疟疾的数学耐药性竞争寄生虫的数字游戏

一种新的疟疾数学模型显示了人体内寄生虫菌株之间的竞争如何降低高传播环境中耐药性的可能性。但是，如果耐药菌株确实成立，那么同样的竞争会在抗疟药物的强烈选择下更快地推动抗药性的传播。

“这基本上是一场数字游戏，”为她的博士开发模型的玛丽布什曼说。埃默里大学人口生物学，生态学和进化研究生课程的论文。“当你已经在一个种群中有多种疟疾菌株，并且出现耐药菌株时，它通常会灭绝，因为它是一个后来者。无论哪种菌株首先都有优势。”

PLOS生物学发表了这一研究结果，这是一个模拟疟疾流行病的计算框架，涵盖了多种规模的疟疾流行病：寄生虫从蚊子传播到人类，以及寄生虫竞争感染血细胞的动态，同时它们也与人类宿主的免疫系统作斗争。

创建该模型后，布什曼在人口中进行模拟跟踪疟疾大约14年。这些模拟包括400名理论人员，他们被12,000只蚊子随机咬伤，这些蚊子被疟疾寄生虫感染，分类为耐药或药物敏感。抗疟药物的各种治疗水平也是模拟的一部分。

“我们的模型与疟疾之外的传染病具有很强的相关性，”埃默里的进化生物学家，该论文的高级作者Jaap de Roode说。“我们希望这项研究能够让其他人了解各种生物有机体的疾病动态，了解一系列病原体中的耐药性如何发展。”

该研究的作者还包括埃默里生物学家Rustom Antia(传染病模型专家)和Venkatachalam Udhayakumar，他是疾病控制和预防中心寄生虫病和疟疾分部的疟疾专家。

研究人员正在努力将他们的疟疾特定模型发展成为传染病的通用软件工具。“计算机模型有时可以为你提供在实际环境中难以获得的洞察力，”布鲁克曼说，他现在是安踏实验室的博士后研究员。

疟疾发生在世界贫困，热带和亚热带地区，尽管全球大部分死亡人数来自撒哈拉以南非洲的儿童。在这个高传播区域感染的人通常会有多种寄生虫菌株，到成年时，它们通常会产生部分免疫力。

“这是一种莫名其妙的疾病，”布什曼说。“疟疾已经研究了100多年，比大多数疾病都要长得多，但仍然有很多我们不了解它。

疟疾是由蚊子传播给人类的几种疟原虫寄生虫引起的。恶性疟原虫(Plasmodium falciparum)是非洲大陆上最常见的疟疾寄生虫，是全球疟疾相关死亡人数最多的一种。

恶性疟原虫已经对以前的一线疗法氯喹和磺胺多辛 - 乙胺嘧啶产生抗药性。在东南亚也出现了第三种也是最后一种治疗方法，即青蒿素联合治疗或ACT。

关于疟疾的一个谜团是为什么耐药菌株倾向于首先出现在像东南亚这样的低透射区域，而且直到很久以后才出现在传播率很高的非洲。

由de Roode和Bushman领导的先前研究表明，当人们与抗药性和药物敏感的疟疾菌株共同感染时，两种菌株都被竞争性抑制。

对于本文，研究人员希望更详细地了解这些动态。一些证据表明，主持人内部的竞争可能会抑制阻力，而其他研究表明它可能会增加抵抗力。

布什曼说：“这是一个有点难题，为什么调查结果是相互矛盾的。”

由疟疾寄生虫如何在免疫系统和它们感染的血细胞中起作用的证据驱动的新模型为这一难题提供了解决方案。

布什曼说：“之前的一些模型是基于这样的假设：当你将两株疟疾放入宿主时，它们会分裂50-50。”“但我们的模型显示该系统是不对称的。当你将两个菌株放入宿主时，它们实际上从未分开50-50。”

后来者通常会灭绝，这就解释了为什么在高传播地区，耐药菌株处于极大的劣势。但是在东南亚等低传播区域，耐药菌株更有可能首先进入宿主并建立起来。

新模型还显示，一旦耐药菌株在高透射区域内建立，它将比在低透射区域中传播得快得多。

布鲁曼说：“建立和传播之间的区别刚刚从数据中跳出来。”“我们的模型验证了论证的两个方面 - 竞争寄生虫的内部动态可以抑制和加速抗性的传播。这种现象发生在过程的不同阶段，因此它们都可能发生。”

这一结果为解释为什么氯喹抗性在非洲相对较晚到达，1978年出现在肯尼亚和坦桑尼亚，然后在整个非洲大陆迅速蔓延。

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