VISI: Simulador Extensible de la Infección por VIH

Transcripción

1 Facultad de Matemática, Astronomía y Física Trabajo especial de la Licenciatura en Ciencias de la Computación VISI: Simulador Extensible de la Infección por VIH Autores: Leandro Ezequiel Ramos Pablo Miguel Oliva Directores: Pedro Pury Daniel Gutson 2 de julio de 2012

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3 Agradecimientos 2

4 Índice general I Preliminares 6 1. Introducción Brevemente Motivación Estructura del Documento Preliminares Biociencias Bioinformática El Problema Propuesta II Aspecto Biológico del Problema Virología VIH Clasificación Taxonómica Variantes Historia Ciclo Vital Transmisión Fases de la Infección Fase aguda Fase crónica Síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) Antirretrovirales Inhibidores de RetroTranscriptasa (RTI) Inhibidores de Proteasa (PI) Otros Terapia combinada Fallo Virológico

5 III Modelos Matemáticos Análisis de la Bibliografía Perelson Perelson y Nelson Kirschner y Webb Modelo de Perelson Ecuaciones Consideraciones Análisis Matemático del Modelo Modelo de Kirschner y Webb Ecuaciones Consideraciones Análisis Matemático del Modelo Modelo de Síntesis Ecuaciones Consideraciones Análisis Matemático del Modelo IV Implementación del Software Proceso de desarrollo Modelo de desarrollo Herramientas Requerimientos Requerimientos Funcionales Introducción al Diseño Análisis y Diseño Orientado a Objetos Análisis Orientado a Objetos Diseño Orientado a Objetos Patrones de Diseño Principios de Diseño SOLID Diseño del Sistema Decisiones de Diseño Interacción con Plugins Diseño Arquitectónico Fundamento

6 Catálogo de Componentes Comportamiento Dinámico Diseño de Nivel Medio Paquetes Diagrama de Clases Diagrama de Secuencia V Conclusiones Conclusiones Experimentos Resultados Trabajo futuro Bibliografía 33 A. Acrónimos 35 B. Funciones Destacadas 36 C. Métricas 37 D. Documento de Especificación de Requerimientos 38 E. Documento de Análisis 39 5

7 Parte I Preliminares 6

8 Capítulo 1 Introducción 1.1. Brevemente El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un software capaz de simular la evolución temporal de la infección por VIH en un paciente. Nuestro trabajo dentro de este proyecto consistió en el desarrollo del núcleo de la simulación, quedando el desarrollo de los plugins a cargo de otro equipo Motivación En la terapia del VIH, una de las principales herramientas es la administración de drogas antirretrovirales, que afectan diversos aspectos del funcionamiento del virus. La disponibilidad de numerosas drogas antirretrovirales con diferentes sinergismos entre ellas (ciertas drogas inhiben la acción de otras, mientras que ciertas combinaciones actúan en forma complementaria), junto al fenómeno de la aparición de cepas del virus resistentes a dichas drogas, hace que sea deseable poder simular los efectos de diferentes tratamientos. Con este objetivo, se propuso el desarrollo de una herramienta, llamada ViSi (por Vi rus Si mulator), para realizar dichas simulaciones, dividida en dos grandes partes: un núcleo de simulación que realice los cálculos numéricos y plugins que, a partir del escenario que se desea modelar, definan las constantes numéricas adecuadas. Nuestra tarea fue el desarrollo del núcleo. Las simulaciones realizadas se basan en dos modelos: uno desarrollado por Perelson y otros [8], y otro basado en ideas de Kirschner y Webb [7] y Perelson y Nelson [9] Estructura del Documento En esta sección, además de la presentación vista arriba, presentaremos algunos datos relevantes para comprender el problema sobre el que trabajamos. 7

