《免费医学论文发表-建模表明，单个细胞内的病毒粒子产生周期是理解急性乙型肝炎病毒感染动力学的关键》期刊简介
免费医学论文发表-建模表明，单个细胞内的病毒粒子产生周期是理解急性乙型肝炎病毒感染动力学的关键
抽象
尽管缺乏适应性免疫反应，但用人源化肝脏重组的免疫缺陷小鼠的乙型肝炎病毒（HBV）感染动力学从接种到稳态是高度动态的。为了概括多相病毒动力学模式，我们开发了一个基于代理的模型，其中包括反映每个病毒生命周期的周期性细胞内病毒粒子生产周期。该模型很好地拟合了数据，预测了生产周期的增加，最初从每 1 小时 20 个病毒粒子的长生产周期开始，大约 1-3 天后逐渐达到每小时 4 个病毒粒子，然后病毒粒子产量急剧增加，达到每个细胞每小时 4 个病毒粒子的稳态速率。总之，建模表明，病毒生命周期的周期性与每个细胞最初缓慢但增加的HBV产生速率相结合，在人源化小鼠中产生观察到的多相HBV动力学模式中发挥作用。
作者摘要
在嵌合尿激酶型纤溶酶原激活剂转基因，严重联合免疫缺陷（uPA-SCID）小鼠中观察到令人惊讶的复杂乙型肝炎病毒（HBV）感染动力学与人源化肝脏。在这里，我们开发了一个基于代理的模型（ABM）来重现观察到的多相HBV动力学。为了模拟病毒感染的基本循环动力学（即潜在的病毒生命周期），捕获病毒感染固有的异步性质，并模拟单个细胞这些连续病毒粒子释放周期的扩增，我们新开发的ABM方法能够将离散病毒生产概念化为循环，从而可以准确概括体内观察到的复杂动力学模式，并为理解提供新的理论前沿病毒动力学。
数字
Fig 6Fig 7Fig 8图1图2图3Fig 4Table 1Fig 5Fig 6Fig 7Fig 8图1图2图3
引文： Hailegiorgis A， Ishida Y， Collier N， Imamura M， Shi Z， Reinharz V， et al. （2023） 建模表明，单个细胞内的病毒粒子产生周期是了解急性乙型肝炎病毒感染动力学的关键。公共科学图书馆计算生物学19（8）： e1011309. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1011309
编辑 器： Eric Lofgren，华盛顿州立大学，美国
收到： 2 年 2022 月 26 日;接受： 2023月 3， 2023;发表： <>月 <>， <>
这是一篇开放获取的文章，没有任何版权，任何人都可以出于任何合法目的自由复制、分发、传输、修改、建立或以其他方式使用。该作品在知识共享CC0公有领域奉献下提供。
数据可用性： 实验数据在S1文本的表A中提供。基于代理的建模代码可在 GitHub （https://github.com/szztracy/ModelingHBVKineticsInMice） 上找到。我们提供了一个链接，用于从 Web 浏览器运行基于代理的模型：https://cloud.anylogic.com/model/9e9b5f21-01c0-41a7-8b6b-793808d1c6ea?mode=SETTINGS。
资金： 这项工作得到了美国国立过敏和传染病研究所（SLU和HD的授权号R01AI144112和HD的R01AI146917），日本医学研究与发展机构（AMED向KC拨款19fk0210020h0003），日本科学促进会的促进联合国际研究（促进联合国际研究）的资助（批准号： 17KK0194 至 KC）。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有任何作用。
竞争利益： 我已阅读该期刊的政策，本手稿的作者有以下竞争利益：YI，HI和CT是凤凰生物的员工。
介绍
尽管有有效的疫苗可用于预防乙型肝炎病毒，但HBV感染继续造成巨大负担，估计每年有270.1亿慢性感染者，约1万人死于HBV并发症，包括肝硬化和肝癌[2]。阐明调节HBV生命周期和感染结局（即清除率与持久性）的分子机制的研究因缺乏概括HBV感染的模型系统而受到阻碍[3]。已经对开发HBV感染的小动物模型进行了重大尝试[4]。最成功的小动物HBV感染模型方法基于免疫缺陷小鼠的肝脏再增殖，因为原代人肝细胞是HBV的天然靶标[8-<>]。
