El proyecto O-Health para prevenir y anticipar los factores de riesgo de la Enfermedades No transmisibles (ENT) como la aterosclerosis, la degeneración de los discos intervertebrales, la artrosis de rodilla o el enfisema pulmonar contará con una beca Consolidator Grant (CoG) del Consejo Europeo de Investigación (ERC). El investigador de la UPF que dirige este proyecto, Jérôme Noailly, ha recibido la CoG, una beca de prestigio para proyectos novedosos, de alto riesgo y con alto potencial de impacto científico o tecnológico para ayudar a los directores de grupo a establecer nuevos equipos de investigación. 

Con una financiación de 2 millones de euros por cinco años, Noailly ha sido uno de los 19 seleccionados en España, ocho en Cataluña, en su convocatoria (ERC-2021-CoG), siendo O-Health el único proyecto español otorgado por el panel Ingeniería de Productos y Procesos (PE8) del ERC.

Las Enfermedades No Transmisibles (ENT) se producen por una combinación de factores, como la predisposición genética o los factores fisiológicos, ambientales, de conducta y la edad. Algunos ejemplos de enfermedades de este tipo son los desórdenes musculo esqueléticos, las enfermedades respiratorias crónicas, las enfermedades cardiovasculares, el cáncer y los desórdenes metabólicos, entre otras.

Noailly explica que el proyecto quiere avanzar en la prevención de enfermedades complejas de diagnosticar dada la invisibilidad de sus primeros síntomas

El proyecto O-Health trata de avanzar en la prevención de estas enfermedades para dar respuesta a las dificultades que presenta su diagnóstico en la fases más tempranas de su desarrollo. Los mecanismos patofisiológicos asociados a estas enfermedades pueden empezar varios años antes de que se manifiesten sus síntomas y se llegue a un diagnóstico clínico.  “Su evolución subclínica, es decir invisible, puede ser muy lenta hasta que aparezcan los primeros síntomas”, precisa el profesor Jérôme Noailly, quien lidera el área de Biomecánica y Mecanobiología del Centro Barcelona para las Nuevas Tecnologías Médicas (BCN MedTech), de la UPF.

Las ENT que involucran órganos que soportan cargas mecánicas, como arterias, articulaciones o pulmones involucran mecanismos de desarrollo silencioso particularmente complejos. Las células de los tejidos de dichos órganos son mecano-sensitivas; es decir que tienen la capacidad de sentir y responder a las cargas mecánicas. “En un entorno biológico normal, esta mecano-sensibilidad permite a las células mantener el tejido en un estado plenamente funcional”, explica el investigador. “En cambio, en presencia de perturbaciones biológicas, como por ejemplo las debidas a variantes genéticas o a desordenes metabólicos, los cambios de interacción entre biología y mecánica no se pueden medir directamente y son difíciles de inferir sólo a través de exploraciones clínicas. Además, el estilo de vida de una persona es un factor añadido que afecta tanto a la mecánica diaria del cuerpo como a su regulación biológica. Existe, por lo tanto, una gran necesidad de describir e interpretar una complejidad que no hemos sido capaces de medir hasta ahora” – expone Noailly.

Con los medios actuales de exploración de la salud, esta invisibilidad dificulta la prevención y el diagnóstico precoz de las ENT. Esto ha propiciado un aumento del periodo de tiempo durante el cual las personas que contraen estas enfermedades viven con algún tipo de discapacidad, y más teniendo en cuenta que ha aumentado la esperanza de vida. Además, hay que tener en cuenta el aumento de la incidencia de las ENT en todo el mundo durante los últimos 20 años. De acuerdo con las últimas métricas globales de salud publicadas (GBD 2019) públicas, las ENT ocupaban el 70% del top 10 de las enfermedades más letales y discapacitantes entre la población mundial de entre 25 y 49 años. Las que tienen más incidencia son las enfermedades cardiovasculares (en 3ª posición), seguidas de las lumbalgias (en 4º lugar).

El proyecto O-Health aborda el problema de comprender el desarrollo de enfermedades como la aterosclerosis, la degeneración de los discos intervertebrales, la artrosis de rodilla y el enfisema pulmonar en su fase silenciosa

El proyecto O-Health aborda el problema de comprender el desarrollo de las ENT en su fase silenciosa y representa un paso más en las investigaciones llevadas a cabo hasta ahora por Noailly. El investigador lleva más de 20 años desarrollando y usando el modelado in silico multiescala, que consiste en integrar conocimiento, datos e hipótesis en modelos matemáticos que se resuelven vía técnicas de cálculo computacional. “Nuestra investigación previa en los campos de la degeneración del disco intervertebral, de la artrosis de rodilla, del enfisema pulmonar y de la aterosclerosis, nos lleva a pensar que el modelado in silico multiescala sí permite esta comprensión de la relación entre dinamismos celulares y ENT que afectan a órganos específicos, al analizar los efectos cruzados de entornos biológicos y mecánicos cambiantes.

