Математика малярии: Устойчивость к лекарствам — это «игра в цифры» конкурирующих паразитов

Новая математическая модель малярии показывает, как конкуренция между штаммами паразита в организме человека-хозяина снижает вероятность развития устойчивости к лекарствам в условиях высокой передачи инфекции. Однако если устойчивый к препаратам штамм всё же закрепится, та же самая конкуренция ускоряет распространение резистентности под сильным давлением отбора из-за использования противомалярийных препаратов.

«По сути, это игра в цифры», — говорит Мэри Бушман, разработавшая модель для своей докторской диссертации. — «Когда в популяции уже присутствуют несколько штаммов малярии, а устойчивый к лекарствам штамм появляется позже, он обычно вымирает просто потому, что опоздал. Штамм, который пришёл первым, имеет преимущество».

PLOS Biology опубликовал результаты — вычислительную модель, описывающую эпидемию малярии на нескольких уровнях: передача паразитов от комаров к людям и динамика конкуренции паразитов за заражение клеток крови, одновременно борющихся с иммунной системой человека-хозяина.

После создания модели Бушман провела симуляции, отслеживая малярию в популяции в течение примерно 14 лет. Симуляции включали 400 теоретических людей, которых случайным образом кусали 12 000 комаров, заражённых малярийными паразитами, классифицированными как лекарственно-устойчивые или лекарственно-чувствительные. Также частью симуляций были различные уровни лечения противомалярийными препаратами.

«Наша модель имеет большое значение для инфекционных заболеваний за пределами малярии», — говорит эволюционный биолог Яп де Роде, старший автор статьи. — «Мы надеемся, что это исследование даст другим метод для изучения динамики заболеваний на разных уровнях биологических организмов, чтобы понять, как развивается лекарственная устойчивость у целого ряда патогенов».

Авторы исследования также включают биолога Растома Антиа (специалиста по моделированию инфекционных заболеваний) и эксперта по малярии Венкатачалама Удхаякумара из Отдела паразитарных заболеваний и малярии CDC.

Исследователи сейчас работают над превращением своей конкретной модели для малярии в универсальный программный инструмент для инфекционных заболеваний. «Компьютерные модели иногда могут дать понимание, которое было бы слишком сложно получить в реальных условиях», — говорит Бушман, ныне постдокторант в лаборатории Антиа.

Одной из загадок малярии является то, почему устойчивые к лекарствам штаммы, как правило, впервые появляются в регионах с низкой передачей инфекции, таких как Юго-Восточная Азия, и появляются гораздо позже в Африке, где передача высока.

Предыдущие исследования под руководством де Роде и Бушман показали, что при ко-инфекции людей лекарственно-устойчивыми и лекарственно-чувствительными штаммами малярии оба штамма конкурентно подавляются.

Для текущей работы исследователи хотели получить более детальное понимание этой динамики. Некоторые данные показывали, что внутрихозяинная конкуренция может подавлять резистентность, в то время как другие исследования показывали, что она может её усиливать.

«Это была своего рода загадка, почему результаты противоречили друг другу», — говорит Бушман.

Новая модель, основанная на данных о том, как малярийные паразиты взаимодействуют с иммунной системой и клетками крови, которые они заражают, дала решение этой загадки.

«Некоторые предыдущие модели исходили из предположения, что когда вы помещаете два штамма малярии в хозяина, они делятся 50 на 50», — объясняет Бушман. — «Но наша модель показала, что система асимметрична. Когда вы помещаете два штамма в хозяина, они практически никогда не делятся 50 на 50».

Опоздавший, как правило, вымирает, что объясняет, почему в регионах с высокой передачей лекарственно-устойчивые штаммы находятся в большом невыгодном положении. Но в регионах с низкой передачей, таких как Юго-Восточная Азия, у устойчивого штамма больше шансов прибыть в хозяина первым и закрепиться.

Новая модель также показала, что как только устойчивый штамм закрепляется в регионе с высокой передачей, он распространяется гораздо быстрее, чем в регионе с низкой передачей.

«Различие между закреплением и распространением буквально выпрыгнуло из данных», — говорит Бушман. — «Наша модель подтвердила обе стороны аргумента — что внутрихозяинная динамика конкурирующих паразитов может как подавлять, так и ускорять распространение резистентности. Эти явления происходят на разных этапах процесса, поэтому оба могут случаться».

Результаты предлагают новое объяснение тому, почему устойчивость к хлорохину появилась в Африке относительно поздно (в Кении и Танзании в 1978 году), но затем быстро распространилась по континенту.