我们之前评估了42只嵌合尿激酶型纤溶酶原激活剂转基因/重度联合免疫缺陷（uPA-SCID）小鼠从感染开始到病毒稳定状态的急性HBV感染动力学[9]。从接种后1分钟开始，到63日外，以不同的时间间隔检测血清HBV DNA[9]。尽管HBV剂量不同（104?108基因组等效物）和不同批次的人肝细胞，观察到不同阶段的一致模式[9]（图1）。为了阐明导致在这些小鼠中观察到从起始到稳态的复杂HBV动力学的过程，我们开发了一种基于代理的建模（ABM）方法，该方法考虑了单个细胞内病毒生命周期的周期性以及由此产生的病毒释放和传播的不同波。具体来说，在单个感染细胞内结合病毒生产周期，从最初的缓慢产生（每1小时20个病毒粒子）开始，随着时间的推移而增加，达到每小时4个病毒粒子的稳定状态，概括了多相动力学模式。使用ABM更准确地将HBV的产生概念化为周期而不是连续增加，从而使我们能够在体内重现观察到的HBV感染动态，并为模拟急性感染期间的病毒动力学提供了一种新的建模方法。
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图1. 根据对42只人源化小鼠从接种到稳态的分析确定的主要HBV动力学模式概述。
接种108复制HBV DNA：第一阶段，快速下降;1期，低病毒平台;第三阶段，快速增加;第2阶段，极慢的增长或平稳;第3阶段，延长扩增;阶段4，稳态。修改自 （5）;两个初始清除阶段已合并为一个阶段，现在统称为第一阶段。
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结果
基于代理的HBV动力学建模
虽然我们表明[9]测量感染小鼠连续血清样品中HBV DNA水平的标准实验方法允许计算平均病毒参数，并展示了从接种到稳态的病毒扩增的复杂多相模式（图1），但它掩盖了病毒传播时单个细胞的异步感染[10].我们开发了一种ABM来研究在人源化小鼠中观察到的多相HBV动力学模式的动力学。ABM占两种类型的药剂：人肝细胞（细胞）和血液中的病毒（图2A）。细胞因子以其感染阶段为特征，由3×10的方形晶格表示8细胞，即人源化小鼠中人肝细胞的估计数量[11]。细胞试剂可以处于以下三种离散状态之一：未感染的易感靶标（T），日食期的感染细胞（IE）（即尚未释放后代病毒），或生产性感染的细胞分泌后代病毒（IP).由于这些小鼠缺乏适应性免疫反应，模型中不考虑细胞死亡，因此细胞数量在整个模拟期间保持不变。病毒因子V代表血液中HBV的量，在ABM中表征为单一的全局因子，其可能以速率恒定β感染易感靶细胞，成为日食期的感染细胞（IE）或以速率常数c从血液中清除（图2A）。ABM 执行是一个迭代过程，其中每次迭代代表一个“刻度”或离散时间步长，其中 1 步 = 1 小时。
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图2. 反弹道导弹示意图。
（A）人肝细胞在给定时间只能处于以下三个阶段之一;T = 未感染的细胞，称为靶细胞或易感细胞，IE= 日食期（即尚未释放病毒粒子）的HBV感染细胞，IP=生产性HBV感染细胞（即，主动释放病毒粒子）。血液中的游离病毒V由感染性和非感染性病毒粒子组成。参数 ρ 表示具有传染性的病毒粒子的比例，β 表示感染率常数，Ω 表示日食相位持续时间，c 表示血液中的病毒清除率，P（τ）（方程 1） 表示来自 I 的病毒粒子分泌P.（B）单个感染的人肝细胞的病毒生产周期示意图。P（τ）是感染细胞产生的病毒粒子数，l（τ））是生产周期（h）之间的时间间隔。病毒粒子最初由我释放P从每个细胞 1 个病毒粒子的长生产周期开始（第 1 阶段：~0-2.5 天），逐渐达到每个细胞产生 2 个病毒粒子，生产周期缩短（第 2 阶段：~2.5-3 天），然后进行到每个细胞 3 个病毒粒子（第 3 阶段：~3-4 天），然后病毒粒子产量增加，达到每个细胞每小时 4 个病毒粒子的稳态产生速率（第 4 阶段： ~ 4 天起）。
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由于HBV是一种非细胞溶解病毒[12]，细胞内病毒的产生随着时间的推移而增加，直到达到资源限制平台期。为了在每个细胞的基础上对此进行建模，我们量化了受感染细胞在给定时间和生产周期的病毒产生量，即细胞产生病毒的时间间隔（图2B）。为了捕捉这种动态，我们制定了以下方程。
