在建模共价闭合环状DNA动态以评估慢性乙型肝炎预后中的应用

《Mathematical Biosciences》：Modeling covalently closed circular DNA dynamics in assessing chronic hepatitis B prognosis

本研究构建cccDNA动力学模型，通过分析96例CHB患者数据验证，模型预测HBsAg血清学阴性转化的准确率达93.75%，基线HBsAg、HBV DNA及HEPSAg状态为关键影响因素，为临床停药指标设计提供依据。

　　

黄秋林|李强|黄在堂|王玉明|黄光宇|王凯发|王文迪

中国重庆西南大学数学与统计学院，400715

摘要

共价闭合环状DNA（cccDNA）在HBV感染肝细胞核中的持续存在对慢性乙型肝炎（CHB）的发病机制起着关键作用，而乙型肝炎表面抗原（HBsAg）的水平可以被视为cccDNA定量的一种替代标志物。本文提出了一个数学模型来模拟感染肝细胞中cccDNA的动力学行为，并得出了cccDNA的基本再生率。研究发现存在向后分岔现象。重要的是，该模型的预测结果与作者所在医院收集的96名新治疗CHB患者的临床数据非常吻合。具体来说，18名患者（23.96%）实现了HBsAg血清学阴性转化（SNC），其中排除了5名出现血清学复发的患者。另有10名患者的预测结果不确定，其中包括2名临床确认的SNC患者。排除这些不确定患者后，我们模型的符合率为93.75%（15/16）。我们的结果表明，基线HBsAg水平、HBV DNA水平和乙型肝炎e表面抗原状态是影响模型预测准确性的主要因素。因此，我们的模型有助于设计有效的临床停药指标。

引言

乙型肝炎病毒（HBV）可引起肝脏的急性和慢性感染。大约5-10%的成年人会发展为慢性乙型肝炎（CHB），这会导致肝硬化和肝癌的发生。口服核苷（t）类似物（NAs）和皮下注射聚乙二醇干扰素（Peg-IFN）是全球主要的抗HBV治疗方法。通常需要长期治疗才能实现乙型肝炎表面抗原（HBsAg）的血清清除，即达到功能或临床治愈，但患者的HBsAg清除率仍然较低，且停药后的病毒复发率相对较高[1]、[2]、[3]、[4]。因此，进一步阐明CHB患者在接受抗病毒治疗期间的病毒动态并确定潜在的停药指标非常重要。

共价闭合环状DNA（cccDNA）长期以来被认为是在感染肝细胞中维持HBV持续存在的主要因素[5]。cccDNA的稳定和长期存在是导致抗病毒治疗失败以及治疗中断后病毒复发的重要机制[6]。然而，cccDNA只能通过分析肝活检样本来定量，目前没有可靠的血清生物标志物能够反映肝内的cccDNA水平[7]。由于HBsAg是由cccDNA作为模板转录成前基因组RNA生成的，而表观遗传cccDNA迷你染色体是HBsAg表达的主要来源之一[8]，因此血清中的HBsAg水平可以作为反映肝组织中cccDNA水平的替代血清学标志物[9]。最近，通过对CHB患者进行HBsAg水平的随访，已经建立了HBsAg血清清除的预测因素和功能治愈的预测模型[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，为选择临床治疗策略和筛选临床试验参与者提供了指导和辅助评估工具。然而，在通过分析血清HBsAg水平来预测治疗停止和治疗后病毒复发的研究中，结果的准确性存在差异[16]、[17]。因此，将cccDNA和HBsAg的作用结合起来预测病毒复发将有助于获得更有效的临床停药指标。

由于最常用的慢性HBV感染动物模型——鸭HBV模型与人类HBV的同源性较差，通过动物模型来量化cccDNA和HBsAg在预测CHB治疗中停药和病毒复发方面的协同作用具有挑战性。因此，模拟HBV感染临床过程的动态模型受到了越来越多的关注[18]、[19]、[20]。然而，现有的模型主要考虑了易感和感染肝细胞以及游离病毒颗粒，从而限制了它们模拟cccDNA动力学的能力。受HBV病毒生命周期[21]和先前HBV感染单细胞建模框架[22]、[23]的启发，我们提出了一个新的现象学模型，该模型模拟了感染肝细胞中cccDNA的动力学行为，并主要关注肝细胞中的HBV复制周期。我们对本院接受单独使用Peg-IFN或序贯/联合NAs治疗的96名CHB患者收集了真实的临床纵向数据（大部分为每周一次的数据），用于验证该模型并研究其在预测治疗中断后复发方面的作用。

本文的结构如下：第2节基于HBV在肝细胞中的复制周期，构建了一个新的现象学模型来模拟cccDNA的动力学行为，假设仅存在从头感染。第3节分析了所提出的cccDNA动力学模型的动态行为。第4节讨论了该模型的临床应用。最后，第5节进行了简要总结。

模型部分

建模

根据HBV在肝细胞中的复制周期[21]，图1展示了感染肝细胞中cccDNA的简化循环过程。因此，我们可以用以下动力学过程大致模拟cccDNA在肝细胞中的增殖和循环。一旦HBV颗粒通过内吞作用进入肝细胞并脱壳后，在HBV聚合酶的帮助下，会释放出初始的松弛环状DNA（rcDNA），这里a₁代表感染rcDNA的清除和反馈率

cccDNA动力学模型的动态行为

在本节中，我们首先推导出cccDNA的基本再生率。然后，分析了平衡状态的存在性和稳定性。由此得到了发生向前分岔和向后分岔的条件。

研究设计和参与者

这是一项在中山大学第七附属医院进行的回顾性研究。我们筛选了数据库中首次就诊时未接受治疗且定期到我们医院传染病门诊就诊的CHB患者记录。所有患者都开始接受Peg-IFN治疗。预计这些患者会遵守治疗方案，并在每次就诊时进行实验室检测。本研究是在

讨论

在本研究中，我们提出了一个用于模拟感染肝细胞中cccDNA动态的新动力学模型。我们得出了cccDNA的基本再生率以及平衡状态的存在性和稳定性。分岔分析表明，如果肝细胞复制cccDNA的能力大于cccDNA生成病毒颗粒的能力，则可能发生向后分岔。此外，临床数据用于验证该模型。与实现临床SNC的患者相比

CRediT作者贡献声明

黄秋林：撰写——初稿、验证、软件开发、方法论、研究设计、数据分析、数据整理。李强：撰写——初稿、验证、方法论、资金筹集、数据分析。黄在堂：验证、监督、资源提供。王玉明：验证、监督、资源提供。黄光宇：验证、监督、资源提供、研究设计、数据分析、概念构思。王凯发：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们非常感谢两位匿名审稿人的宝贵意见和建议。本研究得到了国家自然科学基金 [12171396、12071381、32171152]的支持。