C-ImmSim

Modelo computacional del sistema inmune

C-ImmSim nació en 1995 como la "versión" en lenguaje C de IMMSIM, el SIMULADOR del sistema IMMune, un programa escrito en 1991 en APL-2 (APL2 es una marca registrada de IBM Corp.) por el astrofísico Phil E. Seiden junto con el inmunólogo Franco Celada para implementar el modelo Celada-Seiden . La adaptación y el desarrollo posterior estuvieron a cargo principalmente de Filippo Castiglione con la ayuda de algunas otras personas.

El modelo Celada-Seiden

El modelo de Celada-Seiden es una descripción lógica de los mecanismos que componen la respuesta inmune adaptativa humoral y celular a un antígeno genético a nivel mesoscópico.

La contraparte computacional del modelo Celada-Seiden es el código IMMSIM.

El modelo Celada-Seiden, así como C-ImmSim, se considera mejor como una colección de modelos en un solo programa. De hecho, hay varios componentes que realizan una función particular que se pueden activar o desactivar. En su etapa actual, C-ImmSim incorpora los principales "hechos básicos" del conocimiento inmunológico actual, por ejemplo:

• la diversidad de elementos específicos,
• Restricción de MHC,
• selección clonal por afinidad antigénica,
• educación tímica de las células T, procesamiento y presentación de antígenos (se implementan tanto las vías citosólicas como las endocíticas,
• cooperación célula-célula,
• homeostasis de las células creadas por la médula ósea,
• hipermutación de anticuerpos,
• maduración de la respuesta celular y humoral y de la memoria.

Además, un antígeno puede representar una bacteria, un virus, un alérgeno o una célula tumoral.

El alto grado de complejidad del modelo de Celada-Seiden lo hace adecuado para simular diferentes fenómenos inmunológicos, por ejemplo, la hipermutación de anticuerpos, la reacción del centro germinal (GCR), la inmunización, la selección del timo, las infecciones virales, la hipersensibilidad, etc.

Desde la primera versión de C-ImmSim, el código se ha modificado muchas veces. La versión actual incluye ahora funciones que no estaban en el modelo original de Celada-Seiden .

Recientemente se ha personalizado C-ImmSim para simular la infección por VIH-1. Además, puede simular la inmunoterapia para tumores sólidos genéricos. Todas estas funciones están presentes en el código y las personas pueden elegir activarlas o desactivarlas en el momento de la compilación. Sin embargo, la presente guía del usuario se ocupa de la descripción de la respuesta estándar del sistema inmunitario y no ofrece ninguna indicación sobre las características del VIH-1 y el cáncer.

La última versión de C-ImmSim permite la simulación de la infección por SARS-CoV-2. ^[1]

Colaboradores

La adaptación fue posible gracias a la ayuda de Seiden, especialmente durante la fase de validación inicial. Massimo Bernaschi contribuyó al desarrollo de C-ImmSim desde la versión "beta". La mayor parte de la optimización del uso de memoria y de la entrada/salida fue posible gracias a Bernaschi, en particular en lo que respecta al desarrollo de la versión paralela. Otras pocas personas contribuyeron al desarrollo posterior del código en los años siguientes.

Proyectos relacionados

Existen otros modelos computacionales desarrollados sobre la base del modelo de Celada-Seiden que provienen (en cierta medida) de la primera adaptación al lenguaje C de IMMSIM por parte de F. Castiglione. Se trata de IMMSIM++ desarrollado por S. Kleinstein, IMMSIM-C desarrollado por R. Puzone, Limmsim desarrollado por J. Textor y SimTriplex desarrollado por Pappalardo.

• IMMSIM++, http://www.cs.princeton.edu/immsim/software.html
• IMMSIM-C, http://www.immsim.org/
• LImmSim, http://johannes-textor.name/limmsim.html
• SimTriplex

C-ImmSim se ha descrito parcialmente en una serie de publicaciones, pero nunca de manera extensa, en parte debido a la disponibilidad de otras referencias para el código IMMSIM que también podrían servir como manuales para C-ImmSim, en parte porque no es práctico comprimir una descripción completa de C-ImmSim en un artículo normal.

