Mathematical Analysis of Receptor-Mediated Immune Cell Death in Innate Antiviral Immunity
Apoptosis is a series of complex biochemical processes of programmed cell death which occurs in multicellular organisms. This mechanism must be highly regulated and controlled; otherwise, harmful illness such as cancer and autoimmune diseases may occur. Apoptosis is a key mechanism during a typical viral immune response.In the course of an infection, this mechanism eliminates infected cells and by that,limits the resources for viral replication. Recently, regulation of the death recep-tor pathway by cFLIP, a key regulator of signaling complexes downstream of death receptors, was targeted experimentally to study the role of apoptosis in influenza A virus (IAV) infection. By increasing the expression level of cFLIP in transgenic mice, a higher accumulation of Natural Killer (NK) cells and a higher viral load in comparison to wild type(WT) mice were observed. However, the viral load was similar in both mice after 10 days. Infection and functional impairment of NK cells was assumed to be responsible for the observed results. In order to validate this hypothesis, a mathematical model was used to quantify the role of apoptosis medi-ated cell death in NK cells during the viral clearance. The model contains variables and parameters that represent population and interactions between healthy and in-fected epithelial cells, influenza A virions, healthy and infected NK cells. Several simplifications were made in order to better estimate the critical parameters of the model. Simulation results showed that infection of NK cells with a longer lifespan alone cannot explain the observed high viral load. However, by increasing the viral production of infected NK cells, the viral load data was fitted. The lack of caspase3, due to the over-expression of cFLIP, may contribute to higher viral production inNK cells. Furthermore, a shorter lifespan of healthy NK cells was predicted, which may be related to biological exhaustion due to higher infection level. The posteriors and the correlation analysis of the parameters showed that parameters associated with lifespan and the viral production of infected NK cells are linearly correlated.
Die Apoptose ist ein komplexer biochemischer Prozess des programmierten Zelltod,die in mehrzelligen Organismen auftritt. Dieser Mechanismus muss eng kontrolliert werden, sonst können schädliche Krankheiten auftreten, so wie z.B. Krebs und Autoimmunerkrankungen. Während einer typischen viralen Immunantwort, werden infizierte Zellen durch Apoptose eliminiert, so dass die Ressourcen für die Virus-replikation begrenzt werden. cFLIP ist ein Inhibitor der Todesrezeptor-gesteuerten Apoptose. Die Regulation des extrinsischen Signalwegs durch cFLIP wurde erforscht um die Rolle der Apoptose während Influenza A Infektionen zu untersuchen. Hierfür wurden transgene Mäuse, die cFLIP in allen hämatopowerten Zellen exprimieren,mit dem Influenza A-Virus infiziert. Diese transgenen Mäuse haben mehr natürliche Killerzellen (NK) und höhere Viruslast aufgewiesen. Die Viruslast nach 10 Tagen waren ähnlich bei transgenen und Wildtyp (WT) Mäusen. Tafrishi argumentierte, dass die infizierten NK-Zellen und ihre Funktionsstörung verantwortlich für die Ergebnissen sind. Hierin wurde ein mathematisches Modell verwendet, um diese Hypothese zu validieren und die Rolle der Apoptose in NK Zellen durch Influenza A-Infektionen zu quantifizieren. Die Modellvariablen und Parameter darstellen die Population und Wechselwirkungen beidem Influenza A-Virus, gesunden und infizierten Epithelzellen und gesunden und infizierten NK-Zellen. Die Simulationsergebnissen demonstrieren, dass infizierte NK-Zellen, die eine längere Lebensdauer haben, nicht der Grund für die erhöhte Viruslast sind. Stattdessen ist eine höhere Virusproduktion von der infizierten NK-Zellen notwendig, um die Viruslast Daten anzupassen.Deshalb kann das Fehlen von Caspase 3, aufgrund der Überexpression von cFLIP,zu einer höheren Virusproduktion in den NK-Zellen beitragen. Darüber hinaus hat die Datenanpassung eine kürzere Lebensdauer der gesunden NK-Zellen
vorhergesagt,aufgrund der biologischen Erschöpfung. Korrelationsanalysen der Parameter zeigten,dass die Lebensdauer und die Virusproduktion der infizierten NK-Zellen linear korreliert sind.
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