9 En la siguiente sección (Aspecto Biológico del Problema) se da una breve introducción a los conceptos de virología a utilizar, se analiza el VIH en sus características relevantes para este simulador y se muestran los distintos tipos de antirretrovirales. En la tercera sección (Modelos Matemáticos) se presentan distintos intentos de modelizar la infección por VIH. Analizaremos las ideas más significativas presentadas por cada modelo. En la cuarta sección (Desarrollo del Software) mostraremos los pasos que condujeron a la obtención de la herramienta implementada. Para esto, primero explicaremos el proceso de desarrollo utilizado, luego mostraremos la especificación del software que desarrollamos, una breve introducción sobre técnicas de diseño, y el diseño de este sistema. Finalmente, mostramos las conclusiones obtenidas del desarrollo y el uso de esta herramienta. Como apéndices, incluimos documentación relevante sobre nuestro programa, una lista de algunos de los acrónimos más utilizados, el código de algunas de las funciones más importantes y algunas métricas de nuestro código. 8

10 Capítulo 2 Preliminares 2.1. Biociencias Por su variedad de intereses y enfoques, las ciencias biológicas tienen una fuerte interacción con otras disciplinas. Esto lleva al surgimiento de numerosas disciplinas, como por ejemplo: Biogeografía: estudio de la distribución geográfica de los organismos y ecosistemas. Bioingeniería: la aplicación de métodos y conocimientos ingenieriles a las ciencias biológicas. Bioquímica: el estudio de los procesos químicos que se dan en organismos vivos. Biofísica: aplica las ciencias físicas al estudio de los procesos biológicos. Biomatemática: modelado de procesos biológicos utilizando la matemática. Bioinformática: la aplicación de las ciencias de la computación para resolver problemas biológicos Bioinformática La bioinformática es una disciplina que aplica los conocimientos de las ciencias de la computación para interpretar y generar datos biológicos. Inicialmente, el análisis de grandes muestreos de datos producidos por la investigación biológica llevó al desarrollo de lo que se dio en llamar biología computacional. Con el tiempo, se fueron sumando otras aplicaciones de la computación para ayudar al avance de diferentes investigaciones biológicas. En particular, la bioinformática ha sido muy importante para el desarrollo de la genética, la biología evolutiva, predicción de folding de proteínas, modelado de sistemas biológicos y análisis de imágenes. 9

11 2.2. El Problema En la infección por VIH, una de las consecuencias es el agotamiento de la población de linfocitos T CD4. Debido a su rol clave en el funcionamiento del sistema inmune, este efecto es uno de los más perniciosos de la infección. Por ello, el conteo de linfocitos T CD4 ha sido usado como indicador de la progresión de la infección [10]. En la actualidad, la terapia del VIH se basa principalmente en la administración de drogas antirretrovirales, que se describirá posteriormente. Las modalidades de este tratamiento plantean múltiples interrogantes, tales como: Qué combinaciones de drogas tienen un mejor rendimiento? Cuál es el dosaje óptimo de las drogas utilizadas? Qué efectos tiene la adherencia al tratamiento por parte del paciente? A partir de qué punto de la infección conviene administrar las drogas? Es mejor administrar drogas permanentemente, o conviene tener períodos de descanso? Además, el principal problema de las terapias antirretrovirales es la aparición de cepas resistentes a los medicamentos utilizados. Distintos investigadores han propuesto diversos modelos para representar la evolución de la infección por VIH; algunos de estos modelos son analizados en la sección Modelos Matemáticos Propuesta 10