Con el proyecto O-Health se avanza más en este campo de investigación para “tener en cuenta que el cuerpo entero es un sistema donde los órganos están interconectados”, expone Noailly. O-Health propone un nuevo tipo de modelado computacional transversal, que represente la interacción entre modelos específicos de ENT a través de la circulación sanguínea sistémica. Los modelos específicos de ENT que estarán “conectados” al modelo transversal serán la aterosclerosis, la degeneración de los discos intervertebrales, la artrosis de rodilla y enfisema pulmonar.

En cada uno de estos modelos, llamados modelos verticales, las células son mecano-sensitivas. La combinación de modelos físicos de deformación de los órganos y tejidos, con modelos de biología computacional a pequeña escala, permitirá integrar las influencias cruzadas de la mecánica y de la biología sobre la evolución positiva o negativa de las células.

Gracias a ello, se podrán anticipar los factores de riesgo de las ENT mucho antes de que los tejidos acaben alterados funcionalmente, de manera que se espera reducir el tiempo en que las personas afectadas por estas enfermedades sufran discapacidades a consecuencia de ellas. Los modelos de biología de sistemas de cada modelo vertical de ENT comunicarán con el modelo sistémico transversal, permitiendo relacionar los factores de riesgo con el balance global de la salud del cuerpo. En particular, las múltiples interacciones con el modelo transversal facilitarán, por primera vez, tener en cuenta la influencia de desórdenes metabólicos, desajustes hormonales y desequilibrios del sistema inmune.

El proyecto O-Health “simula todo el cuerpo a través de variables sistémicas presentes en la inflamación de bajo grado, la regulación hormonal y la regulación metabólica”

“O-Health es una propuesta de integración escalable de modelos de ENT que no tiene precedentes y simula todo el cuerpo a través de variables sistémicas presentes en la inflamación de bajo grado, la regulación hormonal y la regulación metabólica”, dice Noailly. “Por ejemplo, ya existen modelos cardíacos y vasculares que permiten interpretar los electrocardiogramas hasta el detalle de la electrofisiología cardíaca o simular la circulación sanguínea de un cuerpo completo. Si estos modelos se acoplan al sistema O-Health, alcanzarían un impacto mucho más allá del alcance de una enfermedad específica”.

A nivel tecnológico, todos los modelos de O-Health estarán diseñados para ser interoperables, permitiendo visionar un sistema plug and play (que solo requiere ser conectado para ser utilizado) de modelos verticales de ENT producidos por otros grupos de investigación, conectables todos al modelo transversal sistémico. La interoperabilidad del modelo transversal estará diseñada para mejorar, con el tiempo, las descripciones de las funciones metabólicas, endocrinas e inmunológicas que participan en la comunicación sistémica.

Colaboraciones con centros internacionales que trabajan con datos biológicos y clínicos

El desarrollo de O-Health requiere también datos biológicos y clínicos para su calibración y validación. El proyecto prevé colaborar con grandes cohortes poblaciones como Twins UK y las Northern Finland Birth Cohorts y la ciencia de datos será uno de los aspectos centrales de O-Health, tanto para el desarrollo de la tecnología como para su uso. En particular, los modelos basados en datos de O-Health serán claves para que el conjunto de las simulaciones sea personalizable según datos de hábitos de vida, sexo, edad y comorbilidades conocidas.

El sistema O-Health será accesible e integrará conocimientos acumulados durante 20 años de investigación

El sistema O-Health será accesible a través de una interfaz web, conectada a un conjunto de ordenadores, sincronizados entre sí y especializados para el modelado morfológico de órganos, el cálculo de mecánica de órganos y tejidos, el cálculo de biología computacional y la gestión y minería de datos.

“O-Health es una visión de futuro que integra conocimientos acumulados durante unos 20 años de investigación propia, de otros investigadores de BCN MedTech, y durante décadas de investigación de comunidades como la del Virtual Physiological Human, que trabajan para promover la medicina in silico, personalizada y predictiva”.

“Creemos que, si podemos anticipar las relaciones fisiológicas silenciosas entre varias ENT a nivel corporal en adultos jóvenes, podremos acotar los años de vida ajustados por discapacidad (AVAD) de las personas de manera drástica”

Desde el BCN MedTech, colaboraran también en el proyecto O-Health los profesores Gemma Piella y Miguel Ángel González Ballester, directores del grupo de Simulation, Imaging and Modelling for Biomedical Systems (SIMBIOsys). Son expertos en ciencia de datos, aprendizaje automático y en análisis y procesamiento de imagen médica. “Creemos que, si podemos anticipar las relaciones fisiológicas silenciosas entre varias ENT a nivel corporal en adultos jóvenes, podremos acotar los años de vida ajustados por discapacidad (AVAD) de las personas de manera drástica”, concluye Noailly.