Un equip de recerca, liderat per la Universitat Pompeu Fabra (UPF) amb la col·laboració de l’Hospital del Mar, ha creat una base de dades única al món amb 16.807 models virtuals tridimensionals diferents de la columna vertebral, específicament de la part toràcica i lumbar, a partir de sistemes computacionals. Es tracta d’un projecte de ciència oberta i la base de dades s’ha compartit amb tota la comunitat científica a través del repositori europeu de recerca Zenodo. Gràcies al projecte Europeu Disc4All, liderat per la UPF, aquests models també es poden visualitzar i descarregar a través de l’aplicació Spineview, codesenvolupada per la UPF i l’empresa InSilicoTrials.

La creació d’aquesta base de dades forma part d’una recerca destinada a avançar en el diagnòstic i tractament personalitzat de les deformitats de la columna vertebral, alineant-se amb la tendència creixent cap a la medicina personalitzada. Aquesta deformitat, amb una alta prevalença entre la població adulta, provoca que la curvatura de la columna en relació a la pelvis no sigui l’adequada, produint l’anomenat desequilibri sagital. Si el pacient se sotmet a una operació, el risc de complicació postquirúrgica d’origen mecànic no és menor i existeix una gran necessitat de millorar el pronòstic i la planificació personalitzada. 

Els resultats d’aquesta recerca s’han publicat recentment a la revista Scientific Data (Nature). A més de la Unitat de Recerca BCN MedTech del Departament d’Enginyeria de la UPF i de l’Hospital del Mar, l’estudi ha comptat amb la participació d’investigadors de dues institucions italianes: la companyia tecnològica InSilicoTrials de Trieste i el IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi de Milà.

Cap a diagnòstics i tractaments més precisos per a la deformitat de la columna

Aquest estudi respon a la necessitat de crear models efectius i validats científicament per analitzar les deformitats de la part toracolumbar de la columna, que no estaven disponibles fins ara. “A partir de la base de dades que hem creat, es podran generar models computacionals personalitzats de la part toracolumbar d’un pacient concret i realitzar diagnòstics i plans de tractament més precisos, cosa que obra la porta a les teràpies personalitzades” – explica Jérôme Noailly, cap de l’àrea de recerca de Biomecànica i Mecanobiologia (BMMB) de la Unitat BCN MedTech de la UPF.

Com a punt de partida, la recerca ha pres com a referència un model mecànic de l’estructura estàndard de la columna vertebral, definida per estudis previs, amb les vèrtebres, els lligaments i contactes articulars amb la columna, així com els discos intervertebrals, però sense contemplar les variacions morfològiques individuals. Gràcies al model numèric dels elements finits -mètode molt utilitzat en diferents camps de l’enginyeria que discretitza en elements bàsics els components bàsics d’una estructura-, és possible calcular l’impacte que un moviment o càrrega mecànica (simulada virtualment) podria tenir sobre cadascun dels teixits presents en el model de columna i mapejats al llarg de la malla discreta. Fent un símil, es podria fer servir un mètode similar per calcular la resistència dels diferents elements d’un pont.

Partint d’aquesta estructura mecànica de la columna, “en aquesta investigació, hem generat 16.807 models personalitzats 3D de la part toracolumbar”– explica Morteza Rasouligandomani, investigador de la Unitat BCN MedTech de la UPF i primer autor de l'article. En primer lloc, es van obtenir imatges bidimensionals de la columna de 42 pacients reals mitjançant tècniques de radiologia (EOS).  En segon lloc, aquestes imatges 2D van permetre reproduir l’estructura tridimensional de l’estructura toracolumbar òssia de la columna d’aquests pacients.

Tot seguit, es va adaptar la malla estàndard d'elements finits amb els altres teixits, utilitzada com a punt de partida, a l'estructura 3D externa de la columna de cada pacient mitjançant processos numèrics de transformació de formes. Això va permetre obtenir models 3D complets, tant de l'interior com de l'exterior de la part toracolumbar de la columna d'aquests 42 pacients. Per acabar, utilitzant un sistema de modelatge estadístic, es van generar variacions d'aquests prototips fins a crear una població virtual de fins a 16.807 models de la part toracolumbar de la columna basats en diferències morfològiques interindividuals reals. La resposta biomecànica d’aquests models també s’ha validat posteriorment amb experiments que parteixen d’informació i dades de pacients donants.