在生产周期τ产生的病毒粒子P的量由下式确定：
(1)
其中，P（τ）是感染细胞产生的病毒粒子数a τ，P圣是稳态病毒的产生，α是达到50%P的循环次数圣，γ是生产曲线的陡度，τ是生产周期。病毒产生，P圣，估计在所有靶细胞被感染时处于稳态，因此P圣 = 简历圣/我p其中 V圣表示稳态下的病毒载量，c表示血液中的病毒清除率常数。
周期之间的间隔由指数衰减函数确定，公式为：
(2)
其中 lτ是生产周期之间的间隔，τ是生产周期，δ是表示初始生产周期长度的比例因子，ω是衰减常数。在模型中，P（τ） 和 lτ舍入到最接近的整数。方程 1 和 2 的组合允许每个生产性感染的细胞在 I 后缓慢产生病毒粒子E成为我P在较短的时间间隔内分泌的病毒粒子数量不断增加，直到细胞达到稳态生产。
ABM 在高剂量病毒接种后再现多相 HBV 动力学
该模型很好地再现了在接种4 8HBV基因组等效，从接种到接种后第51天（p.i.）（图3和S1文本中的图A-D）。基于4只小鼠（M1 -M4）的最佳拟合的估计模型参数如表1所示。在模拟小鼠4（M4）感染期间，显示人肝细胞（细胞）状态变化的计算机动力学（图1A）和不同时间点细胞群的代表性图片（图1B）的图表显示，虽然血清HBV DNA是多相的（图3），但总细胞状态动力学很简单，例如，未感染的生产力感染细胞遵循简单的S形样模式（图4A， 绿色和红色曲线）。
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图3.
用接种1的四只小鼠M2（A）、M3（B）、M4（C）和M10（D）的血液（圆圈）中测得的HBV DNA动力学模拟最佳拟合（实线曲线）8HBV基因组等效物。估计参数如表1所示。
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图4. 模拟接种后的人肝细胞感染动力学。
(A）未感染的细胞（T，黑线），受感染的非生产性细胞（IE，黄线）和生产性感染的细胞（IP，红线）动力学。每条模拟曲线的粗线表示具有不同随机种子的 1，000 个独立游程的平均值，阴影区域表示这 95，1 个游程的 000% 置信区间。（B）在模拟接种后2、1、2和3周从6D晶格中的代表性运行中观察到的细胞状态。未感染的细胞（T，黑细胞），受感染的非生产性细胞（IE、黄色细胞）和生产性感染细胞（IP，红细胞）。所示的ABM结果代表小鼠M1的最佳拟合（图3A和表1）。在ABM中没有考虑二维晶格上的空间结构来影响病毒感染的传播。
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表 1. 校准小鼠的最佳估计ABM参数及其估计空间（J<0.7）。
参数在方程 1 和 2 中定义;GE，基因组等效;J 分数，表示遗传算法 （GA） 拟合的目标函数 （方程 3） 分数，其中最小 J 分数是图 3 和图 7 所示的最佳拟合曲线。（） 中显示的参数估计值表示所有 GA 拟合的最小值和最大值，J 分数< 0.7 显示在 S1 文本的图 A-G 中，它们的统计数据在 S1 文本的表 C 中。参数对图及其相关图分别显示在 S1 文本中的图 H-N 和 S1 文本中的图 O-U 中。
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单个细胞的病毒参数估计，允许模拟观察到的复杂血清病毒模式
该模型提供了对单个细胞从感染开始到稳定状态的早期病毒 - 宿主动力学的见解，揭示了观察到的复杂血清病毒动力学模式的性质。为了拟合数据，该模型预测了接种58HBV基因组当量（表1）。以M1为代表性示例，模拟的病毒粒子产生，两个日食阶段持续时间为9小时（图5A，阴影框）和48小时（图5C，阴影框），说明了较长的日食阶段导致的病毒粒子产生的延迟，而不会影响随后的病毒生产周期。日食后阶段，该模型预测从生产性感染细胞中缓慢释放病毒，每1小时20个病毒粒子的长生产周期逐渐达到每小时1个病毒粒子（图5B和5D），在~3-4天后病毒粒子产量增加，达到每个细胞每小时4个病毒粒子的稳态产生速率（图5A和5C）。在小鼠M2，M3和M4上发现了类似的图片（S1文本中的图V）。
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图5.
