論文の概要: A Skin Microbiome Model with AMP interactions and Analysis of
Quasi-Stability vs Stability in Population Dynamics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2310.15201v1
- Date: Mon, 23 Oct 2023 08:58:35 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-10-25 22:32:21.105873
- Title: A Skin Microbiome Model with AMP interactions and Analysis of
Quasi-Stability vs Stability in Population Dynamics
- Title（参考訳）: AMP相互作用を有する皮膚微生物モデルと個体群動態の準安定性と安定性の解析
- Authors: El\'ea Thibault Greugny (Lifeware), Fran\c{c}ois Fages (Lifeware),
Ovidiu Radulescu (UM), Peter Szmolyan, Georgios Stamatas
- Abstract要約: 皮膚微生物は健康な皮膚の維持に重要な役割を果たしている。
ジスビオーシスは、発疹性病原菌の集団による皮膚のコロニー化と関連している。
常微分方程式に基づく数学的モデルを導入し、一方の個体群を他方の個体群に支配するメカニズムを研究する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The skin microbiome plays an important role in the maintenance of a healthy
skin. It is an ecosystem, composed of several species, competing for resources
and interacting with the skin cells. Imbalance in the cutaneous microbiome,
also called dysbiosis, has been correlated with several skin conditions,
including acne and atopic dermatitis. Generally, dysbiosis is linked to
colonization of the skin by a population of opportunistic pathogenic bacteria.
Treatments consisting in non-specific elimination of cutaneous microflora have
shown conflicting results. In this article, we introduce a mathematical model
based on ordinary differential equations, with 2 types of bacteria populations
(skin commensals and opportunistic pathogens) and including the production of
antimicrobial peptides to study the mechanisms driving the dominance of one
population over the other. By using published experimental data, assumed to
correspond to the observation of stable states in our model, we reduce the
number of parameters of the model from 13 to 5. We then use a formal
specification in quantitative temporal logic to calibrate our model by global
parameter optimization and perform sensitivity analyses. On the time scale of 2
days of the experiments, the model predicts that certain changes of the
environment, like the elevation of skin surface pH, create favorable conditions
for the emergence and colonization of the skin by the opportunistic pathogen
population, while the production of human AMPs has non-linear effect on the
balance between pathogens and commensals. Surprisingly, simulations on longer
time scales reveal that the equilibrium reached around 2 days can in fact be a
quasi-stable state followed by the reaching of a reversed stable state after 12
days or more. We analyse the conditions of quasi-stability observed in this
model using tropical algebraic methods, and show their non-generic character in
contrast to slow-fast systems. These conditions are then generalized to a large
class of population dynamics models over any number of species.
- Abstract（参考訳）: 皮膚微生物は健康な皮膚の維持に重要な役割を果たしている。
数種からなる生態系であり、資源を競い合い、皮膚細胞と相互作用する。
皮膚のマイクロバイオーム(ジスビオシスとも呼ばれる)における不均衡は、アクネやアトピー性皮膚炎などいくつかの皮膚疾患と相関している。
一般的に、ジスビオーシスは発疹性病原菌の集団による皮膚のコロニー化と関連している。
皮膚微生物の非特異的除去による治療は相反する結果を示した。
本稿では, 常微分方程式に基づく数理モデルを導入し, 2種類の細菌群(皮膚共生病原体, 接種病原体)と, 抗微生物ペプチドを産生し, 他方の個体群を優占させる機構について検討する。
我々のモデルにおける安定状態の観測に対応すると仮定された実験データを用いて、モデルのパラメータ数を13から5に削減する。
次に、定量的時相論理の形式的仕様を用いて、大域的パラメータ最適化によるモデルを校正し、感度分析を行う。
実験の2日間の時間スケールでは、皮膚表面pHの上昇のような環境の変化が、寄生性病原体集団による皮膚の出現とコロニー形成に好適な条件を生じさせ、一方、ヒトAMPの生成は病原体と通勤者のバランスに非線形に影響を及ぼさないと予測する。
驚くべきことに、より長い時間スケールでのシミュレーションにより、平衡状態が2日程度に達すると、実際には準安定状態となり、12日以上後に逆安定状態が到達することが明らかとなった。
我々は,このモデルで観測された準安定性の条件を熱帯代数的手法を用いて解析し,その非遺伝的特性を低速系と対照的に示す。
これらの条件は、任意の種の人口動態モデルに一般化される。
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