Physical Model of the Immune Response of Bacteria Against Bacteriophage Through the Adaptive CRISPR-Cas Immune System
细菌和古生菌已经进化出一种适应性的、可遗传的免疫系统,可以识别和防御病毒或质粒。该系统被称为CRISPR-Cas系统,允许宿主识别并将短的外来DNA或RNA序列(称为“间隔区”)整合到其CRISPR系统中。CRISPR系统中的间隔区提供了细菌和噬菌体共同进化历史的记录。我们使用一个物理模型来研究这种共同进化的动态,因为它随时间随机演变。我们专注于突变和重组对细菌和噬菌体进化和逃避的影响。我们讨论了不同的间隔区删除机制对协同进化动力学的影响。我们预测了细菌和噬菌体群体的增长,CRISPR基因座内的间隔区多样性,以及针对噬菌体群体的间隔区保护。
2014-01-20 q-bio.PE
Digital Herd Immunity and COVID-19
一个群体可以对流行病免疫,即使不是所有的个体成员都对疾病免疫,只要有足够多的人免疫-这是群体免疫的传统概念。在智能手机时代,一个群体可以对流行病免疫,即使它的成员中没有一个人对这种疾病免疫-我们称之为“数字群体免疫”,这同样是人口的一个新兴特征。这种免疫力的产生是因为基于智能手机功能的接触者追踪协议可以高效地消除受感染的人口成员,从而消灭新生的流行病。当疾病特征有利且智能手机使用率足够高时,人群处于免疫阶段。随着使用量的减少,出现了一种新的“接触者追踪相变“,进入流行阶段。我们提出并研究了COVID-19的一个简单分支过程模型,并表明无论无症状传播的比例如何,数字免疫都是可能的。
2021-08-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.PE
Reliable reconstruction of HIV-1 whole genome haplotypes reveals clonal interference and genetic hitchhiking among immune escape variants
在传播之后,HIV-1会演变成一个多样化的群体,下一代测序使我们能够检测到低频率发生的变异。迄今为止,在全基因组水平上研究病毒进化是不可能的,因为下一代测序提供相对较短的读数。我们在这里提供了一个原理证明,即整个HIV-1基因组可以从短读段可靠地重建,并使用它来研究在全基因组单倍型水平上选择免疫逃逸突变。使用逼真的模拟HIV-1人群,我们证明了重建完整的基因组单倍型是可行的高保真。我们并不重建所有遗传上不同的基因组,但每个重建的单倍型代表了HIV-1人群中的一个或多个准种。然后,我们从单个HIV-1感染患者纵向采样的已发表的短序列读取中重建了30个全基因组单倍型。我们通过验证我们预测的单倍型基因与单基因组扩增序列,并通过比较单倍型频率与观察到的表位逃逸频率,确认重建的可靠性。系统发育分析表明,HIV-1群体经历了选择驱动的进化,病毒群体被新的优势毒株连续取代。我们证明了免疫逃逸突变体以依赖的方式进化,各种突变与其他突变一起搭车。由于这种克隆干扰,选择系数必须估计完整的单倍型,而不是个人的免疫逃逸。
2013-09-26 q-bio.GN q-bio.PE
Multiple possible patterns can emerge from virus-immune coevolution
研究病毒与免疫系统的协同进化动力学,引入新的随机模型及确定性近似,发现大宿主群体中脉冲解会失稳并转化为扩展的地方性感染模式,最终达到波动稳态。
2024-06-01 cond-mat.stat-mech nlin.PS q-bio.PE
Evolution at the Edge of Chaos: A Paradigm for the Maturation of the Humoral Immune Response
我们研究了初级抗原呈递后抗体群体的成熟作为一个全局优化问题。重点放在导致抗体亲和力局部改善的突变的安全性与导致抗体形状全局重新配置的最终突变的必要性之间的权衡上。本文描述的模型给出了基础优化过程的证据,从该过程中可以得出生物反应的快速性和一致性。
2004-06-06 q-bio.PE q-bio.QM
Virus-immune dynamics determined by prey-predator interaction network and epistasis in viral fitness landscape
生态系统结构的基础是种群动力学和进化遗传学,它们在同一时间尺度上发生变化,相互作用的物种迅速更替,如病毒(如艾滋病毒)和免疫反应。因此,数学建模中的一个重要问题是将生态学、进化论和遗传学联系起来,这三个方面通常被分开处理。在这里,从Browne和Smith \cite{browne2018dynamics}的资源-猎物(消费者)-捕食者模型中扩展对多个病毒和免疫应答群体的分析,我们表明,病毒突变体在不同表位(免疫应答靶向的病毒蛋白)处进化抗性的长期动态受病毒适应度景观中的上位性支配。特别是,持久的平衡病毒免疫(猎物捕食者)网络结构,如嵌套和一对一,和分叉的稳定性是由一个集合的电路定义的病毒适应度的组合,是最低限度的二进制序列的超立方体内表示所有可能的病毒表位序列排序根据免疫优势层次的加性。我们的常微分方程系统的数值解,以及一个扩展的随机版本,包括随机突变,展示了如何成对或乘法上位相互作用的形状病毒进化对并发免疫反应和收敛到多变量的稳定状态的理论结果预测。此外,模拟说明了亚显性免疫应答的周期性输注如何诱导持久性病毒株的分叉,从而提供优于具有最强免疫应答的替代免疫治疗策略的宿主结果。
2021-06-16 q-bio.PE