接种18HBV基因组等效物如图3A所示。（A和B）代表最小日食相位为9小时的感染细胞（黑色阴影“E”）。（C和D）感染细胞，最大日食相位为48小时。对小鼠M2，M3和M4的类似预测显示在S1文本的图V中。
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剖析每种血清HBV DNA动力学阶段的性质
专注于代表性M1的模型模拟细节，估计的血清HBV DNA显示在一个时间尺度上，允许可视化每个血清HBV DNA动力学阶段（图6A和6B）。非生产性（IE）和生产力（IP）感染细胞以及每个生产细胞的平均病毒粒子产量绘制在同一尺度上，以便直接比较（图6C和6D）。
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图6. 代表性小鼠M1的模型参数估计值。
(A 和 B）模拟血清病毒载量。（C 和 D）日食期（实心金线）、生产性感染细胞（红色实线）的总细胞数和接种后每个生产性感染细胞的平均病毒粒子产生（或分泌）（绿色实线）。图表根据图1中实验观察到的HBV血清DNA扩增的动力学阶段进行划分。第 5 期和第 6 期分别绘制图，以适应感染后期所需的较大 y 轴刻度。虚线垂直线和黑色阴影数字表示（A）和（C）中的动力学阶段1-4以及（B）和（D）中的阶段5和6。
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在最初的6小时内（图6A，阶段1），因为模型概括了血液中快速的血清HBV DNA（V）清除（t1/2= 1 小时），它预测大约 1×105细胞被感染，即第一波感染。这包括日食相位细胞的初始峰值（IE)) (图6C，实心金线）。
作为 IE细胞逐渐过渡到IP细胞（图6C，红色实线）产生的初始病毒粒子产生低（图6C，绿线），平衡持续的病毒清除，导致较低的血清病毒平台（图6A，第2期）。
HBV血清水平首次快速升高（图6A，第3期）发生在最初感染的I中病毒产生速率增加后P细胞（图6C，绿线）。在第 3 阶段，I 的数量P细胞保持不变（图6C，实心红线），而第二波新感染的I波E细胞开始出现（图6C，实心金线）。
观察到的中间血清HBV DNA稳态（或平台）被模型（图6A，4期）概括为I的大部分P细胞处于病毒产生的稳态水平，I的数量不断增加P细胞处于感染的早期低水平病毒产生阶段（图6C，增加实心红线）。同样，越来越多的IE细胞不有助于病毒粒子的产生（图6C，增加实心金线），导致每个细胞病毒粒子的产生速率总体降低（图6C，减少绿线）。
由于单个感染事件发生时间的随机性，感染变得不那么同步，并且靶细胞变得有限，感染的不同周期变得不那么明显，并且所有随后的扩增都显示为从~8天到~30天的单个病毒指数扩增（图6B，阶段5），在此期间最终靶细胞被感染并变得富有成效（图6D，分别是纯金线和红线），随后朝着最大平均病毒产量的方向发展（图6D，绿线）。
一旦所有靶细胞被有效感染（图6B，红色实线）并达到最大平均病毒产量（图6D，绿线），血清HBV水平达到稳定状态（图6B，第6阶段）。
ABM 再现低剂量感染后的多相 HBV 动力学
我们之前表明，接种率较低，为107, 106和 104人源化uPA-SCID小鼠中的HBV基因组等效物导致HBV动力学模式延迟但相似[9]。因此，我们通过在模型模拟中仅更改接种剂量来针对该动力学数据（S1 文本中的表 A）验证模型。重要的是，该模型很好地再现了接种108HBV基因组等效物（图7和S1文本和表1中的图E-G）。
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图 7. 模型验证。
用接种和5的代表性小鼠M6，M7和M10中测量的HBV DNA动力学（圆圈）对最佳拟合曲线（实线）进行建模7 （一）、106 （B）和104 （C）分别是HBV基因组当量。估计的模型参数如表1所示。
