The immune system is a complex system which is composed of many cells and the web of interactions between them. To understand the immune system comprehensively, it is necessary not only to make experiments but also to make models which can explain the experimental observations. With immune system models, we can make in silco experiments and predict the result of in vivo or in vitro experimetns for further studies.
Until now, a lot of immune models were developed with differential equations or cellular automata, but they deal with one particular immune process or particular disease such as AIDS rather than the whole immune system. Although the immune response is well modeled piece by piece, to find new emergent properties in the system level, we need an integrated model. In this thesis, we made a framework for whole immune system modeling with a continuous Petri net.
To show its usefulness, we made an integrated immune model which includes innate, humoral, and cellular immune responses with our framework. With this model, we simulated immune responses against antigen or virus infection and we could reproduce experimental observations.
It is expected that many immune system models could be builded and integrated with the framework. With an integrated immune model, we could understand the immune system as a whole and find new emergent properties which could not be seen in seperate models.
면역시스템은 자기(self)와 비자기(non-self) 물질을 구분하고 비자기 물질을 제거함으로 자신을 보호하는 방어기작이다. 면역시스템은 생명체를 효과적으로 보호하기 위해 많은 면역세포와 그들간의 상호작용으로 이루어진 복잡한 시스템(complex system)이라 할 수 있다.
면역시스템을 이해하기 위해 이론적 모델을 제시하고, 이 모델을 통해 면역학적 현상을 설명하려는 노력이 있어왔다. 면역 시스템 모델링 기법으로는 differential equations과 cellular automa가 사용되어 왔다. 하지만, 이 방법으로 제안된 모델들은 전체 면역시스템의 모델을 만든 것이 아니라, 단지 특정 현상만을 설명하기위한 서브시스템에 대한 모델이었다. Differential equations을 이용해 모델을 만드는 경우 모델 시스템이 커질수록 모델이 복잡해 모델링 자체가 어렵고, cellular automata의 경우 계산적으로 비효율적이기 때문에 본 연구에서는 페트리넷(Petri nets)을 사용하여 면역시스템 통합모델을 위한 프레임워크를 구축하였다.
제안한 모델링 프레임워크의 효용성을 보이기 위해 타당성을 보이기 위해 선천적 면역시스템과 후천적 면역시스템을 포함하는 통합 모델을 만들고, 통합 모델에 대해 항원(antigen), 바이러스(virus) 등에 대한 면역반응에 대해 시뮬레이션을 수행하여, 일반적으로 받아들여지고 있는 면역학적 지식을 확인활 수 있었다.
본 연구에서 제안한 면역시스템 통합모델을 위한 프레임워크는 면역시스템의 다양한 모델을 구축하고, 통합하는 일에 일반적으로 사용할 수 있을 것으로 기대되며, 면역시스템의 통합모델은 면역시스템을 전체적으로 이해하여, 개별적인 모델에서는 볼 수 없는 특징들이 발견할 수 있을 것으로 기대된다.
