Модель иммунной сети

Модели, основанные на принципах функционирования иммунной системы

Для объяснения иммунологических механизмов существуют разные теории и математические модели. Также имеется растущее число компьютерных моделей для имитации динамики различных компонентов иммунной системы и ее поведения в целом. Эти подходы включают модели, сформулированные в виде систем дифференциальных и стохастических уравнений, клеточно-автоматные модели, модели пространства конфигураций и другие. Вместе с тем, естественная иммунная система служит источником новых идей для развития интеллектуальных методов решения сложных задач, но работ в этой области пока немного. Необходимо проводить больше исследований, в частности, для изучения механизмов обработки информации в иммунной системе, что может иметь большое практическое значение.

К сожалению, в настоящее время существует лишь небольшое число вычислительных моделей, основанных на принципах работы иммунной системы. По-видимому, это связано с сохраняющейся неопределенностью основных положений, предложенных для ее описания. Среди таких моделей часто используются следующие.

Ерне предложил гипотезу, согласно которой иммунная система представляет собой регулируемую сеть молекул и клеток, распознающих друг друга даже при отсутствии антигена. Такие структуры часто называют идиотипическим сетями, они служат математической основой для изучения поведения иммунной системы. Теория Ерне интерпретируется в виде системы дифференциальных уравнений, описывающей динамику концентрации клонов лимфоцитов и соответствующих молекул иммуноглобулинов. Теория идиотипической регуляции основана на предположении, что различные клоны лимфоцитов друг от друга не изолированы, а поддерживают связь путем взаимодействий между своими рецепторами и антителами. Следовательно, распознавание антигена осуществляется не единичным клоном клеток, а скорее на системном уровне, с участием различных клонов, взаимодействующих по типу реакций антиген-антитело как единая сеть.

Ерне считал, что в ходе иммунного ответа сам антиген вызывает лишь выработку первого набора антител Аb1. Затем эти антитела, действуя в качестве антигена, вызывают выработку второго набора «антиидиотипических» антител Ab2, распознающих идиотипы на антителах Аb1. Аналогично осуществляется выработка третьего набора антител, Ab3, распознающих антитела Ab2, и так далее.

Ключевой постулат теории Ерне заключается в том, что единичная клетка продуцирует лишь один тип антител; отсюда следует несколько выводов: 1) существует аллельное исключение, 2) все антитело-подобные рецепторы на поверхности лимфоцита должны быть идентичными или, по крайней мере, иметь идентичные легкие цепи и вариабельные области тяжелых цепей; а также что 3) все антитела, продуцируемые данной клеткой, и ее потомки должны иметь одинаковый идиотип. Формулируя основы своей теории, Ерне ввел понятия формальных и функциональных сетей. Формальные сети служат для изучения вопросов репертуара, дуализма и супрессии. При рассмотрении функциональных сетей представлена количественная картина теории.

Вероятностный подход к изучению идиотипических сетей на основе работы Ерне предложил Перельсон. Данный подход предельно математизирован и, в основном, связан с описанием фазовых переходов. Перельсон разделил плоскость фазовых переменных рассматриваемой системы уравнений на докритическую область, область перехода и посткритическую область.

Последние 20 лет предложенной Ерне теории иммунной сети уделялось значительное внимание, что привело к подробному изучению многих вычислительных аспектов соответствующих математических моделей.