Immune history shapes recurrent epidemics of antigenically related variants
CEFE, CNRS, Univ Montpellier, EPHE, IRD(法国国家科学研究中心进化与生态功能中心);Research Center for Integrative Evolutionary Science, SOKENDAI(综合研究大学研究生院整合进化科学研究);Institute of Tropical Medicine, Nagasaki University(长崎大学热带医学研究所)
本研究通过一个递归SIR模型,揭示了免疫历史如何通过抗原相似性影响新变体的流行,发现稳定等规模的反复流行在广泛参数范围内存在,但强传播和有限抗原逃逸可导致复杂动力学,且流行规模在中等基本再生数时最大。
2026-07-02 nlin.CD q-bio.PE
Antigenic cooperation in Viral Populations: Transformation of Functions of Intra-Host Viral Variants
本文提出抗原合作机制作为病毒免疫逃逸的替代方案,通过交叉免疫反应网络使宿主内病毒变体特化为互补角色,并解析和数值研究了新变体出现及宿主间传播引发的病毒生态系统功能转换。
2023-04-05 math.DS q-bio.PE
Periodic vs. intermittent adaptive cycles in quasispecies co-evolution
我们研究了变异病毒和适应性免疫系统之间的协同进化的抽象模型。在序列空间中,这两个群体都位于瞬时显性菌株周围。离域或错误阈值表现出一种新的相互依赖性,因为免疫反应是有条件的病毒攻击。进化追逐是由随机波动引起的,可以通过周期性或间歇性循环发生。使用模拟和随机分析,我们展示了如何这两个动态制度之间的过渡取决于突变率,免疫反应,和人口规模。
2014-09-10 q-bio.PE
Diversity of immune strategies explained by adaptation to pathogen statistics
生物有机体已经进化出广泛的免疫机制来保护自己免受病原体的侵害。除了分子细节之外,这些机制在保护如何获得,处理和传递给后代方面也有所不同-这些差异可能对长期生存至关重要。在这里,我们引入了一个数学框架来比较长期适应的人群作为一个功能的病原体动态,他们的经验和免疫策略,他们采取。我们发现,最佳免疫策略的两个关键决定因素是病原体的频率和特征时间尺度。根据这两个参数,我们的框架确定了不同的免疫模式,包括适应性免疫、先天免疫、对冲免疫和CRISPR样免疫,这些免疫模式概括了天然免疫系统的多样性。
2015-11-27 q-bio.PE
Dynamics of Virus and Immune Response in Multi-Epitope Network
宿主免疫应答通常可以有效地抑制病毒感染,这可能导致宿主内免疫抗性病毒变体的选择。例如,在HIV感染期间,一系列CTL免疫应答群体识别存在于感染细胞表面上的特异性表位(病毒蛋白)以有效地介导它们的杀伤。然而,HIV可以迅速进化出对不同表位的CTL攻击的抗性,诱导相互作用的病毒和免疫应答变体的动态网络。我们考虑模型的网络病毒和免疫反应的人口,由Lotka-Volterra的常微分方程系统。稳定性的可行的平衡和相应的一致持久性的不同的变种的特征在于通过一个李雅普诺夫函数。我们将模型专门化为“二进制序列”设置,其中对于$n$表位,可以有$2^n$不同的病毒变体映射到超立方体图上。在几种情况下的动力学进行了分析,并得出尖锐的polychotomies特征持久的变种。特别是,我们证明,如果获得每个表位的抗性的病毒适应性成本是相等的,那么系统的$2^n$病毒株收敛到一个“完美的嵌套网络”小于或等于$n+1$持久的病毒株。总的来说,我们的研究结果表明,免疫优势,即相对强度的免疫反应的表位,是最重要的因素,确定持久的网络结构。
2018-02-22 math.DS q-bio.PE
Growth of a population of bacteria in a dynamical hostile environment
我们研究了在一个动态的敌对环境中的细菌种群的生长,对应于殖民生物体的免疫系统。免疫细胞进化为亚临界的定向渗滤的开放簇,并通过迁移过程永久地增强,而细菌试图在剩余的空间中生长为超临界定向渗滤。对于适当的参数值,我们证明了细菌的人口线性增长。在这个角度来看,我们建立一般的工具来研究从重整化过程中发出的依赖渗流模型。
2013-10-04 math.PR q-bio.PE
Inferring differentiation order in adaptive immune responses from population level data
适应性免疫应答的标志是病原体特异性淋巴细胞的增殖,其在它们的觉醒中留下提供持久免疫的长寿命细胞群。一个正在进行的研究主题是在适应性免疫反应期间,这些记忆细胞何时产生。在两项突破性研究中,Buchholz等人(Science,2013)和Gerlach等人(Science,2013)采用了实验方法,该方法允许在单个时间点从体内单个淋巴细胞中鉴定后代,我们称之为克隆数据。通过数学模型的开发、应用和拟合,Buchholz等人(Science,2013)得出结论,如果记忆在扩增阶段产生,则记忆细胞前体在清除原始病原体的效应细胞之前产生。我们试图确定Buchholz等人(Science,2013)中引入的建模方法的一般有效性和功效,通过调整它使其适合于从更容易获得的非克隆表型比例时间过程中进行推断,来快速评估分化网络。我们首先建立了该方法,当拟合Buchholz et al.(Science,2013)本身的非克隆数据时,该方法得出了一致的推论。我们将模型的变体拟合到Badovinac等人(J.Immun.,2007)、Schlub等人(Immun. & Cell Bio.,2010)和Kinjo等人(Nature Commun.,2015)进行必要的简化,以匹配这些论文中不同的报告数据。该模型的推论与Buchholz等人(Science,2013)的推论一致,尽管参数化存在问题。由Kinj…
