科学家们对描述抗体和病毒在诸如HIV或者AIDS的慢性感染过程中彼此之间是如何相互作用以及相互适应的进化过程进行算术模拟。
研发HIV/AIDS疫苗仍旧很难，部分原因是该病毒一旦进入我们的身体就会迅速繁殖和进化，逃避免疫系统的杀害。
“该病毒会不断产生变体来躲避检测，”宾夕法尼亚大学人文与科学学院生物系教授Joshua Plotkin说。“一个携带HIV病毒的患者体内会循环着上百万个病毒变种。”
然而，人体免疫系统也会进化。抗体分泌的B细胞能否在同体竞争中生存并且迅速繁殖取决于他们对外来入侵者的束缚力有多强。他们在感染过程中不断制造各种类型的抗体。
在PLOS Genetics杂志一篇最新的文章中，Plotkin，博士后研究员Jakub Otwinowski和普林斯顿大学研究学者 Armita Nourmohammad算数模拟了这些竞争的进化过程来研究影响抗体和病毒之间在HIV或者AIDS的慢性感染过程中是如何相互作用的以及相互适应的情况。
值得注意的是，研究员们考虑在什么情况下，免疫系统会产生广泛的中和抗体，通过锁定病毒基因组中最主要并且不可改变的部分来抵抗病毒株。他们的研究结果，表明向免疫系统呈现大量的多样性病毒抗原可能是激发强效抗体出现的最好方式，影响了HIV和其他慢性感染的疫苗的设计研究。
“这并不是设计HIV疫苗的处方，”Plotkin 说，“但是我们所做的这些工作为研究如何激发免疫系统产生广泛的中和抗体提供了大量的指导意见。”
在尝试模拟抗体和病毒之间的相互进化过程时面临的最大挑战是在感染过程中密切关注每一个群种中产生的大量不同的基因组序列。所以研究员们专注统计病毒和抗体之间的相互作用。
“这是简化问题的关键分析技巧，”Otwinowski说。“使得记录且书写所有相互作用的等式变为可能。”
研究员们设计了一个模型，用以研究突变时怎样影响抗体和病毒之间的结合能力。他们的模型计算了全部病毒株的种群与抗体的全部功能之间的平均结合能力，来研究这两者间是怎么相互进化的。
“这是我们研究中一件独一无二的工作，”Nourmohammad说。“我们并不仅关注某一种病毒和某一种抗体之间的结合，而且关注的在慢性感染过程中所发生的全部相互作用的多样性。”
“在这个过程中描绘出一个S型曲线，其中，免疫系统中有时候会通过高水平的束缚来控制感染，但随后将产生一种躲避中和反应的病毒变体，然后束缚能力便下降。”
“如果病毒和抗体之间有着活跃的束缚，那么免疫系统功能就会很好发挥，”Plotkin 说，“如果两者中间没有很强的束缚性，病毒就会十分活跃。”
这种特征表明存在一种系统，在该系统中病毒对抗体的反应是不平衡的，反之亦然。研究员们指出，这种特征在很多对抗性相互进化群体中较常见。
观察他们的模型和从实际感染过程中获取的数据之间有多么吻合，研究员们查看了来自两例HIV病人的一段时间内的实验数据，实验中在不同时间点收集他们的抗体，之后和他们体内在感染中不同时间生成的病毒进行“竞争”。
他们发现这些病人的数据结论和他们的模型得出的结论一致：早期感染的病毒大部分被之后产生的抗体中和，但却对早期产生的抗体免疫。
最终，研究员们试图利用这个模型考虑在什么情况下能抵御大部分病毒株的广泛中和的抗体会出现且急速增长。
“不管广泛的中和抗体效用多大，有这些抗体的HIV病人也并没有因此痊愈，”Plotkin说：“当他们的身体内形成这些抗体时，时间太晚了，且体内T-cell的全部功能已经耗尽。这形成了一个耐人寻味的想法，只要他们能在感染前形成这些抗体，他们就能有准备的打击某个进化目标。”
“我们建立的模型显示，如果病毒多样性太强大，这些广泛的中和抗体战胜更具针对性的抗体并且迅速繁殖的机会就更大。”
研究发现，一种疫苗为了要激发产生这些抗体，就必须向主体给予多样化的病毒抗原。这样使得所有具针对性的抗体失去优势，让位给中和性抗体，使其成功发挥作用。
研究员们说像这样的交互进化系统的理论研究模型很少。照此，他们的研究成功也会应用于其他交互进化案例中。
“我们的理论可以用于其他系统的研究，如细菌和噬菌体的交互进化，”Otwinowski说，这个过程中病毒影响细菌，促使细菌进化。
“他也可以在全球免疫系统研究中说明流感病毒的交互进化。”Nourmohammad说。
美国国家科学基金，James S. McDonnell基金，David and Lucile Packard Foundation基金，美国军队研究办公室以及美国内政部为我们的研究提供资金支持。