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Reportaje destacado

Financiado con arreglo a: FP6-IST

Grandes logros de proyectos - Modelización a múltiples escalas aplicada a la salud

La labor realizada por un proyecto europeo ha ayudado a la comunidad científica a obtener un conocimiento más preciso de una grave enfermedad cardiaca coronaria y, a la vez, ha allanado el camino para la elaboración de modelos a múltiples escalas en una amplia gama de disciplinas biomédicas.
Grandes logros de proyectos - Modelización a múltiples escalas aplicada a la salud
La formación de placas en la arteria coronaria puede impedir el suministro suficiente de oxígeno al corazón. Además, dichas placas pueden acabar taponando una arteria y provocar un ataque al corazón.

El procedimiento ordinario para remediar esta afección es la angioplastia, que consiste en ensanchar, por medios mecánicos, un vaso sanguíneo que se ha estrechado u obstruido. A continuación el cirujano debe romper dicha placa para que se reanude el flujo sanguíneo, pero en algunos casos la arteria intervenida no es capaz de mantenerse abierta por sí sola y necesita algún tipo de soporte. En estos casos se inserta una endoprótesis o stent, la cual queda fija en la arteria y la mantiene abierta.

A raíz de la intervención, en la arteria del paciente queda una herida que precisa un tiempo de curación. En la mayoría de los casos crecen tejidos en torno a la endoprótesis y el paciente puede vivir con salud, pero el 10 % de los casos tienen una evolución desfavorable porque se forman tejidos en el interior de la arteria.

Esta dolencia se llama reestenosis intra-stent (RIS), que consiste en el desarrollo de tejido neointimal que amenaza con volver a obstruir la arteria. Cuando esto sucede puede volver a requerirse tratamiento.

Coast («Simulación en autómatas complejos»), un proyecto financiado por la Unión Europea, se creó con el propósito de solucionar esta complicación y con la meta más amplia de construir un marco que permitiera la realización de simulaciones a múltiples escalas en múltiples disciplinas científicas.

El proyecto no se proponía mejorar la asistencia médica en sí misma, sino desarrollar un autómata complejo (CxA) capaz de simular y sintetizar modelos matemáticos complejos en un rango amplio de escalas, «desde una molécula hasta el organismo humano».

«El proyecto Coast trata sobre la modelización a múltiples escalas o MSM (multi-scale modelling)», informó Alfons Hoekstra, profesor de ciencias de la computación de la Universidad de Amsterdam y coordinador de Coast.

«Hace unos diez años nos percatamos de que en la ciencia, la biología y la sanidad estamos acostumbrados a estudiar los sistemas a determinada escala, digamos en una magnitud de aumento concreta de nuestros microscopios. Enfocamos los órganos, tejidos y células y tratamos de comprender el organismo a escalas distintas. Desde que se desentrañó el genoma humano hemos tenido la oportunidad de realizar análisis desde el nivel molecular hasta el nivel del organismo humano al completo. Se trata de complejos procesos que ocurren a escalas diferentes», explicó.

El logro de una mejor comprensión de la RIS (y en último término el hallazgo de un tratamiento más eficaz) se escogió como ejemplo de aplicación biomédica difícil que abarca múltiples escalas con el fin de comprobar la viabilidad de construir un marco en el que efectuar simulaciones a múltiples escalas y en disciplinas científicas distintas. «Así pues, todo el proyecto Coast está centrado en la RIS», señaló el Sr. Hoekstra. «Se trata de una aplicación muy complicada. Contiene todas las variantes distintas de correspondencias a multiescala que uno pueda imaginar.»

Para estudiar con exactitud el funcionamiento del cuerpo humano, los científicos podrían tratar de simular cada una de las células del mismo, y cada proteína de las células, para ver lo que ocurre. El inconveniente estriba en que no hay ordenador en el mundo capaz de asumir esa tarea. Una solución posible sería tratar los distintos apartados a una escala más gruesa, es decir, en bloques más grandes, pero entonces no se obtendría toda la información necesaria para analizar los procesos de forma completa.

Los responsables de Coast se propusieron proceder de ambas maneras: generar simulaciones a pequeña y gran escala, hacerlas funcionar simultáneamente y, de algún modo, establecer correspondencias. Éste ha sido el principal cometido del proyecto comunitario Coast.

Así pues, aunque Coast tenía un objetivo específico relacionado con la RIS, también se proponía solucionar una cuestión más amplia: si puede emplearse un modelo para simular varias partes del cuerpo y posibilitar la cooperación interdisciplinaria.

