Kohti koronaviruksen tautimallia
Yaneer Bar-Yamin essee
Koronavirus ei ole kuin muut virukset ja keuhko- ja hengitystieinfektiot.
Tarina etenee neljässä tapahtumapaikassa: (1) ilmassa, (2) henkilön keuhkoissa, (3) nenän ja kurkun limakalvoilla ja (4) kehon vetisessä kudosten ja elinten matriisissa.
Koronavirus leijuu ilmassa, kiinnittyy pieniin määriin nestettä ja muita aineita ja laskeutuu pinnoille.
Kun koronavirusta sisältävää ilmaa päätyy henkilön keuhkoihin, se virtaa ilman mukana henkilön hengittäessä sisään ja ulos. Ehkä se pomppailee pitkien haarautuvien keuhkoputkien seinämissä, kunnes se lopulta tarttuu reseptoriin. Lopulta virushiukkanen saattaa tarttua ACE2-reseptoriin, joka muistuttaa luukkua solupinnassa. Niitä on muun muassa kehukojen pinnassa. Tartuttuaan se tekee mitä virukset tekevät; se tunkeutuu solun sisään ja monistuu solukoneistoa hyödyntämällä. Solu räjähtää jättäen reiän keuhkoseinämään ja lukuisia virushiukkasia purskahtaa läheisyydessä olevaan ilmaan.
SARS-CoV-2 eroaa viruksesta, joka tunkeutuu kehoon, elää kudoksissa ja siirtyy verenkierron välityksellä. Koronavirus voi lopulta tunkeutua vereen ja kehoon. Tämä tapahtuu kuitenkin vasta 7–14 päivän kuluttua oireiden ilmaantumisen jälkeen [1]. Tähän meidän on lisättävä itämisaika, joka kestää yleensä 3–5 päivää ja enintään 14 päivää tai pidempään. Jos kyseessä on tämän kokoinen kokonaisuus ja asiat etenevät näin nopeasti, niin tämä on uskomattoman pitkä aika.
Uusi koronavirus leijailee keuhkoputkiston ilmassa, kunnes se joko poistuu keuhkoista uloshengityksen kautta tai löytää uuden ACE2-reseptorin. Keuhkoputkiston ilmavirtojen kautta on vaikea edetä yhdestä keuhkojen osiosta toiseen. Koronaviruksen on päästävä keuhkoputkien haarautumispisteisiin ja takaisin uudelle alueelle uuden ACE2-reseptorin löytämiseksi. Ajan myötä infektiokohtia on useita. Geometrialla on merkitystä.
Viimeinen tapahtumapaikka ovat nenän ja kurkun ontelokalvot. Täällä on paljon yleisempiä ACE-2-reseptoreita [2]. Immuunisolut elävät limassa, jota on myös onteloissa. Tässä immuunisolut toimivat vartijoina, jotka “tervehtivät” viruksia, bakteereita ja muita mikro-organismeja. Ne pyrkivät estämään niitä pääsemästä keuhkoihin. Keho pystyy tehokkaasti taistelemaan näillä seuduilla virusta vastaan, ja syntyvät vauriot ovat vähäiset.
Keuhkoissa oleva ilma on immuunijärjestelmän sokea piste. Immuunisolut eivät elä ilmassa. Ne elävät kehon solujen ja veren vetisessä matriisissa. Vaikka ne huomaavat ACE-reseptoreihin kiinnittyneen koronaviruksen, ne eivät välttämättä pysty hyökkäämään sitä vastaan, ellei keuhkoseinämä ole pahasti vaurioitunut. Rikkoutuminen, joka johtuu joko immuunijärjestelmän vaikutuksista tai viruksen aiheuttamista vaurioista, johtavat kehon erinäisten nesteiden (ns. “veden”) virtaamiseen keuhkojen sisään. Tarpeeksi suuri määrä nestettä johtaa siihen, että keuhkot eivät kykene vaihtamaan happea ja hiilidioksidia. Tämä johtaa vakaviin koronavirustautitapauksiin.
Taistelu immuunijärjestelmän ja viruksen välillä käydään keuhkojen nesteessä. Keuhkojen pinnan vaurioiduttua koronavirus tunkeutuu veren kautta muiden kudoksien ja elimien ACE2-reseptoreihin.