12 Parte II Aspecto Biológico del Problema 11

13 Capítulo 3 Virología 12

14 Capítulo 4 VIH El VIH (Virus de la Inmunodeficiencia Humana) es un retrovirus; esto quiere decir que en un virión (partícula vírica infecciosa) su material genético es ARN; sin embargo, cuando infecta una célula, una enzima que está incluida en el virión (retrotranscriptasa, o RT) retrotranscribe el ARN en ADN, luego se genera mediante la misma enzima un ADN bicatenario, que migra al núcleo y es incorporado en el ADN de la célula huésped Clasificación Taxonómica Forma parte del género Lentivirus, un género dentro de la familia Retroviridae, que está contenida dentro del grupo de los virus ARN monocatenarios retrotranscritos. Los virus de este género poseen propiedades morfológicas y biológicas comunes, tales como un alto grado de mutación, persistencia durante el resto de la vida del huésped y tener al menos tres etapas de infección: aguda, latente y tardía Variantes Hasta la fecha, se han identificado dos variantes principales del VIH, llamadas VIH-1 y VIH-2. VIH-1 es la responsable de la pandemia, difundida por todo el mundo, y de infección más aguda. VIH-2 sólo se ha observado en África y su infección parece ser más lenta que la de VIH-1. Los modelos con los que tratamos apuntan a simular la infección por VIH-1, por ser ésta la más común Historia Fue descubierto por Montagnier y otros en 1983 [2]. En la actualidad, la teoría más difundida sostiene que la cepa más difundida de HIV (HIV-1) proviene de una zoonosis (transferencia de un patógeno desde alguna especie 13

15 animal a seres humanos) con el SIV (Simian Immunodeficiency Virus, virus de la inmunodeficiencia en simios), virus presente en numerosas poblaciones de primates de África Occidental (ver por ejemplo [4]). Para justificar dicha afirmación, se suele citar las similitudes taxonómicas, estructurales y de transmisión con el HIV. Si bien la infección con SIV no es patogénica para la mayoría de las poblaciones de primates a los que infecta, puede inducir el desarrollo de un síndrome de inmunodeficiencia similar al SIDA Ciclo Vital 1. Absorción : el receptor celular CD4 es reconocido por un antirreceptor en la proteína de la envoltura viral gp120. Una segunda molécula celular conocida como correceptor también es reconocida. 2. Fusión: la envoltura viral y la membrana plasmática de la célula se fusionan permitiendo la penetración de la cápside viral que contiene el ARN y las enzimas necesarias para la replicación. 3. Transcripción Reversa: utilizando como molde el ARN viral se genera una doble cadena de ADN que posteriormente migra hacia el núcleo de la célula infectada. Este proceso requiere la enzima transcriptasa inversa. 4. Integración: el ADN vírico se integra al ADN celular. Este proceso requiere la enzima integrasa. 5. Transcripción: a partir de este momento, cuando la célula genere ARN a partir de su ADN, generará también ARN viral. Éste no sólo es el ARN del virus, sino también ARNm (mensajero), necesario para sintetizar las proteínas y enzimas que el virus requiere. 6. Ensamblaje: Las proteínas de gag y pol se asocian con el RNA viral formando un núcleo intracelular, mientras que las proteínas de env se insertan en la membrana plasmática de la célula. 7. Brotación: la cápside viral adquiere una envoltura arrastrando parte de la membrana plasmática en la cual se han incluido glicoproteínas de origen viral. Durante esta etapa el virus adquiere la doble capa lipídica de su envoltura. 8. Maduración: se produce la maduración final del nuevo virus que se vuelve plenamente infectivo. A partir de este punto el nuevo virus está preparado para atacar otras células CD4. Este proceso requiere la enzima proteasa. 14

