Работая с пациентом, врач анализирует симптомы, определяет заболевание и прописывает лекарства, но стандартная схема лечения эффективна не для всех.

Дело в том, что организм каждого человека имеет свой иммунный ответ, зависящий от истории болезней и характеристик иммунокомпетентных клеток. Помочь медикам могут математические модели, которые разрабатывают в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.

Кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ИВМиМГ СО РАН Ольга Игоревна Криворотько получила президентский грант на разработку численных алгоритмов решения задач иммунологии и эпидемиологии.

Основанная на них компьютерная программа, опираясь на анализы крови и урины, будет способна описать индивидуальные параметры иммунитета с некоторой погрешностью и подстроить под них оптимальный план лечения, выбрав медикаменты с нужными фармакокинетическими свойствами.

Эти модели применимы не только в иммунологии, но и в эпидемиологии: службы здравоохранения с помощью аналогичных программ могут предсказывать вспышки заболеваний и предупреждать их. Например, в Сибири и на Дальнем Востоке туберкулез распространен больше, чем в других регионах страны: на основе статистических данных о заболевании за прошлые годы математические модели предскажут его развитие на десять или даже пятьдесят лет вперед.

В области иммунологии ученые уделяют внимание вирусным и бактериальным инфекциям, а недавно приступили к опухолевым заболеваниям. И если раньше работа была статистически-исследовательской, то в этом году ученые начали контактировать с иммунологами. В области эпидемиологии же сейчас разрабатывают алгоритмы для математических моделей туберкулеза и ВИЧ-инфекции - отчасти из-за актуальности этой проблемы, особенно для Новосибирской области, отчасти из-за того, что по этим заболеваниям существует много статистических данных. Люди с вирусом иммунодефицита нередко умирают именно из-за туберкулеза, поэтому создаются математические модели, решающие совмещенную задачу - они исследуют две болезни сразу.

Команда Ольги Криворотько и директора ИВМиМГ СО РАН члена-корреспондента РАН Сергея Игоревича Кабанихина сотрудничает с лабораторией доктора физико-математических наук Алексея Алексеевича Романюхи в Институте вычислительной математики РАН. С согласия Министерства здравоохранения РФ ученым передают статистические данные по развитию туберкулеза в России с 2008 года - на основе этой выборки математические модели составляют карту прогнозов на будущие годы. Правда, результаты сильно разнятся от региона к региону: для Новосибирской и Московской областей, например, нужно делать разные расчеты.

Исследователи также ведут совместные работы с Сибирским федеральным биомедицинским исследовательским центром имени ак. Е.Н. Мешалкина. Разработка программного комплекса на основе математических моделей позволит хирургу провести виртуальную операцию на оцифрованной модели сердца, заранее узнать, как распределится давление в сосудах при тех или иных действиях и к каким последствиям это приведет.

В создании таких алгоритмов заинтересованы не только российские коллеги: ученые также исследуют модели туберкулеза для Научного центра противоинфекционных препаратов в Алма-Ате и сотрудничают со специалистами из Венского технического университета. Предоставленные данные (измерения, анализы) не откалиброваны для использования в обратных задачах, поэтому ученые применяют современные методы биостатистики обработки данных, а также ведут совместные работы в области биоинформатики.

"Изначально я исследовала распространение волн цунами: как быстро по информации о набегающей волне определить источник и эффективно рассчитать возможность затопления. Но XXI век - это век биологии, и мне поступило предложение перенести подходы к решению обратных задач на математические модели иммунологии и эпидемиологии" - говорит Ольга Криворотько.

Сложность модели зависит от количества компонентов, которые учитываются: чтобы рассмотреть инфекционные заболевания, достаточно грубой версии, которая покажет антитела, антигены, плазматические клетки и массу пораженного органа, но при исследовании более сложных недугов (например, гепатита В) усложнится и модель. Эти алгоритмы строятся по законам сохранения баланса масс, но в них есть индивидуальные для каждого пациента коэффициенты.

"Меня как математика эта работа интересует с точки зрения обратной задачи: используя дополнительную информацию, я пытаюсь восстановить эти коэффициенты", - рассказывает Ольга Криворотько.

Работа состоит из нескольких этапов: сначала ученые исследуют прямую задачу, затем исследуют идентифицируемость модели (насколько она устойчива и имеет ли решения), после этого разрабатывают численный алгоритм решения обратной задачи и верифицируют его на реальных данных.