2020-06-03 q-bio.CB q-bio.PE
A network model for clonal differentiation and immune memory
在Lagreca,Almeida和Santos的一篇论文中,使用多自旋编码技术的位串模型先前被用于研究B细胞克隆库的时间演化。在这项工作中,我们扩展了简化的模型,包括独立的抗体群体的作用,在免疫反应的控制,以更完整的方式产生分化和调节机制。虽然抗体具有与B细胞受体(BCR)相同的分子形状,但它们应呈现不同的时间演变,因此应单独处理。我们还研究了网络免疫记忆的一个可能模型,提出了一种随机记忆再生,它是自我延续的。
2017-07-11 q-bio.PE
Adaptive efficiency of information processing in immune-pathogen co-evolution
本文提出免疫-病原体协同进化的非平衡形式化框架,利用信息交换、熵产生和协同进化效率识别军备竞赛中的领先者,并给出稳定协同进化的条件与适应边界。
2024-10-27 q-bio.PE
Affinity maturation for an optimal balance between long-term immune coverage and short-term resource constraints
为了靶向威胁性病原体,适应性免疫系统对其淋巴细胞库进行连续重组。在免疫攻击后,B细胞库可以进化出对所遇到的菌株具有增加的特异性的细胞。这个亲和性成熟的过程产生了一个记忆池,其多样性和大小仍然难以预测。我们假设免疫系统遵循一种策略,该策略最大化长期免疫覆盖,并最小化与亲和力成熟相关的短期代谢成本。该策略被定义为有限维表型空间上的最优决策过程,其中预先存在的幼稚细胞群体用中性进化菌株依次挑战。我们揭示了对未来菌株的免疫保护和必要的剧目重组之间的权衡。这种可塑性的剧目驱动出现不同的制度的大小和多样性的记忆池,这取决于幼稚细胞的密度和应变的突变率。该模型预测数据中观察到的克隆型大小的幂律分布,并合理化抗原印迹作为一种策略,以尽量减少代谢成本,同时保持良好的免疫保护,对未来的菌株。
2021-11-25 q-bio.PE
Host-pathogen coevolution and the emergence of broadly neutralizing antibodies in chronic infections
脊椎动物的适应性免疫系统提供了一套灵活多样的分子来中和病原体。然而,艾滋病毒等病毒可以通过与适应性免疫系统一样快的进化而引起慢性感染,形成进化军备竞赛。在这里,我们介绍了一个数学框架来研究宿主内抗体与抗原的协同进化动力学。我们专注于抗体和抗原群体之间的结合相互作用的变化,这是由突变,选择和漂移驱动的基因型频率的潜在随机进化造成的。我们确定了决定抗体-抗原结合亲和力分布的关键病毒和免疫参数。我们还确定了共同进化的明确标志,衡量抗体和病毒之间的相互反应,我们引入实验可测量的数量,量化的适应程度,在持续的共同进化的两个相对的人口。使用这个分析框架,我们推断率的病毒和免疫适应的基础上,在两个HIV感染患者的时移中和试验。最后,我们分析了抗体的克隆谱系之间的竞争,并根据抗体和病毒种群的状态来表征给定谱系的命运。特别是,我们推导出有利于广泛中和抗体出现的条件,这可能有助于设计针对HIV的疫苗。
2016-06-20 q-bio.PE
Eco-evolutionary dynamics of adapting pathogens and host immunity
本研究用Susceptible/Infected模型揭示,病原体逃逸变异株在动态宿主免疫压力下初始指数增长但迅速丧失优势,后续轨迹不可预测,解释了流感病毒抗原进化的适应性与高频变异株准中性动力学的矛盾。
2024-08-28 q-bio.PE
Compositional modelling of immune response and virus transmission dynamics
传染病的传播模型通常是根据个体或群体之间的动态来制定的,其中每个个体的疾病进展或恢复等过程都是现象学捕获的,而不涉及潜在的生物过程。此外,这些模型的构建通常是单一的:它们不允许人们容易地修改所涉及的过程或包括新的过程,或者在不同的尺度上组合模型。我们展示了如何构建一个简单的模型,呼吸道病毒的免疫反应和传播模型,使用一个易于修改的规则集,允许进一步完善和合并两个模型在一起。免疫反应模型再现了COVID-19 PCR检测的预期反应曲线,并暗示了反映个体异质性的传染性长尾分布。这种免疫反应模型,当与传播模型相结合时,再现了先前报道的病毒载量沿流行病轨迹的人口分布的变化。
2021-11-03 q-bio.PE
Mathematical models for vaccination, waning immunity and immune system boosting: a general framework
