0
Моделирование как вспомогательный метод реальных и экспериментальных исследований
Моделирование все чаще и чаще используется для представления и анализа комплексных биологических систем и их взаимодействия. Джордж Бокс сказал: «в сущности, все модели неправильны, но некоторые полезны», что отражает основную цель моделирования как научного метода: представить сложную систему через ее упрощение, подходящую для анализа, но сохраняющую главные интересующие аспекты поведения и работы и включающую основные процессы. Таким образом, моделирование – важный вспомогательный метод реальных и экспериментальных исследований, который может помочь поставить новые вопросы и выдвинуть гипотезы.
Эпидемиологические исследования синдрома послеотъемного мультисистемного истощения свиней (СПМИ) абсолютно точно подтверждают, что ключевым фактором возникновения заболевания является динамика заражения выращиваемых свиней ЦВС-2: чем раньше появляется инфекция, тем выше риск заболевания. Нарушение процедур ухода за поросятами в начальный период жизни является одним из основных факторов риска СПМИ и может создать благоприятную среду для распространения патогена среди свиней. При возможном вертикальном распространении ЦВС-2 и важной роли пассивного иммунитета, практика подсаживания к приемным свиноматкам потенциально может увеличивать распространение ЦВС-2 от поросят из зараженного помета к восприимчивым поросятам из другого помета. Тем не менее, взаимодействие между выявленными факторами риска СПМИ и изменениями в развитииэтого инфекционного заболевания до конца не понятно. При воспроизведении комплексной системы популяционной динамики в условиях воздействия инфекции, метод моделирования представляет полезную информацию о таких взаимодействиях.
Рис.1. Популяционно-динамическая модель
Разработка модели
Популяционно-динамическая модель (рис.1) была построена для уровня индивидуальных объектов. Действительно, уровень представительности данной модели достаточен для отображения устойчивой связи между статусами инфицированности ЦВС-2 супоросных свиноматок вместе с приплодом и основными потоками движения индивидуальных животных. Более того, она остается стохастической в отношении целого ряда индивидуальных биологических параметров (количество поросят в помете, вероятность выкидыша или гибели…). С другой стороны, базируясь на современных знаниях о протекании патогенного процесса у вирусоносителя, была создана эпидемиологическая модель (рис.2). За основу взята классическая SEIR (Susceptible (восприимчивые) – Exposed (в инкубации) – Infectious (инфекционные) – Recovered (переболевшие)). В то же время, модель должна была учитывать дополнительные инфекционные состояния, чтобы отразить вертикальные и псевдо-вертикальные пути передачи инфекции, а также влияние пассивных материнских антигенов. С тем, чтобы суметь достоверно отразить течение патогенного процесса, был проведен ряд экспериментов по выявлению трансмиссивных особенностей при передаче ЦВС-2. Эти эксперименты, в основу которых были положены контакты зараженных и восприимчивых к заболеванию животных (фото 1) с последующим мониторингом инфицированных и контрольных поросят, позволили произвести оценку параметра трансмиссивности в зависимости от различных схем взаимного контактирования между ними. Более того, было обнаружено, что трансмиссивность изменяется во времени, постепенно снижаясь от пикового значения в 15-й день после заражения, до 49-го дня с момента инфицирования. Используя подобный алгоритм, мы также показали заметное сокращение уровня трансмиссивности у привитого поголовья. Окончательная модель – продукт объединения популяционной и эпидемиологической моделей.
Рисунок 2. Эпидемиологическая модель циркуляции ЦВС-2. Переменные состояния системы: S-восприимчивость; Sm-поросята, с рождения восприимчивые, но обладающие пассивным иммунитетом; Е - латентный период у зараженных поросят, не обладающих пассивным иммунитетом; Р – поросенок-обладатель пассивного иммунитета, заразившийся через контакт с вирусоносителем; I – свиньи-вирусоносители; En – зараженные «псевдо-вертикально», из-за присутствия вируса в семени при осеменении (латентный период); In - вирусоносители («псевдо-вертикальное» заражение) без пассивного иммунитета; Im - вирусоносители («псевдо-вертикальное» заражение) с пассивным иммунитетом; R – «переболевшие» (в этом классе представлены те, кто больше не являются вирусоносителями).
Фото 1. Эксперимент по оценке параметров трансмиссивности эпидемиологической модели
Выводы
В результате использования двенадцати комбинаций методов выращивания животных, основанных на подсадке поросят и различном уходе на участке доращивания, было выявлено, что возраст на момент заражения, основной фактор риска возникновения СПМИ, был разным. Замечено, что уменьшение перемешивания поросят на участках опороса и доращивания замедляет инфекционный процесс и приводит к сокращению числа заражений в начальный период жизни животных. Содержание поросят на доращивании сгруппированными погнездно также помогает намного сократить возможность появления раннего инфицирования. Эти результаты показывают возможную связь между выявленными факторами риска СПМИ.
Были записаны значения серопревалентности для разных возрастных групп двух максимально отличающихся друг от друга по способу ухода за животными категорий: наиболее либеральной (перемешивание поросят в случайном порядке как на участке опороса так и на участке доращивания; использование на доращивании больших групповых станков) и наиболее строгой (рестриктивной) (подсаживание поросят не практикуется, на доращивании поросята содержатся сгруппированными погнездно, в маленьких станках). Эти результаты сравнили с фактическими данными, полученными при наблюдениях в реальных условиях (Рис. 3). Расчетные средние значения серопревалентности в модели с либеральным способом ухода за животными были близки к их фактическим показателям в хозяйствах с клиническими проявлениями СПМИ, тогда как величины серопревалентностей при строгом (рестриктивном) способе ухода сходны с данными, полученными от хозяйств с субклинической инфекцией (Рис.3).
Рис.3. Сравнение расчетных и фактических данных (ЦВС-2 серопревалентность).
При оценке действенности вакцинирования расчетные данные показали, что его использование у поросят в значительной мере снижает число заражений. Такой защитный эффект от прививания поросят ведет к заметному сокращению заражений вирусом ЦВС-2 на доращивании и откорме. Стало быть, именно значительным сокращением количества ранних ЦВС-2-инфекций можно объяснить описываемую высокую эффективность вакцин против ЦВС-2 при клиническом СПМИ.
Как видно на примере с ЦВС-2, модельный подход вносит огромный вклад в понимание комплексных болезней, в связи с особенностями протекания различных патогенных процессов. Моделирование, при условии, что оно выполнено тщательно, с внимательной оценкой параметров, является весьма полезным методом для понимания биологических механизмов, оценки сценариев и постановки новых исследовательских вопросов.
