آیا ریاضیات می‌تواند به کشف راه‌های جدید برای مبارزه با بیماری آلزایمر کمک کند؟ یک محقق در دانشگاه ایالتی می سی سی پی از مدل‌های ریاضی برای بررسی چگونگی تأثیر فلزات رایج بر تجمع پروتئین‌های مرتبط با آلزایمر و اینکه آیا درمان‌های بالقوه می‌توانند در این فرآیند دخالت کنند یا خیر، استفاده می‌کند.
شانتیا یاره‌مادیان، استاد وابسته در بخش ریاضیات و آمار دانشگاه ایالتی می سی سی پی، در حال مطالعه این است که چگونه فلزاتی مانند مس و روی می‌توانند بر رفتار پروتئین آمیلوئید بتا تأثیر بگذارند، پروتئینی که می‌تواند به هم بچسبد و پلاک‌هایی را تشکیل دهد که با بیماری آلزایمر مرتبط هستند.
تحقیقات او که در مجله Bulletin of Mathematical Biology منتشر شده است، بر تلاش‌های مداوم او برای استفاده از ریاضیات به منظور درک بهتر فرآیندهای بیولوژیکی پیچیده دخیل در آلزایمر بنا شده است.
استفاده از ریاضیات برای درک بیماری آلزایمر
مدل‌سازی ریاضی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا با نشان دادن آنها از طریق معادلات و شبیه‌سازی‌ها، تعاملات بیولوژیکی پیچیده را بررسی کنند. محققان سپس می‌توانند آزمایش کنند که چگونه عوامل مختلف بر یک فرآیند تأثیر می‌گذارند و پیش‌بینی کنند که در صورت تغییر شرایط خاص چه اتفاقی می‌افتد.
یاره‌مادیان، عضو هیئت علمی بخش ریاضیات و آمار دانشگاه ایالتی می سی سی پی، گفت: «هر پدیده بیولوژیکی در دنیای فیزیکی - در فضا و زمان - رخ می‌دهد و شامل تغییر در شکل، کمیت و ماده است. به دلیل قدرت انتزاعی خود، ریاضیات به ما امکان می‌دهد الگوها را کشف کنیم، فرضیه‌ها را آزمایش کنیم و پیش‌بینی‌هایی انجام دهیم که ممکن است فقط از طریق مشاهده امکان‌پذیر نباشد. ریاضیات جایگزین تحقیقات آزمایشگاهی یا بالینی نمی‌شود. بلکه با کمک به ما در درک سیستم بزرگتر، شناسایی مؤثرترین مکانیسم‌ها و هدایت آزمایش‌های آینده، آن را تکمیل می‌کند.»
این رویکرد می‌تواند به ویژه برای بیماری آلزایمر که شامل فرآیندهای بیولوژیکی متعددی است که مطالعه آنها به صورت جداگانه دشوار است، ارزشمند باشد.
چگونگی تأثیر مس و روی بر پلاک‌های آلزایمر
برای بررسی چگونگی ایجاد پلاک‌های مرتبط با آلزایمر، یاره‌مادیان یک چارچوب ریاضی ایجاد کرد که واکنش‌های شیمیایی درگیر در هنگام تعامل فلزاتی مانند مس و روی با آمیلوئید بتا را شبیه‌سازی می‌کند.
پروتئین‌های آمیلوئید بتا می‌توانند در فرآیندی به نام تجمع به هم بچسبند. در طول زمان، این خوشه‌ها می‌توانند به تشکیل پلاک‌ها، یکی از ویژگی‌های مشخصه بیماری آلزایمر، کمک کنند.
این مدل بررسی می‌کند که چگونه یون‌های فلزی، که اشکال باردار فلزات هستند، ممکن است بر این تجمع پروتئین تأثیر بگذارند. همچنین به محققان اجازه می‌دهد تا دو رویکرد درمانی بالقوه را که برای اختلال در تجمع طراحی شده‌اند، بررسی کنند.
به جای تکیه صرف به آزمایش‌های آزمایشگاهی، دانشمندان می‌توانند از شبیه‌سازی‌ها برای بررسی چگونگی تغییرات در این تعاملات ممکن است بر تشکیل پلاک تأثیر بگذارد و جهت‌های امیدوارکننده برای تحقیقات بیشتر را شناسایی کنند.
پیش‌بینی‌های ریاضی با نتایج آزمایشگاهی مطابقت دارد
یک مدل ریاضی زمانی مفیدتر است که پیش‌بینی‌های آن منعکس کننده آنچه در آزمایش‌های واقعی اتفاق می‌افتد باشد. برای ارزیابی چارچوب خود، یاره‌مادیان و همکارانش نتایج آن را با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی به دست آمده از طریق میکروسکوپ نیروی اتمی مقایسه کردند.
این تکنیک تصویربرداری از یک پروب بسیار ظریف برای بررسی ساختارها در مقیاس میکروسکوپی استفاده می‌کند و به محققان اجازه می‌دهد خوشه‌های کوچک پروتئین‌ها و سایر مواد را مطالعه کنند.
مدل ریاضی با موفقیت الگوهای مشاهده شده در آزمایش‌ها را بازتولید کرد. این توافق نشان می‌دهد که این چارچوب جنبه‌های مهمی از چگونگی تجمع پروتئین‌های آمیلوئید بتا در شرایط مورد مطالعه را در بر می‌گیرد.
نتایج شواهدی را ارائه می‌دهند که شبیه‌سازی‌های ریاضی می‌توانند به محققان در بررسی مکانیسم‌های پشت تجمع پروتئین و بررسی راه‌های تأثیرگذاری بر این فرآیند کمک کنند. اگرچه این یافته‌ها درمانی مؤثری برای آلزایمر ایجاد نمی‌کنند، اما ابزاری امیدوارکننده برای هدایت مطالعات آزمایشگاهی آینده ارائه می‌دهند.
برای یاره‌مادیان، انگیزه پشت این تحقیق فراتر از چالش ریاضی است. او امیدوار است که درک بهتر از زیست‌شناسی پیچیده این بیماری در نهایت به دانشمندان کمک کند تا استراتژی‌های مؤثرتری برای مقابله با آن ایجاد کنند.
او گفت: «آنچه مرا به سمت تحقیقات آلزایمر کشاند، ترکیبی از تأثیر عمیق انسانی آن و پیچیدگی بیولوژیکی فوق‌العاده آن است. هدف من استفاده از مدل‌سازی ریاضی برای شناسایی مکانیسم‌های مهم و ایجاد بینش‌هایی است که ممکن است به هدایت تحقیقات تجربی و درمانی آینده کمک کند.»
منبع: دانشگاه ایالتی می سی سی پی