Tämä peruskuva on hyvin tiedossa. Viimeaikaiset todisteet tarjoavat tälle lisää tukea. Jopa niillä yksilöillä, joiden immuunijärjestelmä kykenee vastaamaan koronavirusta vastaan, voivat olla COVID-19 positiivisia kauan aikaa [3]. Lisäksi joissakin tapauksissa yhden ihmisen koronavirushiukkasten RNA-juosteet voivat olla erilaisia. Tämä on yhdenmukaista sen kanssa, että virushiukkaset ovat erillään toisistaan eri puolilla keuhkoissa olevassa ilmassa ja kehon sisäisen immuunijärjestelmän ulottumattomissa.
Mikä ratkaisee taistelun lopputuloksen? Miten meidän tulisi matemaattisesti mallintaa ja empiirisesti tarkastella tautia, jotta voisimme ymmärtää sitä paremmin?
Taistelussa on kaksi vaihetta. Ensimmäinen vaihe ulottuu siihen asti, kunnes keuhkoseinämä on murrettu. Tässä vaiheessa tärkeitä ovat sekä fyysiset että biologiset prosessit. Fyysinen prosessi on virushiukkasten siirtyminen keuhkoista ilmaan, nenään ja takaisin.
Immuunijärjestelmä oppii tunnistamaan viruksen ja kukistaa sen nenässä. Mutta osa prosessissa on se, suodatetaanko ne nenässä vai päätyvätkö ne edestakaisin keuhkoihin. Vaikuttaa siltä, että tapa, jolla henkilö hengittää sisään ja ulos (erityisesti nenän kautta), on merkityksellinen. Tämä on “relevantti muuttuja” kuvailtaessa taudin dynamiikkaa yhdessä immuunivasteen tehokkuuden kanssa. Erilaisten sisään- ja uloshengitystekniikoiden tarkastelu voisi tarjoa empiiristä tietoa taudista ja sen etenemisestä.
Toinen keskeinen prosessi on ilmavirta keuhkoihin ja ulos keuhkoista. Onko uloslähtevä ilmavirta täynnä juuri syntynyttä koronavirusta? Pääseekö se kulkeutumaan uusille alueille keuhkoissa? Tämä on dynaaminen prosessi, jota voimme pyrkiä ymmärtämään keuhkojen ilmavirran simulaatioin ja tutkimuksin.
Taistelun toisessa vaiheessa eli silloin, kun keuhkoseinämä on rikkoutunut, viruksen ja immuunijärjestelmän välinen taistelu on sellaista, jonka toivoisimme välttävämme. Sen käynnistyttyä on kuitenkin tärkeää ymmärtää, mikä vaikuttaa taistelun nopeuteen ja mitä sivuvaikutuksia sillä on keuhkojen perustehtävään eli vaihtaa sisään virtaavaa happea hiilidioksidiin. Tässäkin geometria on edelleen avainasemassa: taistelun kokonaispinta-ala, virushiukkasten määrä, miten ne monistuvat tässä yhteydessä ja muualla kehossa. Ja meidän pitää selvittää, miten keuhkoja voidaan vahvistaa ja korjata taistelun edetessä.
Viitteet
[1] Wölfel, R., Corman, V.M., Guggemos, W. ym., Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature (2020).
[2] Huang, S. COVID-19: Why we should all wear masks? There is new scientific rationale. Medium (2020).
[3] Bin Wang, Li Wang, Xianggen Kong, Jin Geng, Di Xiao, Chunhong Ma, Xuemei Jiang & Pei-Hui Wang, Long-term Co-existence of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) with Antibody Response in Non-severe Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) Patients. medRxiv 2020.04.13.20040980; doi: https://doi.org/10.1101/2020.04.13.20040980
Suomennos Yaneer Bar-Yamin (Twitter) artikkelista “Toward a disease model of the coronavirus”. Artikkeli ilmestyi New England Complex Systems Instituten verkkosivuilla 23.4.2020.
Yaneer Bar-Yam on fyysikko, järjestelmätieteilijä ja New England Complex Systems Instituten perustaja. Hän on erikoistunut monimutkaisten järjestelmien tutkimukseen ja tehnyt tutkimusta lukuisilla eri tieteenaloilla aina materiaalitieteistä neuraaliverkkoihin.
Kirjoituksen on suomentanut Thomas Brand (Twitter).
Miksi COVID-19:n mallintaminen on niin vaikeaa?
