我們通常將對(duì)病毒，細(xì)菌或寄生蟲感染的科學(xué)研究視為臨床和生物醫(yī)學(xué)研究的領(lǐng)域。當(dāng)然，對(duì)于病毒侵襲我們的細(xì)胞，劫持我們的基因復(fù)制系統(tǒng)然后產(chǎn)生數(shù)百萬(wàn)個(gè)自身副本的病毒的研究，對(duì)于數(shù)學(xué)家或計(jì)算科學(xué)家而言，是沒(méi)有地方的。

但是由于現(xiàn)在可供我們使用的計(jì)算資源的大量增加，數(shù)學(xué)科學(xué)家正在為感染的研究做出重要貢獻(xiàn)。

在過(guò)去的20年中，數(shù)學(xué)和計(jì)算生物學(xué)家開(kāi)發(fā)了描述人類宿主內(nèi)感染過(guò)程的新模型。

這些數(shù)學(xué)模型基于幫助物理學(xué)家研究基本粒子之間相互作用的相同原理，或者由氣候科學(xué)家為氣候變化的原因和潛在影響建模。這些模型捕獲病毒如何進(jìn)入宿主，然后在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制。

觸發(fā)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致宿主中病毒顆粒的數(shù)量和被感染細(xì)胞的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。僅當(dāng)宿主的免疫系統(tǒng)被激活時(shí)，這種連鎖反應(yīng)才被抑制。

取決于生物學(xué)的細(xì)節(jié)，宿主可以清除感染或進(jìn)入慢性感染狀態(tài)。例如，普通感冒幾天后，我們通常會(huì)感覺(jué)好些，但HIV病毒是慢性的，需要終生治療，以避免臨床疾病(AIDS)。

流感有多嚴(yán)重?

那么這在實(shí)踐中如何工作?2011年5月至2011年9月之間，在新南威爾士州的亨特新英格蘭地區(qū)，通過(guò)常規(guī)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了A(H1N1)pdm09型耐藥流感 病毒簇。該菌株是2009年“豬流感”大流行的直接后代。

這種耐藥性病毒簇代表著耐藥性A(H1N1)pdm09流感在世界任何地方的社區(qū)傳播的首次發(fā)生。

直接的問(wèn)題是：病毒會(huì)傳播得更廣泛?jiǎn)?而且用于治療流感的一線藥物是否會(huì)變得多余?

顯然，對(duì)病毒的潛在傳播潛力進(jìn)行直接的人類實(shí)驗(yàn)既不切實(shí)際，也不合乎道德。因此，事實(shí)證明，數(shù)學(xué)和計(jì)算方法對(duì)于回答這些問(wèn)題至關(guān)重要。

對(duì)流感建模

設(shè)在墨爾本的彼得·多爾蒂研究所的世界衛(wèi)生組織流感科學(xué)家與墨爾本大學(xué)的計(jì)算生物學(xué)家合作，使用動(dòng)物感染模型進(jìn)行了一些精心控制的實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)耐藥性病毒如何快速有效地侵入宿主進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量。然后將這些數(shù)據(jù)與新開(kāi)發(fā)的感染數(shù)學(xué)模型配對(duì)。

目的是確定抗藥性變體是否比對(duì)藥物敏感的變體有效或高效率地復(fù)制。

該研究中開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型必須應(yīng)用于數(shù)據(jù)，以推斷耐藥性病毒可能的傳播潛力。

計(jì)算要求很高。墨爾本大學(xué)和維多利亞生命科學(xué)計(jì)算計(jì)劃在高性能計(jì)算集群上花費(fèi)了三個(gè)月的計(jì)算時(shí)間。

這些組合的實(shí)驗(yàn)計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)了什么?抗藥性病毒比對(duì)藥物敏感的病毒更能在社區(qū)內(nèi)傳播。

考慮到2011年末流感病毒的繼續(xù)傳播，我們可以預(yù)測(cè)，耐藥性病毒將超過(guò)對(duì)藥物敏感的病毒，從而在更廣泛，甚至全球的人群中逐漸流行。

但是今天，我們的藥物繼續(xù)對(duì)流感有效。為什么?我們認(rèn)為這一切都?xì)w功于運(yùn)氣。

結(jié)束通話

抗藥性病毒在2011年冬季的流感季節(jié)出現(xiàn)，但仍局限于新英格蘭地區(qū)的獵人地區(qū)。

到那個(gè)春天，所有流感病毒開(kāi)始在社區(qū)中傳播的效果開(kāi)始減弱。耐藥菌病毒盡管是該地區(qū)感染人類能力最強(qiáng)的病毒，但注定要失敗。

從那以后，進(jìn)一步的病毒學(xué)，數(shù)學(xué)和計(jì)算分析已確認(rèn)，2011年鑒定出的抗藥性病毒包含增強(qiáng)其適應(yīng)性的遺傳變異。

現(xiàn)在，全球正在努力監(jiān)測(cè)這些遺傳變異，以便提供一種早期預(yù)警系統(tǒng)，以檢測(cè)耐藥性流感的潛在爆發(fā)。

這只是關(guān)于數(shù)學(xué)和計(jì)算如何在感染科學(xué)研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用的一個(gè)故事。計(jì)算生物學(xué)研究人員目前正在問(wèn)一些問(wèn)題，例如免疫系統(tǒng)的不同成分如何有助于控制流感感染?

未來(lái)

我們才剛剛開(kāi)始充分利用有關(guān)病原體如何感染宿主的大量臨床和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

數(shù)學(xué)和計(jì)算科學(xué)帶來(lái)的觀點(diǎn)正在改變我們對(duì)病毒學(xué)和免疫學(xué)學(xué)科的看法?？梢哉f(shuō)，我們正處于從基于實(shí)驗(yàn)室的研究到基于系統(tǒng)科學(xué)的感染研究的轉(zhuǎn)變之中。

未來(lái)會(huì)怎樣?隨著模型復(fù)雜程度的提高，計(jì)算能力的提高以及與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匹配，我們很快將能夠跨多個(gè)規(guī)模模擬感染。

個(gè)人感染和免疫反應(yīng)的詳細(xì)模型將大規(guī)模地結(jié)合在一起，以考慮感染如何在整個(gè)社區(qū)中傳播。這將匯集兩個(gè)已建立的研究領(lǐng)域：宿主感染的建模和流行病學(xué)規(guī)模的建模。

這將為研究感染和改善人群健康提供新的機(jī)會(huì)。伴隨著這些機(jī)會(huì)，計(jì)算將面臨新的挑戰(zhàn)。