SUPERVISOR
Keivan Aghababaei samani,Farhad Fazileh
کیوان آقابابائی سامانی (استاد مشاور) فرهاد فضیله (استاد راهنما)
STUDENT
Fatemeh Heydari
فاطمه حیدری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387
TITLE
Simulation of the Virus Dynamics Interacting with Immune System using Cellular Automata
Acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) has rapidly emerged as one of the main global health problems. It is a widely accepted fact that HIV causes AIDS, a condition in which the normal human immune system becomes suppressed, rendering the affected individual unable to fight serious or fatal infections. Infection by HIV-1 has many unusual quantitative features. An example is the average 10-year lag from the start of infection till HIV totally dominates the immune system. In recent decades, the infection caused by HIV which leads to AIDS has been the subject of many researches. Although many progresses have happened in understanding different aspects of virus-host interaction, mechanisms through which HIV causes AIDS are still under question. Nowadays, mathematical modeling has become an integral part of the research on the HIV infection. Elaborate mathematical models cannot only help further understanding of HIV dynamics ,but also provide useful predictions that can be used as the basis for assessing the effects of chemotherapy or immunotherapy and for the design of optimum therapies and effective vaccines. The time scale to develop a specific immune response may vary from days to weeks. In the case of HIV, the entire course of infection involves two different time scales. The primary infection exhibits the same characteristics as any other viral infection: a dramatic increase of the virus population during the first 2–6 weeks, followed by a sharp decline, due to the action of the immune system. However, instead of being completely eliminated after the primary infection, as many other viruses, a low HIV concentration is detected for a long asymptomatic time: the clinical latency period. This period may vary from one to ten years. Besides the low virus burden detected during this period, a gradual deterioration of the immune system is manifested by the reduction of CD4+T-cell populations in the peripheral blood. The third phase of the disease is achieved when the concentration of the T cells is lower than a critical value, leading to the development of AIDS. So, in this research, first, basic concepts of immunology and virology are explained. After that the structure and history of HIV virus which is the aim of this project is discussed. Then the simplest model of dynamic and demography is studied. In following steps, quasispecies model, some concepts of Evoluionary Games, Prisoner’s Dilemma game and tit-for-tat strategy and cellular automata model which is a discontinuous model in time and space are introduced and investigated, respectively. Finally, the results obtained applying above models to HIV virus are discussed.The goal of this thesis is to use a combination of cellular automata and quasispecies model in order to investigate the dynamic interaction which produces AIDS between HIV viruses and immune system. Changing virus concentration, applying cellular and homoral immune separately and removing the RNA mutation of viruses, are studied. Additionally, throughout changing the length of Antigen epitope on virus variable, a threshold for genetic variety that immune system can bear until the infection caused by HIV doesn't lead to AIDS, is obtained.