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病毒粒子产生周期短，日食相位长度减弱了多相动力学模式
在验证了模型准确概括HBV感染动力学的能力后，我们继续研究模型的两个关键特征，即细胞食阶段和/或生产周期，如何影响急性病毒感染动力学。为了测试缩短和/或延长细胞日食阶段和/或生产周期的效果，使用小鼠1（M1）估计的HBV病毒参数作为接种后14天（图8）和56天（S1文本中的图W）的参考进行计算机模拟。
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图8. 改变日食相位长度（Ω）和初始生产周期长度（δ）。
模型模拟从接种时间到接种后第56天（p.i.）运行。此处显示了第 0-14 天;第 0–56 天显示在 S1 文本的图 W 中。除指示的变化外，使用与鼠标 1 （M1） 估计的参数相等的参数。（A）日食阶段的参数范围缩短为Ω = [0，5] hr（绿虚线）或扩展到Ω = [36–72] hr（红色虚线）。（B）生产周期的参数范围减少到δ = 1小时（即更快的生产，绿色虚线）或增加到δ = 36小时（即生产速度较慢，红色虚线）。（C）短食参数范围Ω = [0，5] hr与（B）中使用的快速（绿色虚线）或慢速（红色虚线）生产参数范围相结合。（D）与（C）相同，假设日食相位延长至Ω = [36-72]小时。M1 的模型模拟，Ω = [9，48] 小时和 δ = 26 小时，使用黑色实线进行比较。
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延长细胞日食阶段导致初始阶段没有病毒产生，然后是延迟但多相的病毒扩增（阶段2-6）（图8A，红色虚线）。相比之下，短暂的日食阶段允许在感染的第2阶段可视化更极端的循环，而不会影响随后的病毒阶段（图8A，绿色虚线）。增加病毒粒子的产生基本上消除了2期初始平台，导致早期扩增（图8B，绿色虚线）。相比之下，较慢的产生延长了初始下层平台阶段2并延迟了随后的病毒期（图8B，红色虚线）。有趣的是，将较短的细胞日食与较快的生产周期相结合，会产生几乎单一的扩增阶段，类似于许多急性病毒感染观察到的阶段（图8C，绿色虚线），这可能表明为什么在监测其他病毒的急性感染动力学时没有普遍观察到这种多相病毒感染动力学模式。相反，将较短的细胞食与较慢的生产周期相结合，在较长的第2阶段再次产生短日食极端循环，然后延迟所有后续病毒阶段（图8C，红色虚线）。将较长的细胞日食与较快的生产周期相结合，导致初始阶段没有病毒产生，然后立即扩增（即没有2期初始平台），对随后的病毒阶段（阶段3-6）几乎没有影响（图8C，绿色虚线）。而较长的细胞日食加上较慢的生产周期导致初始阶段没有病毒产生，然后是延迟的多相病毒扩增（阶段2-6）（图8D，红色虚线）。
讨论
基于群体的标准病毒感染时间病程测量通常显示初始日食阶段，然后呈指数增加，以细胞裂解或稳态病毒水平结束[13-21]。然而，我们最近报道了具有人源化肝脏的嵌合uPA-SCID小鼠中令人惊讶的复杂HBV感染动力学[9]。为了研究人源化uPA-SCID小鼠从接种到稳态的意外复杂HBV感染动力学的动力学，我们开发了一种ABM方法，从单个细胞感染的角度解释血清群体动力学。这允许将单个细胞的HBV产生模拟为循环而不是连续增加，从而导致模型准确地再现观察到的多相动力学模式，并允许深入了解潜在的病毒动力学。