Una segona recerca de la UPF crea 169 models de discos intervertebrals per avançar en el diagnòstic personalitzat del dolor lumbar crònic

En el mateix repositori europeu (Zenodo) on es poden trobar aquests models 3D de la columna i a través de la mateixa plataforma d’accés i visualització (Spineview), la Unitat de Recerca BCN MedTech de la UPF ha compartit recentment 169 models tridimensionals dels discos intervertebrals de la part toracolumbar de la columna. Aquests discos són la major estructura avascular -per on no circula sang- del cos humà, per la qual cosa actuen com una esponja per absorbir l'aigua i càrregues mecàniques, i per conduir cap a les cèl·lules residents els nutrients que provenen de les dues vèrtebres que tenen a la part superior i inferior.

Aquesta base de dades s’emmarca en una segona recerca de la UPF, exposada recentment en un article de la revista Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, que també parteix de la metodologia dels elements finits. “En aquesta investigació, analitzem com una certa càrrega mecànica fisiològica afecta els discos intervertebrals segons les morfologies locals específiques dels diferents elements que els formen i que poden variar entre pacients” – explica Estefano Muñoz-Moya, investigador de la Unitat BCN MedTech de la UPF i primer autor de l’article. Els resultats tenen gran potencial per contribuir a la personalització dels diagnòstics i teràpies de cada pacient i prevenir la degeneració dels discos intervertebrals i els seus perjudicis sobre la salut, com el dolor lumbar crònic o les hèrnies discals. Aquests discos es poden degenerar de forma lenta o accelerada i en diferents graus per diferents motius, per exemple per hàbits com el sedentarisme o el tabaquisme, o per factors genètics, però sempre en interacció amb els moviments o càrregues mecàniques que una persona desenvolupi amb freqüència.

Per a la generació dels diferents models de discos intervertebrals, s’han fet ressonàncies de la part lumbar de la columna vertebral de 36 pacients, cosa que ha permès obtenir models 3D de les formes externes i internes de 169 discos intervertebrals (entre 4 i 5 per persona). Posteriorment, s’ha seguit un procediment similar a la recerca anterior: amb processos numèrics de transformació de formes s’ha adaptat la malla d’elements finits estàndard (definida en recerques anteriors) d’un model mecànic de disc intervertebral -que representa tots els teixits de l’òrgan- a la morfologia dels discos de cada pacient. Després, s’ha calculat l’impacte que una càrrega mecànica fisiològica (simulada virtualment) tindria sobre la malla dels discos intervertebrals de diferents models de pacients reals amb les seves respectives morfologies, amb el suport de tècniques de Machine Learning.

Aquest estudi ha revelat que l’impacte de les càrregues mecàniques sobre els discos intervertebrals no depèn només de l’alçada d’aquestes estructures, la visió més estesa en medicina fins ara, sinó de la seva composició global o holística. Així, trobem que les càrregues mecàniques que es redistribueixen en els diferents teixits del disc intervertebral resulten de les interaccions entre una multitud de variables morfològiques. Per tant, alguns discos podrien tenir, de manera natural, més susceptibilitat a la degeneració que d’altres, per la particularitat dels entorns mecànics que s’hi generen, sota l’efecte del pes del cos. El coneixement d’aquestes relacions entre morfologia i càrregues mecàniques podria millorar l’explotació de tècniques d’imatge mèdica com la ressonància magnètica per definir factors de risc personalitzats.

Articles de referència:

Rasouligandomani, M., del Arco, A., Chemorion, F.K. et al. Dataset of Finite Element Models of Normal and Deformed Thoracolumbar Spine. Sci Data 11, 549 (2024). https://doi.org/10.1038/s41597-024-03351-8

Muñoz-Moya E, Rasouligandomani M, Ruiz Wills C, Chemorion FK, Piella G, Noailly J. Unveiling interactions between intervertebral disc morphologies and mechanical behavior through personalized finite element modeling. Front Bioeng Biotechnol. 2024 Jun 10;12:1384599. doi: 10.3389/fbioe.2024.1384599. PMID: 38915337; PMCID: PMC11194671.

Web amb imatges multimèdia i interactives dels models generats per les dues investigacions anteriors (part toracolumbar de la columna i discos intervertebrals):

https://spineview.upf.edu/