当身体被病原体感染或接受疫苗接种时,免疫系统会产生病原体特异性免疫。诱导免疫力随时间衰减,在恢复/接种后数年,宿主可能再次变得易感。暴露于环境中的病原体可增强免疫系统,从而延长保护的持续时间。宿主和种群水平动态的这种相互作用对免疫流行病学的严格数学建模提出了重大挑战。该文致力于研究两个问题.首先,我们概述了疾病/疫苗诱导免疫力减弱和免疫系统增强的现有模型。在此基础上,提出了一种新的SIRVS动态建模方法,用于监测个体的免疫状态,同时考虑免疫衰退和免疫系统增强。我们证明了一些以前的模型可以被认为是我们的框架的特例或近似。
2015-01-07 math.DS q-bio.PE
Periodic solutions in an SIRWS model with immune boosting and cross-immunity
百日咳是一种由百日咳杆菌和副百日咳杆菌引起的感染,自1980年代以来在许多国家的发病率一直在上升。免疫相互作用,如免疫增强和病原体之间的交叉免疫,已被假设为流行病学动态的重要驱动因素。我们提出了一个双病原体传播模型,研究免疫增强和交叉免疫如何影响流行病的时间和严重程度。我们使用数值模拟和分岔技术相结合,研究系统的动力学性质,特别是稳定的周期解存在的条件。推导出单病原体模型稳态的解析表达式,并给出周期解存在的条件。我们的双病原体模型的一个关键结果是,虽然研究表明,相对较强水平的免疫增强可以独立地产生周期解,但即使免疫增强水平较弱,交叉免疫也允许存在周期解。不对称交叉免疫可使发病率和发病期显著增加。我们的研究强调了更好地理解病原体之间的免疫相互作用的重要性,以改善基于模型的流行病学数据的解释。
2016-06-15 q-bio.PE
Phage-antibiotic therapy under density dependent bacterial defenses
Florida State University(佛罗里达州立大学)
该研究开发了一个数学模型,探讨噬菌体疗法在细菌防御密度依赖下的有效性,并发现噬菌体与免疫系统结合可有效抑制细菌种群。
2025-12-20 q-bio.PE
Modelling Within-Host Immune Response to Visceral Helminthiasis and Malaria Co-infection with Prophylaxis
本文研究了疟疾和内脏蠕虫病合并感染的免疫刺激和免疫损伤。我们假设一个人在蠕虫幼虫入侵期间感染疟疾。在没有免疫应答的情况下,我们的结果表明,如果每个入侵裂殖子的红细胞破裂率大于1,则抗原入侵血液系统。如果释放较少的裂殖子,则初始状态是全局渐近稳定的。如果释放更多的裂殖子,则存在疟疾唯一的流行点。然而,如果平均感染负荷大于1,则两种抗原共存。在这种情况下,存在药物作用的阈值,低于该阈值,预期宿主不会恢复。在免疫反应存在的情况下,存在三种平衡状态。初始入侵状态,其次是免疫群体被触发和抗原被消除时的不稳定状态。第三种状态代表地方病状态,如果感染诱导的每个红细胞破裂率与免疫激活小于红细胞的总死亡率,则该状态是稳定的。一个模型的严重程度的共同感染表明,免疫反应将被推迟,直到免疫屏障值疟疾和蠕虫被超过。
2011-06-02 math.DS q-bio.PE
Increased adaptive immune responses and proper feedback regulation protect against clinical dengue
登革热是最普遍的节肢动物传播的病毒性疾病。登革病毒(DENV)感染的临床症状范围从经典的轻度登革热到严重的、危及生命的登革休克综合征。然而,大多数DENV感染很少或没有症状。无症状的DENV感染的患者提供了一个独特的机会来破译宿主免疫应答,导致病毒消除,而不会对健康产生负面影响。我们采用转录谱分析和免疫学分析的综合方法,比较了柬埔寨严格无症状病毒血症个体与临床登革热患者。尽管炎症途径和先天免疫应答在无症状个体和临床登革热患者之间相似,但与抗原呈递相关的蛋白质表达以及随后的T和B细胞活化途径受到差异调节,与病毒载量或先前的DENV感染无关。反馈机制控制了无症状病毒血症个体的免疫应答,如T细胞增殖相关途径和Fc $γ$ RIIB信号传导的激活增加与抗DENV特异性抗体浓度降低相关所证明的。综上所述,我们的数据表明,儿童中的无病毒DENV感染是由适应性免疫区室的激活增加和适当的控制机制决定的,这些机制导致在没有过度免疫激活的情况下消除病毒感染,这对新型疫苗开发策略具有意义。
2017-12-11 q-bio.PE
Probabilistic Modeling of Antibody Kinetics Post Infection and Vaccination: A Markov Chain Approach
本研究提出结合时间非齐次马尔可夫链与概率框架的抗体动力学模型,用于追踪人群抗体应答分布,在SARS-CoV-2纵向数据上验证有效,为免疫保护分析等提供新方法。
2025-08-04 math.PR physics.bio-ph q-bio.PE
Fierce selection and interference in B-cell repertoire response to chronic HIV-1
在慢性感染期间,HIV-1与宿主的适应性免疫系统进行快速的共同进化军备竞赛。虽然很明显,艾滋病毒对适应性免疫系统施加了强烈的选择,但塑造免疫反应的体细胞进化特征仍然未知。传统的群体遗传学方法无法区分慢性免疫应答和健康谱系进化。在这里,我们推断B细胞库的进化模式,并确定复杂的动态与更好的B细胞受体突变体的竞争,保持大的克隆多样性,并可能减缓适应不断生产。在B细胞受体(BCR)的病原体接合CDR中上升到高频率的突变的相当大部分是有益的,与结构相关框架中的许多这样的变化相反,这些变化是有害的并且通过搭便车而循环。我们确定了一种模式,即经历较大病毒扩增的患者的BCR经历了更强的选择,由于其CDR 3区域的克隆干扰,有益突变迅速更替。利用群体遗传学模型,我们表明,这些有益突变的灭绝可以归因于竞争的有益等位基因和克隆干扰的上升。这是一幅动态的画面,更好的克隆可能会在固定之前被新的突变体击败。