大多数急性病毒感染的数学模型都是基于病毒和细胞群混合良好的假设[13-20]。对于非细胞溶解性病毒（如HBV），在没有免疫反应的情况下，与未感染的细胞相比，感染细胞以更快的速度靶向丢失/死亡，这些模型预测一旦所有靶细胞都被感染，病毒就会大致单相增加，达到高病毒载量稳定状态（或峰值）。一些模型还考虑了日食阶段，例如[22，23]，其中新感染的细胞在产生病毒粒子之前仍处于潜伏期，但即使有这种添加，预计病毒也会增加，直到所有靶细胞都被感染。例如，在HCV感染的黑猩猩模型中，病毒水平以双相反的方式升高，病毒在诱导I.型干扰素的同时（1周p.i.）短暂下降[16]。然而，HBV通常被称为隐形病毒，因为它不会诱导显着的先天免疫信号[12]，这使得免疫信号不太可能解释从快速扩张（图1，阶段3）到较慢的过渡平台（图1，阶段4）。虽然在没有进一步实验的情况下不能排除肝内干扰素诱导，但我们在这里表明，这种转变以及观察到的所有阶段可以通过描述单个细胞水平的病毒动力学来准确地概括病毒食期，基于增加生产周期的病毒分泌速率，以及由此产生的新感染浪潮（图6）。
感染后早期的病毒动力学通常表现出病毒下降阶段，然后是较低的平台期或检测不到的病毒水平（又称日食阶段），然后呈指数扩增。假设这反映了血液中输入病毒的清除与从头病毒产生相平衡的时间段。我们发现小鼠接种了高（108）病毒接种HBV DNA具有低病毒平台，持续约1-3天（图1，第2期）。将ABM与测量的血清HBV DNA拟合，我们估计新感染细胞（IE）细胞在成为产生病毒粒子的感染细胞之前仍处于潜伏期（IP).虽然这最初看起来是一个出乎意料的宽参数范围，但病毒感染的单细胞分析显示，病毒复制进展的变异范围类似很大[24，25]。
我们之前报道[9]HBV DNA接种量对初始HBV清除（图1，阶段1），HBV扩增阶段的病毒倍增时间（图1，阶段3和5），过渡平台的长度（图1，阶段4）或病毒稳态水平（图1，阶段6）没有影响，而是导致较低的病毒平台期（阶段2）和延迟检测初始病毒扩增（图1）。，第 3 阶段），随后延迟了所有其他动力学阶段。重要的是，该模型证实了这一点，因为它模拟了HBV接种107, 106或 104基因组等效物，与接种108除接种剂量本身外的基因组等效物（表1），进一步支持我们的ABM建模方法。
发现观察到的不寻常的多相动力学可以通过基于病毒生命周期固有循环性质的模型重现，这就提出了一个问题，为什么在HBV中观察到如此复杂的动力学，而不是更广泛地用于其他病毒感染。虽然在没有频繁采样的情况下，这种多相模式可能会被简单地错过，但这种复杂的模式也通过增加病毒产量和减少模型模拟中的日食阶段而被消除（图8C）。值得注意的是，这些参数变化与许多急性病毒相关的更快生命周期一致，并可能解释为什么没有常规观察到其他病毒的多相病毒动力学。
目前的ABM没有考虑细胞内HBV宿主动力学，这些动力学解释了病毒生产周期的估计时间，但提供了一个现在可以研究的预测。我们之前的动力学研究[9]表明，在这些小鼠感染期间，肝内总HBV DNA，cccDNA和RNA与血清HBV DNA相关。因此，未来详细的细胞内动力学分析可能会揭示肝内HBV RNA和/或DNA水平是否表现出相同的多相扩增模式，以及cccDNA回收如何影响感染早期HBV分泌水平。
同时，我们在目前的研究中表明，将病毒产生周期纳入ABM概括了在uPA-SCID小鼠中观察到的多相血清HBV动力学模式，用人源化肝脏重组，从接种到稳态[9]。重要的是，这种复杂的HBV感染动力学也可以在免疫功能正常的黑猩猩身上看到[14，26]，这表明这种复杂的图像并非人源化uPA-SCID小鼠所独有。因此，使用基于代理的建模更准确地将病毒产生概念化为周期而不是连续增加，使我们能够在体内重现观察到的HBV感染动态，并为模拟急性感染期间的病毒动力学提供了一种新的计算方法。
材料和方法
道德声明
本手稿数据来源的所有动物方案均按照《实验动物护理和使用指南》执行，并经凤凰生物股份有限公司动物福利委员会批准（批准文号1031）。
小鼠和乙肝病毒
本文中研究的体内数据已在先前发表，并在[9]中进行了详细描述。简而言之，如前所述，通过将冷冻保存的人肝细胞脾注射到uPA/SCID小鼠中产生人源化肝嵌合小鼠[8，9]。通过血人白蛋白水平估计人肝细胞再增殖率，嵌合小鼠显示再增殖率大于70%，注射含有104, 106, 107和 108复制HBV DNA（基因型C，入藏号AB246345），最初由Sugiyama博士[27]通过尾静脉提供。接种物的制备以及用于HBV DNA提取和定量的方法与先前报道的相同[9，28]。