16 4.4. Transmisión El VIH no tiene transmisión por contacto casual, y requiere intercambio de fluidos con alta concentración viral. Hay tres grandes vías de transmisión: 1. Sexual: contacto con secreciones infectadas de otra persona. 2. Parenteral: transfusiones de sangre infectada o uso compartido de jeringas, ya sea para consumo de drogas o por medidas inadecuadas de profilaxis en un tratamiento médico. 3. Vertical: infección de madre a hijo que se puede producir en las ultimas semanas de embarazo, en el parto o en la lactancia Fases de la Infección La infección por HIV se presenta en diversas etapas, identificadas por un conjunto de síntomas e indicadores clínicos. En ausencia de un tratamiento adecuado, el virus se replica constantemente e infecta los linfocitos T CD4+, que constituyen una parte esencial del sistema inmunológico en los seres humanos. Por su parte, el sistema inmunológico del portador del HIV reacciona ante la presencia del virus y genera una respuesta que puede mantener la infección bajo control al menos por un tiempo, mediante la reposición de células defensivas. Al término de un período que se puede prolongar por varios años, el HIV se vuelve resistente a las defensas naturales del cuerpo y debilita fuertemente el sistema inmune del portador. De esta manera, la persona infectada queda expuesta a diversas enfermedades oportunistas, que ocasionan eventualmente su muerte. En la figura 4.1 se puede observar el recuento de Linfocitos T CD4+ y Viriones sueltos en sangre a lo largo del proceso de infección en el tiempo Fase aguda La fase de la infección aguda por HIV inicia en el momento del contagio. El virus se propaga por el cuerpo de la persona contagiada a través de sus fluidos corporales. En una persona con buena salud, el número de linfocitos T CD4+ oscila entre 1200 y 1500/µl. Durante la fase asintomática de la infección, la proporción de linfocitos infectados oscila entre 1/1000 y 1/100000, que aumentará progresivamente hasta llegar a 1/100 en la infección crónica. Las pruebas de carga viral, que contabilizan el número de copias del RNA del virus en la sangre, arrojarán como resultado una elevada cantidad de copias del HIV durante la fase aguda de la infección. 15

17 Figura 4.1: Diagrama sobre la historia natural de la infección por HIV Fase crónica También denominada latencia clínica dado que el portador no presenta síntomas que puedan asociarse con la infección. Los pacientes son asintomáticos gracias a que el sistema inmune tiene una gran capacidad para regenerar las células destruidas por el virus, pero pueden presentar adenopatías y la disminución del conteo de plaquetas en la sangre. La reacción ante la presencia del virus termina por desgastar al sistema inmunológico. En ausencia de tratamiento, la mayoría de los portadores del virus desarrollan el síndrome de inmunodeficiencia adquirida en un plazo de 5 a 10 años. La causa de esto es que, mientras el virus sigue reproduciéndose de manera constante, aumentando la carga viral en su anfitrión, disminuye la capacidad de recuperación del sistema inmune Síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) El SIDA constituye la etapa crítica de la infección por HIV. En esta fase de la infección, el portador del HIV posee un sistema inmunológico que probablemente sea incapaz de reponer los linfocitos T CD4+ que pierde por la infección con el HIV y también ha visto reducida su capacidad citotóxica hacia el virus. Este fenómeno coincide con el aumento en las tasas de replicación del virus, que merma la capacidad de reacción del anfitrión ante otros agentes causantes de enfermedades. De esta manera, el portador del virus es presa potencial de numerosas infecciones oportunistas que le pue- 16

18 den conducir a la muerte. La mayoría de los pacientes que han desarrollado SIDA no sobreviven más de 3 años sin recibir tratamiento antirretroviral. 17

19 Capítulo 5 Antirretrovirales Los fármacos antirretrovirales son medicamentos para el tratamiento de la infección por retrovirus. Diferentes antirretrovirales actúan en distintas etapas del ciclo de replicación del HIV: 5.1. Inhibidores de RetroTranscriptasa (RTI) Cuando el virus HIV infecta a la célula, la enzima retrotranscriptasa contenida en el virión genera ADN a partir del ARN viral. Este ADN copiado es luego integrado dentro del ADN de la célula infectada con la ayuda de la enzima integrasa. Luego el ADN viral, llamado provirus, es duplicado cada vez que la célula se divide. Si la enzima retrotranscriptasa es inhibida, el HIV puede entrar a la célula pero no puede infectarla exitosamente, ya que la copia de ADN del genoma viral no se realizará y la célula no hará proteínas virales de las partículas del virus. El ARN viral que entró a la célula no es estable y tenderá a degradarse. Existen tres clases: 1. Inhibidores análogos nucleósidos (NRTI), 2. Inhibidores de transcriptasa no nucleósidos (NNRTI) 3. Inhibidores de transcriptasa análogos de nucleótido Inhibidores de Proteasa (PI) Muchas proteínas virales, incluyendo las enzimas retrotranscriptasa, proteasa e integrasa, están hechas como una larga poliproteína, que luego debe ser dividida por la proteasa en proteínas simples. Si la proteasa es inhibida, la partición de las poliproteinas no ocurrirá, y las partículas virales que se generen carecerán de la retrotranscriptasa, 18

