Los modelos informáticos desarrollados por matemáticos de la Universidad de Brown muestran nuevos detalles de lo que sucede dentro de un glóbulo rojo afectado por la anemia de células falciformes. Los investigadores dijeron que esperan que sus modelos, descrito en un artículo en el Revista biofísica , ayudará en la evaluación de estrategias farmacológicas para combatir el trastorno genético de la sangre, que afecta a millones de personas en todo el mundo.

La anemia de células falciformes afecta la hemoglobina, moléculas dentro de los glóbulos rojos responsables del transporte de oxígeno. En los glóbulos rojos normales, la hemoglobina se dispersa uniformemente por toda la célula. En los glóbulos rojos falciformes, la hemoglobina mutada puede polimerizar cuando se le priva de oxígeno, ensamblándose en largas fibras de polímero que empujan contra las membranas de las células, forzándolos a perder su forma. El rígido las células con mala forma pueden alojarse en pequeños capilares en todo el cuerpo, que conduce a episodios dolorosos conocidos como crisis de células falciformes.

"El objetivo de nuestro trabajo es modelar tanto cómo se forman estas fibras de hemoglobina falciforme como las propiedades mecánicas de esas fibras, "dijo Lu Lu, un doctorado estudiante de la División Brown de Matemáticas Aplicadas y autor principal del estudio. "Había modelos separados para cada una de estas cosas desarrollados individualmente por nosotros, pero esto los une en un modelo integral ".

El modelo utiliza datos biomecánicos detallados sobre cómo las moléculas de hemoglobina falciforme se comportan y se unen entre sí para simular el ensamblaje de una fibra polimérica. Antes de este trabajo, el problema había sido que a medida que la fibra crece, también lo hace la cantidad de datos que debe procesar el modelo. Modelar una fibra de polímero completa a escala celular utilizando los detalles de cada molécula era simplemente demasiado costoso computacionalmente.

"Incluso las supercomputadoras más rápidas del mundo no podrían manejarlo, "dijo George Karniadakis, profesor de matemáticas aplicadas en Brown y autor principal del artículo. "Están sucediendo demasiadas cosas y no hay forma de capturarlo todo computacionalmente. Eso es lo que pudimos superar con este trabajo".

La solución de los investigadores fue aplicar lo que ellos llaman un esquema de resolución adaptativa mesoscópica o MARS. El modelo MARS calcula la dinámica detallada de cada molécula de hemoglobina individual solo en cada extremo de las fibras poliméricas, donde se reclutan nuevas moléculas en la fibra. Una vez que se han establecido cuatro capas de una fibra, el modelo vuelve a marcar automáticamente la resolución a la que representa esa sección. El modelo conserva la información importante sobre cómo se comporta mecánicamente la fibra, pero pasa por alto los detalles finos de cada molécula constituyente.

"Al eliminar los pequeños detalles donde no los necesitamos, Desarrollamos un modelo que puede simular todo este proceso y sus efectos en un glóbulo rojo, "Dijo Karniadakis.

Usando las nuevas simulaciones MARS, los investigadores pudieron mostrar cómo diferentes configuraciones de fibras poliméricas en crecimiento pueden producir células con diferentes formas. Aunque la enfermedad recibe su nombre porque hace que muchos glóbulos rojos adquieran una forma de hoz, en realidad, hay una variedad de formas celulares anormales presentes. Este nuevo enfoque de modelado mostró nuevos detalles sobre cómo las diferentes estructuras de fibras dentro de la célula producen diferentes formas de células.

"Podemos producir un perfil de polimerización para cada uno de los tipos de células asociados con la enfermedad, ", Dijo Karniadakis." Ahora el objetivo es utilizar estos modelos para buscar formas de prevenir la aparición de la enfermedad ".

Solo hay un medicamento en el mercado que ha sido aprobado por la FDA para el tratamiento de la anemia drepanocítica. Dice Karniadakis. Esa droga llamada hidroxiurea, Se cree que funciona aumentando la cantidad de hemoglobina fetal (el tipo de hemoglobina con la que nacen los bebés) en la sangre de un paciente. La hemoglobina fetal es resistente a la polimerización y, cuando está presente en cantidad suficiente, Se cree que interrumpe la polimerización de la hemoglobina de células falciformes.

Usando estos nuevos modelos, Karniadakis y sus colegas ahora pueden ejecutar simulaciones que incluyen hemoglobina fetal. Esas simulaciones podrían ayudar a confirmar que la hemoglobina fetal efectivamente interrumpe la polimerización, así como ayudar a establecer cuánta hemoglobina fetal es necesaria. Eso podría ayudar a establecer mejores pautas de dosificación o a desarrollar medicamentos nuevos y más efectivos. dicen los investigadores.

"Los modelos nos brindan una forma de realizar pruebas preliminares sobre nuevos enfoques para detener esta enfermedad, ", Dijo Karniadakis." Ahora que podemos simular todo el proceso de polimerización, creemos que los modelos serán mucho más útiles ".