参数估计
我们之前表明，在前6小时p.i.和6-24小时p.i.血液中清除HBV，并且1/2分别为~1小时和~3小时，与接种物大小无关，接种量范围为104到 108CP/mL [9]。由于上述两个初始清除阶段已合并为一个阶段，现在统称为阶段1（图1），我们假设病毒从血液中的固定清除率为c = 0.5小时-1.血液中具有传染性的病毒（V）的比例被任意设置为ρ = 0.5。根据实验数据，HBV血清稳态水平设定为，V圣= 9.3±0.3。病毒产生，P圣，估计在所有靶细胞都被感染的稳定状态下（Ip= 3×108细胞），相当于病毒粒子/细胞。其余参数是通过用实验数据校准ABM（表1）估计的，使用S1文本中表B所示的参数约束，这些参数约束是通过初步ABM模拟获得的，并使用Anylogic与实验数据拟合。
模型校准
模型参数拟合是在芝加哥大学的Midway29高性能计算（HPC）集群上使用遗传算法（GA）[30，31]和EMEWS框架[2]完成的。Midway2 有 400 个节点，每个节点有 28 个内核和 64GB 内存。在Bebop HPC集群上进行了一些额外的开发，该集群由阿贡国家实验室的实验室计算资源中心管理。Bebop 有 1024 个节点，包括 672 个英特尔 Broadwell 处理器，每个节点 36 个内核和 128 GB RAM 和 372 个英特尔骑士登陆处理器，每个节点有 64 个内核和 96 GB RAM。GA是使用DEAP [32]进化计算Python框架（特别是[33]：第7章）实现的，并使用EMEWS队列for Python（EQ/Py）[31]集成到EMEWS HPC工作流程中。校准的输入参数均处于线性空间中。目标函数使用了模型输出的对数变换：
(3)
其中日志10V（t我） 是病毒载量的对数变换预测值，是对数变换的实验值，σ（t我） 是实验数据的标准误差，假设每个数据点 t 为 0.5我，n 是样本数据点的数量。
使用 HPC 资源可以同时评估大量设计点 （n = 102），从而缩短求解时间。在 GA 的每次迭代期间，将使用锦标赛选择方法从当前评估的总体中选择最佳积分以创建新总体。然后根据交叉概率将这些点中的每一个与另一个点配对，最后，每个生成的点根据突变概率发生突变。在每次 GA 算法迭代中，将并行评估新总体，并收集评估结果。GA 群体大小设置为 102，突变概率设置为 0.2，交叉概率设置为 0.5，迭代次数设置为 25。在 Midway2 上，在 7 个节点上使用完全并发（每个节点 3 个内核）的典型运行时间为 28.28 小时，或大约 5700 个内核小时。
软件
基于代理的模型是在Anylogic V8.1.0上开发的（该模型的早期版本是在Mason V17上开发的）。这些数字是使用Python（V3.8.8）绘制的。使用EMEWS框架（https://emews.github.io/），DEAP库（V1.3）和Python（V3.8.5）进行了经验数据的模型拟合。
支持信息
表A-B和图A-W。
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S1 文本。 表A-B和图A-W。
https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1011309.s001
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该研究由芝加哥大学研究计算中心（Midway2集群）和阿贡国家实验室实验室计算资源中心（Bebop集群）提供的资源完成。
引用
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