Американские биологи построили математическую модель для описания распространения и развития малярии. С ее помощью удалось показать, что если малярия распространяется быстро, выживают паразиты, чувствительные к лекарствам, а в условиях медленного распространения резистентность малярийного плазмодия к лекарствам повышается. В будущем полученные данные можно использовать для улучшения методов борьбы с малярией и поиска наиболее эффективных лекарств, пишут ученые в PLOS Biology.

Однако группе американских ученых из Университета Эмори под руководством Мэри Бушман (Mary Bushman) удалось с помощью математической модели описать распространение и эволюцию в организме человека малярийного плазмодия Plasmodium falciparum — возбудителя малярии. Ученые отмечают, что для малярийного плазмодия характерно быстрое увеличение резистентности к лекарствам в тех условиях, где инфекция существует, но передается от человека к человеку довольно медленно (например в Юго-Восточной Азии и Южной Америке). Напротив, в тех регионах, где переносчиков больше и инфекция передается быстро (например, в западной Африке), — наоборот, чувствительность паразитов к лекарствам оказывается значительно выше. Для объяснения этого эффекта ученые предложили несколько гипотез, связанных со снижением приобретенного иммунитета или разделением нужных мутаций в результате рекомбинации.

Исследователи посчитали, что при повышении скорости и частоты передачи инфекции от одного человека к другому конкуренция между старым штаммом более приспособленных к лекарству организмов и новым штаммом более чувствительных приводит к замедлению распространения резистентности. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые построили модель, состоящую из двух подсистем. Первая, более глобальная система описывает процесс передачи малярии с помощью малярийных комаров от человека к человеку, а вторая — эволюцию плазмодия в организме человека с учетом наличия лекарства, к которому микроорганизм может приспособиться, а также регулярного появления в этом же организме новых штаммов паразитов.

Схема модели распространения малярии внутри популяции. Mary Bushman et al./ PLOS Biology, 2018

Модель развития малярийного плазмодия внутри одного организма. Цветом обозначены клетки крови, зараженные различными штаммами патогена: розовым — чувствительные к лекарству, синим — резистентные. Белым цветом обозначены незараженные клетки. Mary Bushman et al./ PLOS Biology, 2018

Описав эту модель сначала теоретически, ученые промоделировали с помощью нее эволюцию малярийного плазмодия в системе, состоящей из 400 человек и 12 тысяч малярийных комаров, которые переносят паразита от одного человека к другому. Скорость передачи инфекции в этой системе ученые изменяли, варьируя число контактов человека с комарами, а не их количество. Эволюцию нескольких различных конфигураций этой системы ученые смоделировали, исследуя ее изменения в течение 8 тысяч суток.

Оказалось, что в тех условиях, в которых инфекция быстро передается от человека к человеку, конкуренция между различными штаммами плазмодия внутри одного организма хозяина сильнее сказывается на резистентных паразитах, в результате чего они погибают, а чувствительные к лекарствам патогены — остаются. В случае более медленной скорости распространения инфекции вероятность выживания резистентных паразитов значительно выше. Тем не менее, и в тех условиях, в которых распространение инфекции происходит быстро, возможны ситуации, при которых резистентному патогену удается выжить. В таком случае этот патоген очень быстро распространяется по всей популяции.

Авторы исследования отмечают, что полученные ими данные помогут в будущем помочь разработать правильные стратегии борьбы с малярией в различных регионах планет. Кроме того, они также могут помочь подобрать лекарственные препараты, которые не позволят наиболее опасным штаммам паразитов распространиться по значительной части популяции.

Автор: Александр Дубов