Novel Hybrid Computational Models to Disentangle Complex Immune Responses
新型混合计算模型可解开复杂的免疫反应
基本信息
- 批准号:10794448
- 负责人:
- 金额:$ 17.18万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2023
- 资助国家:美国
- 起止时间:2023-09-26 至 2026-08-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Most quantitative models in biomedical research have been formulated by ordinary differential equations
(ODEs). Despite the great contributions ODEs have made to biology and beyond, the high-dimensional,
time-dependent factors of the immune system still pose a significant challenge to the predictive value of
ODEs as it would require several hundred equations and thousands of parameters to be estimated. The
recent rise of machine learning as a powerful computational tool to integrate large datasets presents a
special opportunity to deal with the inherent complexity of biological systems. However, machine learning
approaches do not consider the mechanistic knowledge of the underlying interactions. Preliminary studies
that combine ODEs and machine learning highlight that these computational algorithms could be on the
cusp of a major revolution. Remarkably enough, however, no parameter estimation theory exists to
integrate simultaneously both approaches. We propose to create new hybrid models and test their
predictions in a mouse viral coinfection system to address a central vexation for infection biology which is
how and when to modulate immune responses to mitigate mortality during lethal respiratory viral infection.
At the interface between mathematical and life sciences, we will develop and analyze a novel suite of
computational models that will integrate the underlying biological mechanisms to manage ill-posed
problems and explore massive design spaces, allowing for robust predictions from complex biological
systems. To validate and test our novel and foundational mathematical approaches, we will generate the
biological data from a mouse infection system with a mild viral pathogen (rhinovirus) two days before
infection with a lethal viral pathogen (influenza) that results in reduced disease compared to single infection
alone. We hypothesize that this system can train our mathematical models in a natural way how the innate
immune system can be manipulated to reduce mortality to lethal infections and beyond. Key model
predictions will be tested by targeted immune system manipulation during lethal infection, paving the way to
understanding the role of complex immune interactions in respiratory viral disease pathology.
生物医学研究中的大多数定量模型都是由普通微分方程提出的
(ODES)。尽管OD对生物学及其他地区做出了巨大贡献,但高维,但
免疫系统的时间依赖性因素仍然对预测值构成重大挑战
ODE需要估计数百个方程和数千个参数。这
机器学习作为一种强大的计算工具的最新兴起,用于集成大型数据集
处理生物系统固有复杂性的特殊机会。但是,机器学习
方法不考虑基本相互作用的机械知识。初步研究
结合ODE和机器学习的强调,这些计算算法可能位于
大革命的尖峰。然而,非常重要的是,没有参数估计理论存在
同时整合这两种方法。我们建议创建新的混合模型并测试他们
小鼠病毒共同感染系统中的预测,以解决感染生物学的中心烦恼
在致命呼吸道病毒感染期间,如何以及何时调节对减轻死亡率的免疫反应。
在数学和生命科学之间的界面上,我们将开发和分析一套新颖的套件
计算模型将整合基本的生物学机制以管理不足
问题并探索庞大的设计空间,从
系统。为了验证和测试我们的小说和基础数学方法,我们将生成
来自温和病毒病原体(Rhinovirus)的小鼠感染系统的生物数据前两天
与单一感染相比,致死性病毒病原体(流感)的感染导致疾病降低
独自的。我们假设该系统可以自然而然地训练我们的数学模型
可以操纵免疫系统以降低致命感染的死亡率。关键模型
预测将通过靶向免疫系统在致命感染期间进行测试,从而铺平了通往的道路
了解复杂的免疫相互作用在呼吸道病毒疾病病理学中的作用。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

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数据更新时间:2024-06-01
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