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Las simulaciones computacionales del desarrollo, homeostasis y enfermedad de tejidos virtuales en el Coloquio mensual del IFUNAM

Sofía Flores Fuentes
14/09/21

El profesor James A. Glazier, del Instituto de biocomplejidad de la Universidad de Indiana, presentó su charla titulada “Physics-based virtual-tissue computer simulations of development, homeostasis and disease”, como parte del coloquio mensual del Instituto de Física de la UNAM.

Los físicos tienen mucho que contribuir en todos los aspectos del problema del gemelo digital, desde el análisis, la modelación, hasta el diseño de los sensores.

El profesor mencionó que una de las situaciones a las que nos enfrentamos en la medicina moderna es que las intervenciones medicinales, a diferencia de los sistemas ingenieriles -como aviones o computadoras-, no están diseñadas bajo un esquema computacional. La idea de diseñar resultados biomédicos no está contemplada desde este enfoque.

Además, muchos de los tratamientos médicos están basados en poblaciones, pero no en individuos, lo que implica que los experimentos para determinar el mejor tratamiento no pueda ser replicado debido a que cada persona responde diferente y a que es difícil manejar controles. Finalmente, el cuidado médico es reactivo, más que proactivo. “Los físicos tienen mucho que contribuir en todos los aspectos del problema del gemelo digital, todo desde análisis, modelación, hasta el diseño de los sensores que se necesitan para hacer que los gemelos digitales sean una realidad, para monitorear el estado de salud de un individuo”, mencionó el doctor.

Si vamos a predecir los cambios de nuestro estado de salud debemos ser capaces de comprenderlo. Para esto, mostró el proceso de desarrollo de un individuo desde la perspectiva de formación de patrones en la dinámica de fluidos. También habló de lo difícil que es modelar y comprender la homeostasis, pues la manera en que los sistemas biológicos se construyen y reparan es la misma, pero poco comprendida. Por ejemplo, el cáncer es una falla de los procesos de reparación.

La modelación y simulación para la biología es distinta que para la física. “A los físicos les gusta modelar situaciones cuando son homogéneas, por lo que esto no funciona bien para problemas biológicos”, comentó el profesor de Ingeniería de sistemas inteligentes de la Universidad de Indiana.

Los tejidos virtuales son un intento por construir computacionalmente dicha complejidad, haciendo suposiciones simplificadoras, de lo que sucede en células individuales que forman parte de redes metabólicas, de señalización, o de regulación genética. Además de modelar el papel de una célula en un tejido, modela el ambiente extracelular, como por ejemplo la cantidad de medicamento en un tiempo dado. “La simulación virtual de tejidos se enfoca típicamente en las escalas de redes controladas, comportamiento celular, y arquitectura de tejido”, mencionó el profesor Glazier.

Otra cosa que se hace, es desarrollar software libre, algo que se ha hecho por 20 años, para diseñar estos modelos. Trabajan por hacerlos simples y que estén disponibles para todos.

A continuación, el profesor Glazier mostró distintos modelos. Comenzó por el modelo de Ising de transiciones de fase magnética, así como el de engrosamiento de espuma, para luego intentar comprender procesos biológicos.

“La pregunta básica es qué tiene en común la magnetización, el engrosamiento de espuma de jabón y los tejidos vivientes. Todos son materiales blandos, todos tienen estructura de dominio, fluctuaciones estocásticas y patrones de dominio en evolución temporal. Para representar un tejido vivo, hay que tener nociones de biofísica. La idea central es que las células son un principio organizacional en la biología. Las células serán tratadas como agentes activos. Y entonces se construyen modelos alrededor del comportamiento de las células, en función de su energía de interacción, energías que cambian su estado, y eso será la descripción de la biofísica del tejido. Debemos ser capaces de describir los patrones de configuración, las fuerzas que actúan sobre los objetos, y las dinámicas”, explicó el doctor de la Universidad de Indiana.

Posteriormente, el profesor Glazier mostró las características de algunas simulaciones en los sistemas mencionados, esto es, el modelo de Ising, el engrosamiento de la espuma jabonosa y los tejidos vivientes. Desarrolló características biofísicas y propiedades físicas a contemplar para cada una de las modelaciones todo desde las situaciones del desarrollo, la homeostasis y la enfermedad. Por ejemplo, mostró modelos sobre el crecimiento de vesículas sanguíneas y los mecanismos que llevan al acomodo en el crecimiento vascular en tumores cancerígenos o en el desarrollo embrionario; así como la neovascularización coroidea relacionada con la degeneración macular por el envejecimiento; la retinopatía diabética; la enfermedad poliquística renal autosómica dominante; o la toxicidad hepática.

El profesor concluyó con la noción de que los tejidos virtuales proveen un marco conceptual para la exploración de la manera en que las señales moleculares y mecánicas interactúan para construir y mantener tejidos vivos.