2020-07-25 q-bio.PE
Dynamic causal modelling of immune heterogeneity
一些新冠肺炎流行病学模型得出的一个有趣的推论是,即使在当前大流行开始时,也有一部分人口不容易受到感染。本文介绍了一种针对病毒的免疫反应模型。这是基于与流行病学相同的平均场动力学。然而,在流行病学模型中,我们考虑的是病毒、B淋巴细胞和T淋巴细胞的状态以及它们产生的抗体,而不是人们的位置、临床状态和其他属性。我们的目的是正式确定一些关键的假设,耐药机制。我们提出了一系列简单的模拟说明这些假设下的免疫反应的动态变化。这些包括减弱的病毒细胞进入、预先存在的交叉反应性体液(抗体介导的)免疫和增强的T细胞依赖性免疫。最后,我们说明了这类模型的潜在应用,说明变分反演(使用模拟数据),以说明它在检验假设。原则上,这提供了一种快速有效的免疫测定--基于连续血清学--其提供了(i)潜在免疫应答的定量测量和(ii)不同种类免疫应答的贝叶斯最佳分类(参见,用于测试胰岛素抗性的葡萄糖耐量测试)。这可能对评估SARS-CoV-2疫苗特别有用。
2020-09-17 physics.soc-ph q-bio.PE q-bio.QM
Global Properties of Nested Network Model with Application to Multi-Epitope HIV/CTL Dynamics
数学建模和分析可以提供对生态系统动态的洞察力,这些生态系统在面对竞争和捕食者相互作用时保持生物多样性。主要利益是稳定各种生态网络的基本结构和特征。最近,Korytowski和Smith [17]证明了一个完美的嵌套感染网络,以及适当的生活史〈动〉<动>,导致细菌-噬菌体群落在恒化器模型中共存和持久。在这篇文章中,我们推广了他们的模型,以便将其应用于宿主内动力学病毒和免疫反应,特别是HIV和CTL(细胞毒性T淋巴细胞)细胞。我们的模型可以产生一个不同层次的病毒和免疫群体,通过连续的病毒逃逸显性免疫反应和亚显性免疫反应的上升,与观察到的HIV/CTL进化模式相一致。我们找到了一个李雅普诺夫函数的系统,导致严格的持久性病毒和免疫变种的特征,并通知后的平衡稳定性和全局动态。结果被解释在宿主内HIV/CTL进化的背景下,并提供了数值模拟。
2017-01-01 q-bio.PE
Modeling of anti-tumor immune response: immunocorrective effect of weak centimeter electromagnetic waves
我们制定的抗肿瘤免疫反应的动力学模型的基础上,细胞间的干扰素介导的相互作用与白细胞介素-2(IL-2)考虑。分析表明,抗原呈递细胞上肿瘤抗原的表达水平对肿瘤动力学具有明显的影响。在低抗原呈递下,进行性肿瘤生长发生至最高可能值。在高抗原呈递下,当肿瘤和免疫系统之间达到动态平衡时,肿瘤大小减小到一定值。在中等抗原呈递的情况下,这两种方案都可以根据初始肿瘤大小和免疫系统的状况来实现。一个显着的免疫调节作用(抑制肿瘤生长和正常化的IL-2浓度)建立考虑的影响,低强度的电磁微波作为一个参数扰动的动力系统。这一发现与最近厘米电磁波对荷瘤小鼠免疫校正作用的实验结果在定性上一致。
2008-07-26 q-bio.CB q-bio.PE
Population growth and control in stochastic models of cancer development
我们研究了热浴波动和细胞毒性细胞的外部噪声调谐活动对生长中的癌组织中触发的免疫反应的联合作用。免疫应答被认为主要由效应细胞介导,效应细胞对异常组织产生细胞毒活性。这种反应的动力学由酶样Michaelis-Menten两步法表示。该过程的有效自由能表面由癌细胞的高浓度和低浓度状态之间的波动能垒进一步参数化。通过分析远离平衡逃逸问题的波动势垒,我们确定的条件下,最有效的衰减动力学的癌细胞群体中存在的二分法波动浓度的细胞毒性细胞。
2004-05-13 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
Mathematical Modelling of Within-Host HIV Dynamics with Cytotoxic Immune Response and Antiretroviral Therapy
Volgograd State University(伏尔加格勒国立大学)
本研究构建并分析了一个包含免疫应答与抗逆转录病毒治疗的宿主内HIV动力学ODE模型,推导了基本再生数与抑制阈值,并通过数值模拟验证了治疗对病毒载量和CD4$^+$ T细胞恢复的作用,为临床数据校准提供了基础。
2026-09-25 physics.med-ph q-bio.PE q-bio.QM
A hybrid discrete-continuum modelling approach for the interactions of the immune system with oncolytic viral infections
University College London(伦敦大学学院);Politecnico di Torino(都灵理工大学)
本文提出一种新的随机群体模型,用于描述病毒与免疫系统间的复杂相互作用,通过连续方程和群体动力学结合,分析肿瘤微环境中细胞动态及免疫细胞迁移,揭示免疫反应过早激活对治疗效果的负面影响。
2026-04-22 q-bio.PE