در سال های اخیر سندروم نقص ایمنی اکتسابی سریعاً به عنوان یکی از مشکلات مهم سلامت در جهان پدیدار شده است. این یک واقعیت کاملاً پذیرفته شده است، که HIV-1 عامل بیماری ایدز است؛ شرایطی که در آن سیستم ایمنی نرمال انسان سرکوب می شود و دیگر قادر به جنگیدن با عفونت های سخت و کشنده نخواهد بود. عفونت HIV خصوصیات کمّی غیرمعمول زیادی دارد، مثلاً تأخیر 10 ساله از شروع عفونت تا اینکه در نهایت HIV-1 بر سیستم ایمنی چیره شود. در دهه های اخیر آلودگی توسط HIV که باعث ایدز می شود، موضوع مطالعات بسیار زیادی در زمینه های گوناگون علمی شده است. اگر چه پیشرفت های زیادی توسط تحقیقات پزشکی و زیست شناسی برای درک جنبه های مختلف برهم کنش بین ویروس- میزبان به دست آمده است، اما مکانیسم هایی که در آن ها HIV باعث ایدز می شود، هنوز غیرقابل توضیح است. امروزه مدل سازی ریاضی یک بخش جدایی ناپذیر از تحقیقات روی عفونت HIV شده است. مدل های پیچیده ی ریاضی تنها به درک بیشتر دینامیک HIV کمک نمی کنند بلکه، پیش گویی های مفیدی را نیز فراهم می کنند، که می توانند به عنوان اساسی برای تشخیص اثرهای درمان دارویی یا معالجه بیماری و برای درمان بهینه و واکسن مؤثر مورد استفاده قرار گیرند. پاسخ ایمنی به هر ویروس توسط یک مجموعه ی پیچیده از برهم کنش ها بین اجزاء مختلف سیستم ایمنی تولید می شود. مقیاس زمانی برای توسعه ی یک پاسخ ایمنی خاص ممکن است از روزها تا هفته ها متفاوت باشد. در مورد ویروس HIV ، مسیر عفونت شامل دو مقیاس زمانی متفاوت است. عفونت ابتدایی ویژگی یکسانی مانند هر عفونت ویروسی دیگری نشان می دهد: یک افزایش چشم گیر در جمعیت ویروسی در طول 6-2 هفته ی ابتدایی، که با یک کاهش شدید ناشی از فعالیت سیستم ایمنی، دنبال می شود. مهمترین گروه از سلول های سیستم ایمنی که پاسخ ایمنی را نتیجه می دهند، سلول های T+8CD و سلول های B می باشند. هر چند، در مورد ویروس HIV به جای شروع حذف کامل بعد از آلودگی ابتدایی، مانند بسیاری از ویروس های دیگر، یک غلظت پایین HIV برای یک زمان طولانی بدون علامت باقی می ماند، که به آن دوره ی نهفتگی بالینی می گویند. این دوره ممکن است از یک تا 10 سال یا بیشتر متفاوت باشد. در کنار ظرفیت پایین ویروسی در طول دوره نهفتگی یک کاهش جمعیت در سلول هایT+4CD آشکار می شود. سومین فاز بیماری زمانی به وجود می آید که غلظت سلول های T به دلیل ظهور ایدز، پایین تر از یک مقدار بحرانی تقریباً 30% برسد. در این پایان نامه، ابتدا برخی از مفاهیم پایه ای ایمنی شناسی و ویروس شناسی را بیان می کنیم. در مورد ساختار و تاریخچه ویروس خاص HIV که هدف مطالعه در این پایان نامه است، صحبت خواهیم کرد. در ادامه، ابتدا ساده ترین مدل دینامیک و جمعیت شناسی را بررسی می کنیم؛ پس از آن به بررسی و مطالعه ی مدل شبه گونه می پردازیم. به بیان و بررسی برخی مفاهیم بازی های تکاملی می پردازیم. بازی معمای زندانی و استراتژی" این به آن در" را توضیح می دهیم. مدل ماشین های سلولی را که یک مدل گسسته در فضا و زمان است، توضیح می دهیم و بعد به بررسی نتایج حاصل از مدل های بیان شده روی ویروس خاص HIV می پردازیم. هدف این پایان نامه استفاده از ترکیبی از مدل ماشین های سلولی و مدل شبه گونه، جهت بررسی دینامیک برهم کنش ویروسHIV و سیستم ایمنی است که در نهایت منجر به ایدز می شود. حالات با غلظت های مختلف ویروسی، اِعمال مجزای ایمنی سلولی و هومورال و حذف جهش RNA ویروسی که یکی از عوامل تأثیرگذار در بروز ایدز در بیماران آلوده به HIV است، را نیز بررسی می کنیم. همچنین با تغییر طول متغیر شاخص آنتی ژنی ویروس آستانه ای برای تنوع ژنتیکی که سیستم ایمنی می تواند تحمل کند، بدون این که عفونت ناشی از HIV به ایدز منجر شود، بدست می آوریم