آیا ریاضیات می تواند به کشف راه های جدید برای مبارزه با بیماری آلزایمر کمک کند؟ یک محقق دانشگاه ایالتی می سی سی پی از مدل های ریاضی برای مطالعه اینکه چگونه فلزات معمولی بر تجمع پروتئین های مرتبط با بیماری آلزایمر تأثیر می گذارند و اینکه آیا درمان های بالقوه می تواند از این فرآیند جلوگیری کند استفاده می کند.
شانتیا یاراحمدیان، دانشیار دپارتمان ریاضی و آمار ایالت می سی سی پی، مطالعه می کند که چگونه فلزاتی مانند مس و روی می توانند بر رفتار آمیلوئید بتا تأثیر بگذارند، پروتئینی که می تواند به هم چسبیده و پلاک های مرتبط با بیماری آلزایمر را تشکیل دهد.
تحقیقات او، منتشر شده در بولتن زیست شناسی ریاضی، بر تلاش های مداوم او برای استفاده از ریاضیات برای درک بهتر فرآیندهای بیولوژیکی پیچیده درگیر در بیماری آلزایمر استوار است.
استفاده از ریاضیات برای درک بیماری آلزایمر
مدل‌سازی ریاضی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا تعاملات بیولوژیکی پیچیده را با نمایش آنها از طریق معادلات و شبیه‌سازی مطالعه کنند. سپس محققان می‌توانند چگونگی تأثیر عوامل مختلف بر فرآیند را آزمایش کنند و پیش‌بینی کنند که در صورت تغییر شرایط خاص چه اتفاقی می‌افتد.
یاراحمدیان، یکی از اعضای هیئت علمی دپارتمان ریاضی و آمار دانشگاه MSU می گوید: «هر پدیده بیولوژیکی در دنیای فیزیکی – در فضا و زمان – رخ می دهد و شامل تغییرات در شکل، کمیت و ماده است. ریاضیات به دلیل قدرت انتزاعی خود به ما امکان می دهد الگوها را کشف کنیم، فرضیه ها را آزمایش کنیم و پیش بینی هایی انجام دهیم که ممکن است تنها از طریق مشاهده امکان پذیر نباشد. ریاضیات جایگزین تحقیقات آزمایشگاهی یا بالینی نمی شود؛ بلکه با کمک به درک سیستم بزرگتر، شناسایی مؤثرترین مکانیسم ها و هدایت آزمایش های آینده، آن را تکمیل می کند.
این رویکرد ممکن است به ویژه برای بیماری آلزایمر ارزشمند باشد، که شامل فرآیندهای بیولوژیکی متقابل متعددی است که مطالعه جداگانه آنها دشوار است.
چگونه مس و روی می توانند بر پلاک های آلزایمر تأثیر بگذارند
یاراحمدیان برای مطالعه چگونگی ایجاد پلاک‌های مرتبط با آلزایمر، چارچوبی ریاضی ایجاد کرد که واکنش‌های شیمیایی را هنگام تعامل فلزاتی مانند مس و روی با آمیلوئید بتا شبیه‌سازی می‌کند.
پروتئین های آمیلوئید بتا می توانند در فرآیندی به نام تجمع به هم بچسبند. با گذشت زمان، این گروه ها می توانند به تشکیل پلاک ها، یکی از علائم بیماری آلزایمر کمک کنند.
این مدل بررسی می‌کند که چگونه یون‌های فلزی، که شکل‌های باردار الکتریکی فلزات هستند، می‌توانند بر تجمع پروتئین تأثیر بگذارند. همچنین به محققان اجازه می دهد تا دو رویکرد درمانی بالقوه را که برای تداخل با تجمع طراحی شده اند، کشف کنند.
به جای تکیه کامل بر آزمایش‌های آزمایشگاهی، دانشمندان می‌توانند از شبیه‌سازی‌ها برای بررسی اینکه چگونه تغییرات در این فعل و انفعالات ممکن است بر تشکیل پلاک تأثیر بگذارد و مسیرهای امیدوارکننده برای تحقیقات بیشتر را شناسایی کنند، استفاده کنند.
پیش بینی های ریاضی با نتایج آزمایشگاهی مطابقت دارند
یک مدل ریاضی زمانی بیشترین کاربرد را دارد که پیش‌بینی‌های آن منعکس کننده آنچه در آزمایش‌های واقعی اتفاق می‌افتد باشد. یاراحمدیان و همکارانش برای ارزیابی چارچوب خود، نتایج را با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی به‌دست‌آمده از میکروسکوپ نیروی اتمی مقایسه کردند.
این تکنیک تصویربرداری از یک کاوشگر بسیار ظریف برای بررسی ساختارها در مقیاس میکروسکوپی استفاده می کند که به محققان امکان می دهد گروه های کوچکی از پروتئین ها و مواد دیگر را مطالعه کنند.
مدل ریاضی با موفقیت الگوهای مشاهده شده در آزمایش ها را بازتولید می کند. این توافق نشان می‌دهد که این چارچوب جنبه‌های مهمی از نحوه تجمع پروتئین‌های آمیلوئید بتا در شرایط مورد مطالعه را در بر می‌گیرد.
نتایج شواهدی را ارائه می‌دهند که شبیه‌سازی‌های ریاضی می‌تواند به محققان کمک کند تا مکانیسم‌های پشت تجمع پروتئین را بررسی کنند و راه‌هایی را برای تأثیرگذاری بر فرآیند کشف کنند. اگرچه این یافته ها یک درمان موثر آلزایمر را ایجاد نمی کند، اما ابزار امیدوارکننده ای برای هدایت تحقیقات آزمایشگاهی آینده ارائه می دهد.
برای یاراحمدیان، انگیزه تحقیق فراتر از چالش ریاضی است. او امیدوار است که درک بهتر از زیست شناسی پیچیده این بیماری در نهایت به دانشمندان کمک کند تا استراتژی های موثرتری علیه آن ایجاد کنند.
او گفت: «آنچه مرا به تحقیقات آلزایمر کشاند، ترکیب تأثیر عمیق انسانی و پیچیدگی بیولوژیکی خارق‌العاده آن بود. هدف من استفاده از مدل‌سازی ریاضی برای شناسایی مکانیسم‌های مهم و ایجاد بینش‌هایی است که می‌تواند به هدایت تحقیقات تجربی و درمانی آینده کمک کند.»