Recurrir al músculo

Para resolver todos estas correspondencias a múltiples escalas, el equipo del proyecto creó una herramienta computacional llamada «Muscle» (en inglés, «músculo», acrónimo de «Multiscale coupling library and environment», o «Entorno y biblioteca para correspondencias a múltiples escalas») diseñada para la simulación de modelos a multiescala. Además, para estudiar la RIS, el equipo definió y elaboró modelos individuales a escala única de los subprocesos biológicos y físicos involucrados. Seguidamente Muscle integraba estas complejas interacciones conforme a sus distintas escalas espaciotemporales.

«En la MSM se suele disponer de modelos de escala única», explicó el Sr. Hoekstra. «Se tienen por separado y lo que se quiere es pegarlos; Muscle viene a ser el pegamento. A continuación el mapa de separación de escalas proporciona una representación gráfica que ayuda a los biólogos a organizar los conocimientos, de tal forma que Coast es también una herramienta de modelización cualitativa.»

Muscle tiene código libre y está a disponibilidad de cualquier investigador.

El marco desarrollado en Coast se empleó para tratar de comprender mejor el proceso de RIS. «Ahora nuestras simulaciones nos permiten comprobar hipótesis acerca de cuestiones sencillas, por ejemplo por qué se produce la RIS y cuándo se detiene», indicó el Sr. Hoekstra. Esta labor de comprobación de hipótesis sirve de orientación a los biólogos para diseñar nuevos experimentos más certeros que permitan una comprensión más profunda de la RIS.

El humano fisiológico virtual

La labor de Coast en torno a la RIS contribuye a un objetivo científico mucho más amplio: el desarrollo de un modelo de humano fisiológico virtual (VPH). En la actualidad se está financiando un gran número de investigaciones de TIC dedicadas a este concepto, y de hecho ya hay en marcha una gran red de excelencia dedicada a esta misma meta. Gracias a la financiación comunitaria, Europa cuenta con una importante comunidad de especialistas en el VPH.

El VPH representa un marco metodológico y tecnológico que hará posible la realización de investigaciones colaborativas acerca del cuerpo humano como sistema complejo y único. El VPH resultará de la integración de modelos informáticos de las funciones mecánicas, físicas y bioquímicas de un cuerpo humano vivo.

«El plan del VPH en su conjunto plantea una dificultad formidable desde la perspectiva de las TIC», aseguró el Sr. Hoekstra. «De ahí el interés en la RIS, pues supone una aplicación relacionada con el VPH. Es la comunidad científica dedicada al VPH la que está dando empuje a todas estas ideas. Considero que el VPH se engloba en la "visión de la salud para las TIC" y que empieza a verse una unificación de grupos.»

El Sr. Hoekstra calcula que en la actualidad debe haber en marcha cerca de quince proyectos sobre el VPH financiados por la UE. «Este tema ha despertado un gran interés y se están elaborando modelos para tratar de comprender la fisiología humana y mejorar la salud», declaró. «Se puede resumir en dos máximas: de la molécula al organismo humano, o del ADN a la enfermedad.»

Donde mejor se puede ahora sacar partido al trabajo de base realizado por Coast es en el seno de la comunidad dedicada al VPH, pues en ella es donde mejor se está asimilando la investigación en el campo de las TIC. «Lo principal es que los modelos ya están validados», subrayó el Sr. Hoekstra. «Coast tocó a su fin, pero otros proyectos han tomado el relevo. Por ejemplo, el proyecto Meddica ("Diseño de dispositivos médicos para aplicaciones cardiovasculares") está dedicado a la mejora de dispositivos médicos como válvulas cardiacas artificiales, "stents", etc.»

El futuro

En opinión del Sr. Hoekstra, el proyecto Coast ha desarrollado la ciencia hasta un punto en el que los investigadores ya pueden empezar a marcar las diferencias en la modelización a escalas múltiples y en diversas aplicaciones de salud humana.

«Es hora de ampliar esta aplicación a otros sistemas aparte del coronario», afirmó. «En Coast no se habló con empresas, pero en Meddica sí se hará. Ahora estamos en disposición de reunirnos con empresas y tratar sobre nuestros hallazgos. Antes no estábamos preparados.»

En octubre de 2010 dará comienzo un nuevo proyecto que dispondrá hasta 2013 para dar con los ordenadores más adecuados para ejecutar modelos a multiescala basándose en los paradigmas desarrollados por Coast. Los trabajos requerirán la interconexión de ordenadores distribuidos por Europa y precisarán la colaboración entre investigadores dedicados a disciplinas tan dispares como la fusión, los nanomateriales, la hidrología y el VPH.

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