Fluctuating fitness shapes the clone size distribution of immune repertoires
适应性免疫系统依赖于B细胞和T细胞表面表达的受体的多样性,以保护生物体免受大量病原体的威胁。不同细胞类型(B细胞、T细胞、幼稚细胞、记忆细胞)的增殖和降解动力学受各种抗原和环境信号的支配,但观察到的克隆大小遵循普遍的幂律分布。在这种可重复性的指导下,我们提出了体细胞进化的有效模型,其中细胞命运取决于有效的适应性。这种适应性是由生长因子决定的,这些生长因子作用于具有相同受体的细胞克隆,这些细胞对特定抗原产生反应,或者直接作用于单个细胞而不考虑克隆。我们确定的波动,特别是在克隆的基本成分,导致所观察到的分布的健身。将我们的模型与实验相结合,我们描述了抗原环境中波动的规模,并提供了识别不同组织和生物体中相关生长信号的工具。我们的研究结果推广到任何不断变化的人口在一个波动的环境。
2015-07-02 physics.bio-ph q-bio.PE
Within host dynamics of SARS-CoV-2 in humans: Modeling immune responses and antiviral treatments
2019年12月,一种新发现的SARS-CoV-2病毒在中国出现,并作为大流行在全球传播。在缺乏预防医学或即用型疫苗的情况下,数学模型可以为药物开发提供有关传播模式和靶点的有用科学见解。在这项研究中,我们提出了一个宿主内的数学模型的SARS-CoV-2感染考虑先天性和适应性免疫反应。我们分析了该模型的平衡点,得到了基本再生产数的表达式。然后,我们用数值方法证明了跨临界分岔的存在。该模型根据两名COVID-19患者的真实病毒载量数据进行校准。使用估计的参数,我们进行全球敏感性分析相对于病毒载量的峰值。最后,我们研究了抗病毒药物和疫苗接种对SARS-CoV-2感染动力学的影响。我们的研究结果表明,阻断受感染细胞产生病毒比降低健康细胞的感染率更能降低病毒载量。疫苗接种也被发现是有用的,但在疫苗开发阶段,阻断受感染细胞的病毒产生可以成为抗病毒药物开发的目标。
2020-06-28 q-bio.CB q-bio.PE
Mathematical Characterization of Private and Public Immune Repertoire Sequences
Frankfurt School of Finance and Management(法兰克福金融管理学院);University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校);Coventry University(考文垂大学)
研究通过概率模型量化T/B细胞受体克隆丰富度和重叠的均值与方差,分析不同采样协议对克隆丰度及个体间克隆共同性的影响。
2023-08-19 cond-mat.stat-mech q-bio.PE q-bio.QM
HIV time hierarchy: Winning the war while, loosing all the battles
艾滋病是我们时代的流行病。这种疾病让我们感到恐惧,不仅因为它是致命的,还因为它阴险的时间进程使我们都成为潜在的携带者,早在它把我们的头放在篮子里之前。艾滋病奇怪的三阶段动力学也是理论上描述这种疾病的主要难题之一(1)。像大多数疾病一样,艾滋病开始于病毒表达的高峰(2,3),这实际上是由免疫系统消灭的。然而,它随后以低水平的表达保留在体内,直到后来(几年后的一段时间),当疾病爆发时,最终削弱免疫系统,导致各种常见病原体死亡。在本文中,我们表明,使用微观模拟,艾滋病的时间进程是由病毒和免疫细胞在抗原的形状空间中的相互作用决定的,并且病毒在这个空间中移动得更快的能力(它的高突变性)导致了时间进程和疾病的最终“胜利”。这些结果为在与艾滋病毒流行病的持续斗争中进一步的实验和治疗结论开辟了道路。
2000-08-23 nlin.AO q-bio.PE
Trait-space patterning and the role of feedback in antigen-immunity coevolution
共同进化的军备竞赛在相互作用的种群之间形成,这些种群构成彼此的环境并对相互的变化做出反应。这种固有的远离平衡的过程在适应性免疫系统中发现了惊人的表现,其中高度可变的抗原和有限的免疫受体库在可比的时间尺度上共同进化。这种对免疫系统的独特挑战激发了一般性问题:生态和进化过程如何相互作用以塑造多样性?是什么决定了共同进化的持久性和命运?在这里,我们从反应环境的角度出发,建立了一个受体和抗原之间协同进化的表型模型,两者都表现出交叉反应性(一对多反应)。该理论预测,在交叉反应的不对称程度是一个关键的决定因素的剧目组成:小的不对称支持持久的大的多样性,而强的不对称性产生长寿命的瞬变的准种在两个人口。后者代表了一种新型的图灵机制。更令人惊讶的是,特征空间中的模式化反馈了种群动态:图灵模式之间的空间共振打破了动态平衡,导致抗原灭绝或不受限制的增长。模型预测可以通过组合的基因组和表型测量进行测试。我们的工作确定了交叉反应性作为多样性和共同进化结果的重要调节器,并揭示了生态反馈在模式形成系统中的显着作用,该系统驱动进化向不同于红皇后持续循环的非稳态发展。
2019-07-29 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
Strength and weakness of disease-induced herd immunity in networks
该研究通过网络建模揭示疾病诱导群体免疫同时受免疫力偏态分布增强与拓扑局域化削弱两种机制影响,指出低维网络中其效果可能不如随机免疫。
2025-05-19 physics.soc-ph q-bio.PE
