплемента нацеливаться на ткань мозга, заставляя иммунную систему ошибочно атаковать собственные клетки организма и ухудшать результаты лечения пациентов.
Используя комбинацию экспериментов в лаборатории, дифференциальных уравнений, а также компьютерного моделирования и симуляций, команда расшифровала математический язык, стоящий за «решением» системы комплемента атаковать.
О своих открытиях команда сообщила в журнале Cell. Они определили молекулярную точку перегиба, известную как критический порог перколяции, который основан на том, насколько плотно расположены сайты связывания комплемента на поверхностях модельного захватчика, которого они создали.
Если расстояние между сайтами связывания слишком велико — выше порогового значения — активация комплемента затухает; ниже — сеть комплемента активируется, вызывая цепную реакцию рекрутирования иммунных агентов, которая распространяется как лесной пожар.
«Это открытие позволяет нам разрабатывать терапевтические средства так же, как вы проектируете автомобиль или космический корабль — используя принципы физики, чтобы управлять реакцией иммунной системы, а не полагаясь на метод проб и ошибок», — говорит Бреннер, который является одним из старших авторов исследования.
Многие исследователи пытаются разделить сложные биологические системы на всё более мелкие компоненты — такие как клетки, органеллы и молекулы. Однако команда подошла к системе как к набору более простых математических значений, подчиняющихся таким параметрам, как плотность, расстояние и скорость.
«Не каждый аспект биологии можно описать таким образом», — говорит соавтор Рави Радхакrishnan, заведующий кафедрой биоинженерии и профессор в области инженерии в Пенсильвании. «Путь комплемента широко распространён среди многих видов и был сохранён в течение очень долгого эволюционного времени, поэтому мы хотели описать процесс, используя универсальную теорию».
Команда из Пенсильванской медицины под руководством материаловеда Джейкоба Майерсона и научного сотрудника в области наномедицины Чжичэна Вана точно сконструировала липосомы — крошечные наночастицы жира, часто используемые в качестве платформы для доставки лекарств, — покрыв их сайтами связывания иммунной системы. Они создали десятки партий липосом, каждая с точно настроенной плотностью сайтов связывания, а затем наблюдали, как белки комплемента связываются и распространяются in vitro.
Затем команда проанализировала экспериментальные данные с помощью математических инструментов для оценки динамики распространения связывания и скорости рекрутирования иммунных элементов и использовала вычислительные инструменты для визуализации и моделирования реакций, чтобы определить, когда приближались пороговые значения.
То, что они наблюдали в лаборатории — что более близкое расположение белков увеличивает иммунную активность — стало гораздо яснее, когда это было рассмотрено через математическую призму.
Подход команды основан на науке о сложности, области, которая использует математику и физику для изучения систем со многими движущимися частями. Убрав биологические особенности, они смогли выявить фундаментальные закономерности — такие как точки перегиба и фазовые переходы — которые объясняют, как иммунная система решает, когда атаковать.
«Мы взяли это первоначальное наблюдение и попытались точно контролировать, насколько близко расположены белки на поверхности», — говорит Майерсон. «Мы обнаружили, что существует пороговое расстояние, которое является ключом к пониманию того, как этот механизм комплемента может включаться или выключаться в ответ на структуру поверхности».
«Если вы посмотрите только на молекулярные детали, легко подумать, что каждая система уникальна, — добавляет Радхакrishnan. — Но когда вы моделируете комплемент математически, вы видите, как возникает закономерность, подобно тому, как распространяются лесные пожары или горячая вода просачивается через кофейную гущу».
Хотя большая часть исследований перколяции проводилась в 1950-х годах в контексте добычи нефти, физика соответствовала той, которую исследователи наблюдали в белках комплемента. «Динамика нашей системы полностью соответствует уравнениям перколяции», — говорит Майерсон.
Сахил Кулкарни, докторант в лаборатории Радхакrishnan, не только обнаружил, что математика перколяции предсказала экспериментальные результаты, наблюдаемые командами Бреннера и Майерсона, но и то, что активация комплемента следует дискретной серии шагов.
Во-первых, происходит «событие зажигания», когда чужеродная частица вступает в контакт с иммунной системой. «Это похоже на падение уголька в лесу, — говорит Кулкарни. — Если деревья расположены слишком далеко друг от друга, огонь не распространяется. Но если они близко друг к другу, горит весь лес».
Подобно тому, как некоторые деревья в лесном пожаре только обугливаются, теория перколяции в контексте биологии предсказывает, что не все чужеродные частицы должны быть полностью покрыты белками комплемента, чтобы вызвать иммунный ответ. «Некоторые частицы полностью покрыты, а другие — лишь несколькими белками», — объясняет Кулкарни.
Это может показаться неоптимальным, но такая неоднородность, вероятно, является особенностью, а не ошибкой, и одной из главных причин, по которой эволюция выбрала перколяцию в качестве метода активации комплемента. Это позволяет иммунной системе эффективно реагировать, покрывая только «достаточно» чужеродных тел для распознавания, не расходуя при этом ресурсы и не атакуя каждую частицу без разбора.
В отличие от формирования льда, которое распространяется предсказуемо и необратимо от одного растущего кристалла, перколяция допускает более разнообразные и гибкие ответы, даже те, которые можно обратить вспять. «Поскольку частицы не покрыты равномерно, иммунная система может отступить», — добавляет Кулкарни.
Кроме того, их выводы намекают на план разработки более безопасных нанолекарств. Кулкарни отмечает, что учёные-фармацевты могут использовать это для точной настройки наночастиц — регулируя расстояние между белками, чтобы избежать активации комплемента. Это может помочь снизить иммунные реакции в липидных вакцинах, мРНК-терапии и CAR T-терапии, где активация комплемента создаёт постоянные проблемы.
«Такие проблемы живут на пересечении областей», — говорит Майерсон. «Вам нужны научные и инженерные знания для создания прецизионных систем, наука о сложности для сокращения сотен уравнений, моделируя каждое взаимодействие между белками до трёх основных, и медицинские работники, которые могут увидеть клиническую значимость. Инвестиции в командную науку ускорили эти результаты».
Предоставлено Университетом Пенсильвании.