IMMSIM, en la mente de los autores, fue construido alrededor de la idea de desarrollar un sistema computarizado para realizar experimentos similares a los experimentos in vivo y en laboratorio reales; una herramienta desarrollada y mantenida para ayudar a los biólogos a probar teorías e hipótesis sobre cómo funciona el sistema inmunológico. Lo llamaron experimentos "in Machina" o "in silico". IMMSIM fue desarrollado en parte teniendo en cuenta las potencialidades educativas de este tipo de herramientas, con el fin de proporcionar a los estudiantes de cursos de biología/inmunología, una manera de jugar con los mecanismos inmunológicos para comprender los conceptos fundamentales de las interacciones celulares y/o moleculares en la respuesta inmunológica.

Para este propósito, IMMSIM++ fue desarrollado para Microsoft Windows® y ofrece la oportunidad de explorar varias (pero no todas) las características del modelo Celada-Seiden. Sin embargo, dado que solo está disponible el ejecutable, ese código no está abierto para pruebas o desarrollo.

LImmSim está disponible bajo la GNU GPL.

SimTriplex es una versión personalizada del mismo modelo y deriva de la versión 6 de C-ImmSim. Se ha desarrollado para simular la inmunoprevención del cáncer.

Referencias

1. Kar, T.; Narsaria, U.; Basak, S.; Deb, D.; Castiglione, F.; Mueller, D.; Srivastava, A (2020). "Una vacuna candidata multiepítope contra el SARS-CoV-2". Scientific Reports . 10 (10895). Nature Research: 10895. Bibcode :2020NatSR..1010895K. doi : 10.1038/s41598-020-67749-1 . PMC  7331818 . PMID  32616763.

• Rapin, Nicolas; Lund, Ole; Bernaschi, Massimo; Castiglione, Filippo (16 de abril de 2010). "La inmunología computacional se encuentra con la bioinformática: el uso de herramientas de predicción para la unión molecular en la simulación del sistema inmunológico". PLOS ONE . ​​5 (4). Biblioteca Pública de Ciencias (PLoS): e9862. Bibcode :2010PLoSO...5.9862R. doi : 10.1371/journal.pone.0009862 . ISSN  1932-6203. PMC  2855701 . PMID  20419125.
• F. Pappalardo, M. Pennisi, F. Castiglione, S. Motta. Optimización de protocolos de vacunas: experiencias in silico. Biotechnology Advances. 28: 82–93 (2010). doi:10.1016/j.biotechadv.2009.10.001
• P. Paci, R. Carello, M. Bernaschi, G. D'Offizi y F. Castiglione. Control inmunológico de la infección por VIH-1 después de la interrupción del tratamiento: tratamiento antirretroviral inmediato frente a diferido. BMC Infectious Diseases. 9: 172 (2009). doi:10.1186/1471-2334-9-172
• D. Santoni, M. Pedicini, F. Castiglione. Implementación de una red de genes reguladores para simular la diferenciación TH1/2 en un modelo basado en agentes de reacciones de hipersensibilidad. Bioinformática, 24(11):1374–1380 (2008). doi:10.1093/bioinformatics/btn135
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• F. Pappalardo, P.-L. Lollini, F. Castiglione, S. Motta. Modelado y simulación de vacunas inmunopreventivas contra el cáncer. Bioinformatics, 15 de junio de 2005;21(12): 2891–7. doi:10.1093/bioinformatics/bti426
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• Bernaschi, M.; Castiglione, F. (2001). "Diseño e implementación de un simulador del sistema inmune". Computadores en Biología y Medicina . 31 (5). Elsevier BV: 303–331. doi :10.1016/s0010-4825(01)00011-7. ISSN  0010-4825. PMID  11535199.
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• Castiglione, F.; Bernaschi, M.; Succi, S. (1997). "Simulación de la respuesta inmunitaria en una computadora paralela distribuida". Revista internacional de física moderna C . 08 (3). World Scientific Pub Co Pte Lt: 527–545. Bibcode :1997IJMPC...8..527C. doi :10.1142/s0129183197000424. ISSN  0129-1831.
• Kar, T.; Narsaria, U.; Basak, S.; Deb, D.; Castiglione, F.; Mueller, D.; Srivastava, A (2020). "Una vacuna candidata multiepítope contra el SARS-CoV-2". Scientific Reports . 10 (10895). Nature Research: 10895. Bibcode :2020NatSR..1010895K. doi : 10.1038/s41598-020-67749-1 . PMC  7331818 . PMID  32616763.

Enlaces externos

• "Filippo Castiglione". iac.rm.cnr.it . Consultado el 21 de enero de 2020 .
• "Portada | Inmunología teórica en el Centro Médico Langone de la Universidad de Nueva York". immsimteam.med.nyu.edu . Consultado el 21 de enero de 2020 .
• http://www.cs.princeton.edu/immsim/software.html