Host immune response driving SARS-CoV-2 evolution
严重急性呼吸综合征冠状病毒2型(SARS-CoV-2)的传播和演变对控制和抗击2019冠状病毒病(COVID-19)大流行至关重要。目前,已记录了近15,000个SARS-CoV-2单突变,对诊断,疫苗,抗体疗法和药物的发展具有重大影响。然而,对SARS-CoV-2的进化特征和总体趋势知之甚少。在这项工作中,我们提出了一个全面的基因分型分析现有的SARS-CoV-2突变。我们发现,通过APOBEC和ADAR基因编辑的宿主免疫反应引起了近65%的记录突变。此外,我们发现,五岁以下的儿童和老年人可能因对病毒感染的过度反应而处于COVID-19的高风险之中。此外,我们发现,大洋洲和非洲的人口对SARS-CoV-2感染的反应明显比欧洲和亚洲更强烈,这可能解释了为什么非裔美国人除了因系统性健康和社会不平等而导致的高风险感染COVID-19之外,死于COVID-19的风险也增加了。最后,我们的研究表明,对于两个相同起源的病毒基因组序列,它们的进化顺序可以通过突变类型C $>$ T与T $>$ C的比值来确定。
2020-08-20 q-bio.GN q-bio.PE
Cellular gradient flow structure connects single-cell-level rules and population-level dynamics
本文揭示了异质细胞群体的梯度流结构能自然连接单细胞规则与群体级动态,并证明单向类型切换等规则源于此结构,为理解多细胞动态提供了理论基础。
2022-05-26 q-bio.CB q-bio.PE
A Multi-Scale Model for Correlation in B Cell VDJ Usage of Zebrafish
斑马鱼(\emph{Danio rerio})是免疫学研究的模式动物之一,其适应性免疫系统的动态与高等动物相似。在这项工作中,我们建立了一个多尺度模型来模拟B细胞在斑马鱼的初级和次级免疫反应中的动力学。我们用这个模型来解释的VDJ使用B细胞库在个别斑马鱼之间的相关性。我们使用延迟常微分方程(ODE)系统来模拟斑马鱼在6个月寿命内的免疫反应。该平均场理论给出了感染期间高亲和力B细胞的数量作为时间的函数。然后,这些B细胞的序列取自通过“微观”随机能量模型计算的分布。这种广义的$NK$模型表明,对一种抗原特异的成熟B细胞主要具有单一VDJ重组。该模型允许第一原理计算的概率,$p$,两个斑马鱼响应相同的抗原将选择相同的VDJ重组。该概率$p$随着B细胞群体大小和B细胞选择强度而增加。概率$p$随着B细胞超突变率而降低。多尺度模型预测的斑马鱼免疫系统的相关性与实验结果高度相似。
2012-04-26 q-bio.PE
Immunomodulatory role of black tea in the mitigation of cancer induced by inorganic arsenic
我们提出了一个模型分析肿瘤和正常细胞生长的影响下,致癌剂,免疫调节剂(IM)和可变流入的免疫细胞,包括相关的相互作用。肿瘤的生长是由致癌物质,如无机砷促进,而在这里考虑的IM是红茶(山茶)。观察到具有可变免疫细胞流入的模型相对于恒定流入模型具有相当大的优势,并且虽然肿瘤细胞群体大大减轻,但正常细胞群体保持高于健康水平。正常和肿瘤细胞的演化计算从所提出的模型和他们的局部稳定性进行了研究分析。进行数值模拟研究的长期动态和各种因素的影响进行了估计。这有助于开发一种平衡的肿瘤缓解策略,而不使用通常具有强烈副作用的化疗药物。
2020-09-29 q-bio.PE q-bio.TO
Analysis of a Stochastic Predator-Prey Model with Applications to Intrahost HIV Genetic Diversity
在感染过程中,HIV会受到免疫系统T细胞的强烈选择。最近的实验工作表明,MHC逃逸突变形成了HIV避免这种选择的重要途径。本文研究了一个MHC逃逸突变模型。该模型是一个捕食者-被捕食者模型,有两个被捕食者,由两个HIV变体组成,一个捕食者,免疫系统CD 8细胞。我们假设一种HIV变体对CD 8细胞可见,另一种则不可见。该模型采用随机微分方程系统的形式。受HIV宿主内生命周期短的已知结果的启发,我们假设HIV群体动态发生在比CD 8群体动态更快的时间尺度上。这种时间尺度的分离允许我们使用渐近方法来分析我们的模型。使用这个模型,我们研究了MHC逃逸突变对宿主内HIV群体的群体动态和遗传进化的影响。从人口动力学的角度来看,我们表明,可见和不可见的艾滋病毒变种之间的竞争可以达到稳定的状态,其中存在一个单一的变种或在其中共存发生取决于参数制度。我们表明,在某些参数制度的系统的最终状态是随机的。从遗传学的角度来看,我们研究了逃逸突变发生后,对HIV样本谱系的人口动态的影响。我们发现,血统经过严重的瓶颈,血统分布的特点是由一个金曼聚结。
2009-08-31 math.DS math.PR q-bio.PE
Coarse-Graining Agent-Based Models of Bacterial Infections
University of Saskatchewan(萨斯喀彻温大学)
本研究针对细菌感染的基于智能体模型推导确定性粗粒化描述,构建半离散及状态结构化反应-扩散系统,数值验证其与集成平均ABM模拟吻合,所得模型更便于大规模模拟与参数研究。
2026-09-04 q-bio.CB q-bio.PE
How the other half lives: CRISPR-Cas's influence on bacteriophages
