Otro paso adelante en la lucha contra la lumbalgia: Integración de experimentos y métodos computacionales
Esquema de representación del disco intervertebral en el que se integra la visión del órgano hasta los niveles subcelulares. Crédito: UPF
La lumbalgia es el problema musculoesquelético más extendido en la población, con un gran impacto económico y social. Según datos de 2017, los años de vida con discapacidad por lumbalgia han aumentado en más de un 50% desde 1990, especialmente en países de bajos y medianos ingresos. Además, es la principal causa de ausentismo de los empleados, y la dificultad de establecer un diagnóstico claro limita las opciones de tratamiento, que suelen centrarse en el tratamiento del dolor, sin poder proponer posibilidades de curación del problema. Como resultado, las personas que sufren de dolor lumbar crónico a menudo son malinterpretadas. La dificultad para los profesionales de la salud es que las causas del dolor lumbar son múltiples y son difíciles de identificar. La degeneración de los discos intervertebrales lumbares suele causar más de un tercio de los dolores lumbares. Si bien una mejor comprensión de esta degeneración puede traer grandes beneficios para el tratamiento y manejo de la enfermedad, la degeneración de los discos intervertebrales lumbares es altamente multifactorial y los mecanismos son poco conocidos, a pesar de los avances en la investigación experimental y clínica.
Investigadores del área de Biomecánica y Mecanobiología (BMMB) de la Unidad de Investigación en Ingeniería Biomédica de la UPF BCN MedTech, dirigidos por Jerme Noailly, llevan más de diez años trabajando en el desarrollo de modelos informáticos que puedan reflejar los mecanismos asociados a la degeneración del disco intervertebral. Estos modelos combinan mecánica y biología. Permiten generar información que no es directamente medible, para descubrir palancas que pueden ralentizar o desactivar los procesos degenerativos que se producen además de los efectos del envejecimiento natural en algunas personas. En los últimos años se han inspirado en el modelado utilizado en biología de sistemas para crear un modelo informático para comprender las complejas interacciones celulares que tienen lugar dentro de los discos intervertebrales. Los resultados se han publicado en la revista Frontiers in Bioengineering and Biotechnology y forman parte de la tesis doctoral de la investigadora Laura Baumgartner.
Los discos intervertebrales son grandes sacos gelatinosos compuestos en gran parte por agua, hasta el 80% del volumen en el Area Central. Como esponjas, si pierden agua son aplastadas por la presión que ejerce el cuerpo. La deshidratación de los discos es común en casos de degeneración y actualmente no existe un tratamiento para rehidratar los tejidos afectados. Investigadores de la UPF están intentando entender los motivos y la dinámica de esta deshidratación y degeneración.
“El estudio integrado de todos los estímulos a nivel experimental es muy complicado y supone un coste económico muy elevado, pero la combinación con la investigación permite aproximaciones de las respuestas celulares individuales en un entorno complejo»
«El objetivo de nuestros modelos es ver qué actividad hay en las células en diferentes regiones del tejido central del disco intervertebral, el núcleo pulposo, donde se supone que comienzan los procesos degenerativos», explica Baumgartner. «Nuestro objetivo es integrar el efecto combinado de varios estímulos en la actividad celular y ver qué efectos tienen».
Las células del disco intervertebral responden a una gran cantidad de estímulos. Estos estímulos están en gran medida regulados por la carga mecánica provocada por la actividad física de una persona. Por un lado, la célula siente esta carga en la superficie, y por otro lado, estas cargas también afectan las concentraciones de estímulos bioquímicos en el ambiente celular, como el ambiente inflamatorio, el ambiente nutricional, etc.
«El estudio integrado de todos los estímulos a nivel experimental es muy complicado e implica un costo financiero muy alto», continúa Baumgartner, «pero la combinación con la investigación computacional permite aproximaciones de las respuestas de células individuales en un entorno complejo».
Los investigadores han desarrollado una metodología verdaderamente interdisciplinar, que esperan ver cada vez más replicada, y que consiste en la gestión integrada del trabajo experimental con muestras in vitro, y el trabajo de modelado con métodos matemáticos y computacionales (in silico).
Para realizar los experimentos in vitro, Baumgartner pasó cuatro meses en el Laboratorio de Tecnología Ortopédica de la Universidad ETH de Zúrich. Examinó el comportamiento celular bajo diferentes variables, como varios niveles de concentración de glucosa, y midió la producción de factores inflamatorios, la expresión génica de las proteínas estructurales que componen los tejidos del disco intervertebral, la de las enzimas que se encargan de degradar estos proteínas estructurales y, finalmente, viabilidad celular (el número de células vivas que existen).
«Al combinar de manera óptima dos disciplinas de investigación, podemos lograr una metodología eficiente para comprender regulaciones muy complejas en un tejido, lo que, en última instancia, aumenta nuestra comprensión de los procesos degenerativos».
La integración de datos de estos experimentos in vitro fue crucial para refinar el modelo computacional. «Al combinar de manera óptima dos disciplinas de investigación, podemos lograr una metodología eficiente para comprender regulaciones muy complejas en un tejido, lo que en última instancia aumenta nuestra comprensión de los procesos degenerativos», afirma Baumgartner.
El próximo paso para el investigador es agregar más tipos diferentes de estímulos, incluido el impacto de los estímulos mecánicos. El laboratorio de Noailly lleva años desarrollando modelos informáticos de diferentes tejidos del cuerpo humano. En relación con el modelo en cuestión, el objetivo es integrar la respuesta celular a las cargas mecánicas que experimentamos en nuestro día a día, como dormir, caminar, conducir un coche o andar con una mochila pesada. «El resultado de la investigación de Laura es un excelente ejemplo de prueba de concepto de la nueva metodología que hemos desarrollado y nos permite transferir información experimental a parámetros adecuados para modelos computacionales. Es crucial poder pasar del laboratorio a la clínica, pero también es un gran desafío. En el futuro, los datos de contorno que le daremos al modelo serán mucho más refinados utilizando información específica de cada paciente y así, quizás, lograr un modelo personalizado para cada uno”, concluye el profesor. Noailly, investigador principal de este laboratorio de investigación y coautor de la publicación.
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El modelado in-silico ayuda con el estudio integrado del disco intervertebral en la salud y la enfermedad Más información: L. Baumgartner et al, Modelado de red basado en evidencia para simular núcleo Actividad multicelular pulposa en diferentes entornos nutricionales y proinflamatorios, fronteras en bioingeniería y biotecnología (2021). DOI: 10.3389/fbioe.2021.734258 Proporcionado por Universitat Pompeu Fabra – Barcelona Cita: Otro paso adelante en la lucha contra el dolor lumbar: Integración de experimentos y métodos computacionales (21 de diciembre de 2021) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-12-pain-methods.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.