Уже сейчас разрабатывается компьютерная программа с базой данных математических моделей, которая направлена на составление оптимального плана лечения или принятия решения о, например, создании диспансера. Использование таких алгоритмов не исключает участие человека, а только помогает специалистам сориентироваться в спорной ситуации.

Наталья Бобренок

Похожие новости

  • 24/03/2021

    На Байкале, в Бурятии, ученые в середине марта запустили сейсмический вибратор

    Ученые из Москвы, Новосибирска, Иркутска и Улан-Удэ в середине марта провели на полигоне Института земной коры СО РАН на Байкале контролируемый сейсмический эксперимент. Как сообщает пресс-служба ИЗК СО РАН, в районе бурятского города Бабушкин в работу был запущен мощный 100-тонный сейсмический вибратор.
    472
  • 22/04/2020

    Загнать в формулу: почему COVID-19 ставит ученых в тупик

    ​Когда и чем закончится эпидемия коронавируса? Какие из многих вариантов борьбы с ним надо выбрать, чтобы выйти из кризиса с наименьшими потерями? Ответ на эти вопросы сегодня ждут прежде всего от математиков, которые строят прогнозы на основании компьютерных моделей.
    2026
  • 14/12/2020

    Онлайн-семинар ИВМиМГ СО РАН по численному моделированию природных процессов

    ​​15 декабря 2020 года в 16.00 онлайн состоится заседание семинара ИВМиМГ СО РАН "Численные методы прямого и обратного моделирования природных процессов", д.ф.-м.н. Иван Гаврилович Казанцев сделает доклад "Прямое и обратное моделирование в задачах эмиссионной томографии и трансмиссионной электронной микроскопии".
    1353
  • 08/02/2021

    Объявлены имена лауреатов премии президента РФ для молодых учёных

    Лауреатов премии президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год объявил помощник президента РФ Андрей Фурсенко на пресс-конференции в ТАСС.  Нанокристаллы и выявление подделок Так, одна из премий присуждена заведующему лабораторией Федерального научно-исследовательского центра "Кристаллография и фотоника" РАН Евгению Хайдукову за разработку передовых технологий на платформе антистоксовых нанокристаллов.
    678
  • 16/02/2021

    День российской науки — 2021

    Традиционно в честь Дня российской науки сибирские институты проводят просветительские мероприятия для студентов, школьников и всех, кто желает узнать чуть больше о большой науке. ​«Этот год был объявлен годом науки и технологий.
    6964
  • 11/08/2020

    Академгородок 2.0 – приобретения и потери: мнения экспертов

    Что удалось сделать для развития Новосибирского научного центра за последние годы и какие задачи остаются нерешенными? Три известных российских ученых инвентаризируют достижения и проблемы в статье, написанной для «Континента Сибирь»*.
    1984
  • 09/02/2021

    Наука для экономики. Чем живёт сфера открытий в Омске

    Омский научный центр создан в регионе чуть больше 30 лет назад. Появление центра стало промежуточным этапом развития омской академической науки. Разработки  омских учёных стартовали много раньше: сначала появились лаборатории и филиалы институтов Новосибирского академгородка.
    568
  • 13/01/2021

    Академику Анатолию Николаевичу Коновалову 85 лет

    ​Анатолий Николаевич Коновалов родился 13 января 1936 года в Ростове-на-Дону.В 1958 году окончил с отличием Уральский государственный университет им. А.М. Горького (г. Свердловск). Один год учился в очной аспирантуре, затем перевелся в заочную аспирантуру и поступил на работу во Всесоюзный НИИ технической физики (п/я 150, г.
    684
  • 08/09/2021

    Инновационная среда #6. Большие цифровые вызовы в современной науке

    ​Развитие многих наук в последние десятилетия зависит от суперкомпьютерного моделирования и расчетов. Это демонстрируют генетика, биотех, материаловедение, аэро-гидродинамика и другие направления. Заказчиками вычислений давно являются не только научные организации, но и компании, занимающиеся R&D.
    160
  • 17/04/2019

    «Академический час для школьников»: лекция «Математическое моделирование физических процессов»

     17 апреля в 15:00 в Малом зале Дома ученых СО РАН состоится лекция члена-корреспондента РАН Сергея Игоревича Кабанихина «Математическое моделирование физических процессов».  Сергей Игоревич Кабанихин, член-корреспондент РАН, профессор, советский и российский математик, специалист в области вычислительной математики, создания, исследования и применения численных методов решения обратных задач математической физики.
    1234