CRISPR-Cas是原核细胞特有的遗传适应性免疫系统,用于对抗噬菌体和质粒威胁。宿主细胞通过将来自入侵质粒或质粒的DNA序列作为间隔区并入其CRISPR基因座中来适应。这些间隔区被表达为移动监视RNA,其指导CRISPR相关(Cas)蛋白以保护免受相同引物或质粒的后续攻击。来自移动遗传元件的威胁不可避免地塑造了古细菌和细菌的CRISPR基因座,同时CRISPR-Cas免疫系统驱动了这些入侵者的进化。在这里,我们强调了我们最近的工作,以及其他人的工作,这些工作旨在了解CRISPR-Cas逃避的噬菌体机制以及CRISPR保护的原核生物与CRISPR保护的原核生物群体共存的条件。
2017-11-24 q-bio.PE
Transitions in optimal adaptive strategies for populations in fluctuating environments
生物种群受到波动的环境条件的影响。不同的适应策略可以使它们应对这些波动:专门化到一个特定的环境条件,采用一个通才表型,在条件之间进行妥协,或种群多样化(赌注对冲)。从长远来看,哪种策略提供最大的选择优势取决于可获得的表型的范围和环境波动的统计数据。在这里,我们分析这个问题在一个简单的人口增长的数学模型。首先,我们回顾并扩展了一个图形化的方法来识别的最优策略的性质时,环境波动是不相关的。环境波动的时间相关性开辟了依赖于记忆的新策略,但在数学上具有挑战性的研究:我们在这里提出了新的分析结果,以解决这一挑战。我们说明了我们的一般方法,通过分析最佳的适应性策略,在存在的权衡限制的范围内可访问的表型。我们的研究结果扩展了以前的几项研究,并应用于各种生物现象,从细菌的抗生素耐药性到脊椎动物的免疫反应。
2017-03-28 q-bio.PE
Diversity against adversity: How adaptive immunity evolves potent antibodies
免疫系统是如何在如此短的时间内进化出功能性蛋白质--有效的抗体的?我们解决这个问题,使用一个微观的,蛋白质水平的,基于序列的模型,明确定义免疫球蛋白,宿主和病原体蛋白之间的相互作用的体液免疫反应。在该模型中通过克隆选择和亲和力成熟发现了有效的免疫球蛋白。感染的可能结果(细胞灭绝、病毒完全清除后存活或持续感染)主要取决于病毒和免疫球蛋白的突变率。该模型预测,存在最佳体细胞超突变(SHM)率,接近于实验观察到的每次复制每个核苷酸10-3。此外,我们开发了一种分析理论,其解释了最佳SHM程序的物理原因,作为随机突变对新生成熟免疫球蛋白的有害影响(逆境)与产生突变抗体的多样性池的需要之间的妥协,从中可以提取高度有效的抗体(多样性)。该理论解释了诸如B细胞命运对进入抗原的亲和力的依赖性、成熟抗体亲和力的上限、Germinant中心大小和成熟时间等效应。该理论揭示了决定亲和力成熟效率的分子因素,提供了对致细胞病变病毒(生殖系抗体的直接反应)和弱致细胞病变病毒(SHM在反应中的关键作用)的免疫反应的可变性的见解。这些结果证明了免疫系统的微观序列模型的可行性和前景,其中进化免疫球蛋白的种群动力学明确地与它们的分子特性相关联。
2008-05-25 q-bio.BM q-bio.CB q-bio.PE
Diagrammatic expressions for steady-state distribution and static responses in population dynamics
The University of Tokyo(东京大学);Universal Biology Institute, The University of Tokyo(东京大学生物学综合研究院)
本文研究了种群动力学中生物种群对环境扰动的响应机制,通过图示方法推导了平均适应度和稳态分布的静态响应表达式,并讨论了在突变或繁殖占主导时的近似表达。
2026-01-05 cond-mat.stat-mech q-bio.PE
The effect of phenotypic selection on stochastic gene expression
同一群体中遗传相同的细胞可以呈现表型可变的状态,导致对外部信号(如营养和药物诱导的应激)的不同反应。许多模型和实验都集中在基于离散表型状态的描述上。在这里,我们考虑选择作用于单个性状的影响,我们明确地将其与基因表达的蛋白质的可变数量联系起来。考虑到不同的监管模式下选择的基因,我们计算的稳态分布的表达水平,并显示人口如何适应其表达,以提高其适应性。我们定量地将群体的整体适应性与表达水平的遗传力及其在群体中的多样性联系起来。我们展示了如何选择可以增加或减少人口的变异性,改变双峰状态的稳定性,并影响亚稳态吸引子之间的切换率。
2013-06-24 q-bio.MN q-bio.PE
A mathematical model of the effects of aging on naive T-cell population and diversity
已知人类适应性免疫应答在老年时减弱,导致病原体引起的疾病的严重程度增加,疫苗效力差,以及老年人癌症的患病率较高。与免疫相关的T细胞区室的侵蚀被认为是可能的原因,但驱动这种免疫衰老的潜在机制尚未被定量建模和系统分析。已知T细胞受体多样性或T细胞池的病原体来源的抗原反应性的程度随着年龄的增长而减少,但固有的实验困难妨碍了在全生物体水平上的准确分析。在本文中,我们制定了一个机械数学模型的T细胞种群动力学的免疫克隆亚群水平上,提供了定量的多样性估计。我们定义了不同的多样性估计值,这取决于特定免疫克隆中细胞的个体数量。我们发现,随着年龄的增长,多样性下降,主要是由于减少胸腺输出的新的T细胞和由此产生的整体损失的小免疫克隆。
2019-01-02 q-bio.PE q-bio.TO