20 proteasa e integrasa. El efecto de bloquear la proteasa del HIV es que se generen viriones defectuosos o no-infecciosos Otros Existen otros tipos de antirretrovirales, que no serán contemplados en este proyecto. Algunos de ellos son: Inhibidores de Fusión: interfieren con el proceso de vinculación, fusión y entrada del virión con la célula. Un ejemplo de estos son los antagonistas del receptor CCR5. Inhibidores de Maduración: actualmente en etapa experimental, el objetivo de estas drogas es inhibir el procesamiento de la proteína gag en la parte final de la maduración de los viriones, generando viriones inmaduros. Un ejemplo de esta propuesta se puede ver en [3]. Inhibidores de Integrasa: inhiben la acción de la integrasa, la enzima que inserta el genoma viral en el ADN de la célula Terapia combinada Debido a la gran variabilidad genética del VIH, las terapias basadas en el uso de una única droga rápidamente dejan de ser efectivas [5]. Una vez surgida una cepa resistente a la droga en uso, se convierte en la cepa dominante en poco tiempo. Para evitar este efecto, se utilizan combinaciones de drogas antirretrovirales. La idea en que se basa esta estrategia es que es menos probable que surja una mutación que sea simultáneamente resistente a la acción de varias drogas. Las combinaciones de antirretrovirales pueden ser de sinergismo positivo o negativo. Esto limita el número de combinaciones disponibles. Por ejemplo, la combinación de ddi y AZT es de sinergismo negativo, ya que tomados juntos, cada fármaco inhibe la acción del otro. Usualmente, las combinaciones se componen de un inhibidor de transcriptasa no nucleósido, o bien un inhibidor de proteasa, y dos inhibidores análogos nucleósidos. Otros factores que limitan las combinaciones son la aparición de efectos colaterales severos y la necesidad de un horario de administración complicado, que dificulta la adherencia apropiada al tratamiento [1]. Para favorecer la adherencia, se han comenzado a ofrecer medicamentos que contienen múltiples drogas. 19

21 5.5. Fallo Virológico Incluso usando terapias combinadas como las arriba descritas, eventualmente surgen mutaciones resistentes al tratamiento. Estas mutaciones se convierten en las poblaciones dominantes del virus en el organismo. Este fenómeno es denominado fallo virológico. El fallo virológico predispone al fallo inmunológico y eventualmente a la progresión a la inmunodeficiencia. Usualmente, la respuesta al fallo virológico es cambiar las drogas usadas por otras para las que todavía no se haya desarrollado resistencia, hasta que ya no hay drogas disponibles. Llegado este punto, no hay otras herramientas para evitar la progresión a la inmunodeficiencia. 20

22 Parte III Modelos Matemáticos 21

23 Capítulo 6 Análisis de la Bibliografía En este capítulo, nuestro objetivo es citar los papers que tuvieron influencia en el desarrollo de nuestro software, mostrando cuáles son las ideas más relevantes presentadas por cada uno Perelson 6.2. Perelson y Nelson 6.3. Kirschner y Webb 22

24 Capítulo 7 Modelo de Perelson Este modelo fue propuesto por Alan Perelson, Denise Kirschner y Rob De Boer en [8] Ecuaciones 7.2. Consideraciones 7.3. Análisis Matemático del Modelo 23

25 Capítulo 8 Modelo de Kirschner y Webb Este modelo fue propuesto por Denise Kirschner y Daniel Webb en [6] Ecuaciones 8.2. Consideraciones 8.3. Análisis Matemático del Modelo 24

