I modelli al computer sviluppati dai matematici della Brown University mostrano nuovi dettagli di ciò che accade all'interno di un globulo rosso affetto da anemia falciforme. I ricercatori hanno detto che sperano che i loro modelli, descritto in un articolo del Giornale Biofisico , aiuterà nella valutazione delle strategie farmacologiche per combattere la malattia genetica del sangue, che colpisce milioni di persone in tutto il mondo.

L'anemia falciforme colpisce l'emoglobina, molecole all'interno dei globuli rossi responsabili del trasporto di ossigeno. Nei globuli rossi normali, l'emoglobina è dispersa uniformemente in tutta la cellula. Nei globuli rossi falciformi, l'emoglobina mutata può polimerizzare se priva di ossigeno, assemblandosi in lunghe fibre polimeriche che spingono contro le membrane delle cellule, costringendoli a deformarsi. Il rigido, le cellule malformate possono depositarsi in piccoli capillari in tutto il corpo, portando a episodi dolorosi noti come crisi falciforme.

"L'obiettivo del nostro lavoro è modellare sia il modo in cui si formano queste fibre di emoglobina falciforme, sia le proprietà meccaniche di tali fibre, " disse Lu Lu, un dottorato di ricerca studente della Brown Division of Applied Mathematics e autore principale dello studio. "C'erano stati modelli separati per ciascuna di queste cose sviluppati individualmente da noi, ma questo li riunisce in un unico modello completo".

Il modello utilizza dati biomeccanici dettagliati su come le molecole di emoglobina falce si comportano e si legano tra loro per simulare l'assemblaggio di una fibra polimerica. Prima di questo lavoro, il problema era che man mano che la fibra cresce, così fa la quantità di dati che il modello deve sgranocchiare. La modellazione di un'intera fibra polimerica su scala cellulare utilizzando i dettagli di ciascuna molecola era semplicemente troppo costosa dal punto di vista computazionale.

"Anche i supercomputer più veloci del mondo non sarebbero in grado di gestirlo, " disse George Karniadakis, professore di matematica applicata alla Brown e autore senior del documento. "Stanno succedendo troppe cose e non c'è modo di catturare tutto in modo computazionale. Questo è ciò che siamo stati in grado di superare con questo lavoro".

La soluzione dei ricercatori è stata quella di applicare quello che chiamano uno schema di risoluzione adattiva mesoscopica o MARS. Il modello MARS calcola la dinamica dettagliata di ogni singola molecola di emoglobina solo a ciascuna estremità delle fibre polimeriche, dove nuove molecole vengono reclutate nella fibra. Una volta stabiliti quattro strati di una fibra, il modello richiama automaticamente la risoluzione alla quale rappresenta quella sezione. Il modello conserva le informazioni importanti su come la fibra si comporta meccanicamente, ma sorvola sui minimi dettagli di ciascuna molecola costituente.

"Eliminando i dettagli fini dove non ne abbiamo bisogno, sviluppiamo un modello in grado di simulare l'intero processo e i suoi effetti su un globulo rosso, "Ha detto Karniadakis.

Utilizzando le nuove simulazioni MARS, i ricercatori sono stati in grado di mostrare come diverse configurazioni di fibre polimeriche in crescita siano in grado di produrre cellule con forme diverse. Sebbene la malattia prenda il nome perché fa sì che molti globuli rossi assumano una forma simile a una falce, ci sono in realtà una varietà di forme cellulari anormali presenti. Questo nuovo approccio di modellazione ha mostrato nuovi dettagli su come diverse strutture di fibre all'interno della cellula producono forme cellulari diverse.

"Siamo in grado di produrre un profilo di polimerizzazione per ciascuno dei tipi di cellule associati alla malattia, "Ha detto Karniadakis. "Ora l'obiettivo è utilizzare questi modelli per cercare modi per prevenire l'insorgenza della malattia".

C'è solo un farmaco sul mercato che è stato approvato dalla FDA per il trattamento dell'anemia falciforme, dice Karniadakis. quella droga, chiamata idrossiurea, si pensa che agisca aumentando la quantità di emoglobina fetale, il tipo di emoglobina con cui nascono i bambini, nel sangue di un paziente. L'emoglobina fetale è resistente alla polimerizzazione e, se presente in quantità sufficiente, si pensa che interrompa la polimerizzazione dell'emoglobina falciforme.

Utilizzando questi nuovi modelli, Karniadakis e i suoi colleghi possono ora eseguire simulazioni che includono l'emoglobina fetale. Queste simulazioni potrebbero aiutare a confermare che l'emoglobina fetale interrompe effettivamente la polimerizzazione, così come aiutare a stabilire quanta emoglobina fetale è necessaria. Ciò potrebbe aiutare a stabilire linee guida di dosaggio migliori o a sviluppare farmaci nuovi e più efficaci, dicono i ricercatori.

"I modelli ci danno un modo per fare test preliminari su nuovi approcci per fermare questa malattia, " ha detto Karniadakis. "Ora che possiamo simulare l'intero processo di polimerizzazione, pensiamo che i modelli saranno molto più utili."