26 Capítulo 9 Modelo de Síntesis A partir de los trabajos vistos en los capítulos anteriores, se desarrolló un modelo que sintetiza varias de las ideas de los distintos modelos, y que está orientado a la simulación de los efectos de diversos antirretrovirales Ecuaciones 9.2. Consideraciones 9.3. Análisis Matemático del Modelo 25

27 Parte IV Implementación del Software 26

28 Capítulo 10 Proceso de desarrollo Modelo de desarrollo Herramientas 27

29 Capítulo 11 Requerimientos Requerimientos Funcionales 28

30 Capítulo 12 Introducción al Diseño Análisis y Diseño Orientado a Objetos Análisis Orientado a Objetos Diseño Orientado a Objetos Patrones de Diseño Principios de Diseño SOLID 29

31 Capítulo 13 Diseño del Sistema Decisiones de Diseño Interacción con Plugins Diseño Arquitectónico Fundamento Catálogo de Componentes Comportamiento Dinámico Diseño de Nivel Medio Paquetes Diagrama de Clases Diagrama de Secuencia 30

32 Parte V Conclusiones 31

33 Capítulo 14 Conclusiones Experimentos Resultados Trabajo futuro 32

34 Bibliografía [1] Ezequiel S. Velez Andres Peralta Godoy. Generación de recomendaciones para terapias antivirales del vih. Master s thesis, FaMAF - UNC, Córdoba, Argentina., In collaboration with FuDePAN. [2] F. Barré-Sinoussi, J. C. Chermann, F. Rey, M. T. Nugeyre, S. Chamaret, J. Gruest, C. Dauguet, C. Axler-Blin, F. Vézinet-Brun, C. Rouzioux, W. Rozenbaum, and L. Montagnier. Isolation of a t-lymphotropic retrovirus from a patient at risk for acquired immune deficiency syndrome (aids). Science, New Series, 220(4599): , [3] Karl Salzwedel Catherine S. Adamson and Eric O. Freed. Virus maturation as a novel hiv-1 therapeutic target. Expert Opinion on Therapeutic Targets, 13(8): , [4] David L. Robertson Yalu Chen Cynthia M. Rodenburg Scott F. Michael Larry B. Cumminsk Larry O. Arthur Martine Peeters George M. Shaw Paul M. Sharp Beatrice H. Hahn Feng Gao, Elizabeth Bailes. Origin of hiv-1 in the chimpanzee pan troglodytes troglodytes. Nature, 397(6718): , [5] Philippe Hermans Christophe Van Vaeck Susi Sprecher Barbara Van Remoortel Myriam Witvrouw Jan Balzarini Jan Desmyter Erik De Clercq Jean-Claude Schmit, Jacqueline Cogniaux and Anne-Mieke Vandamme. Multiple drug resistance to nucleoside analogues and nonnucleoside reverse transcriptase inhibitors in an efficiently replicating human immunodeficiency virus type 1 patient strain. Journal of Infectious Diseases, 174(5): , [6] Denise E. Kirschner and F. G. Webb. A model for treatment strategy in the chemotherapy of AIDS. Bull. Math. Biol., 58(2): , Errata: [7] Denise E. Kirschner and F. G. Webb. Understanding drug resistance for montherapy treatment of HIV infection. Bull. Math. Biol., 59(4): ,

35 [8] Alan S. Perelson, Denise E. Kirschner, and Rob De Boer. Dynamics of HIV infection of cd4 + T cells. Math. Biosci., 114(1):81 125, [9] Alan S. Perelson and Patrick W. Nelson. Mathematical analysis of HIV-1 dynamics in vivo. SIAM Rev., 41:3 44, [10] Tramont EC Redfield RR, Wright DC. The walter reed staging classification for htlv-iii/lav infection. New England Journal of Medicine, 314(2): ,

36 Apéndice A Acrónimos 35

37 Apéndice B Funciones Destacadas 36

38 Apéndice C Métricas 37

39 Apéndice D Documento de Especificación de Requerimientos 38

40 Apéndice E Documento de Análisis 39