Vés enrere

Un pas més en la lluita contra la lumbàlgia: integrar experiments i mètodes computacionals

Un pas més en la lluita contra la lumbàlgia: integrar experiments i mètodes computacionals

La recerca de Laura Baumgartner, de la Unitat BCN MedTech, combina investigació experimental amb tècniques matemàtiques i computacionals per predir la degeneració del disc intervertebral.

29.11.2021

Imatge inicial

El dolor de columna lumbar és el problema musculoesquelètic més estès a la població, amb un gran impacte econòmic i social. Segons dades del 2017, els anys viscuts amb discapacitat causada pel dolor lumbar han augmentat en més del 50% des del 1990, especialment als països d'ingressos baixos i mitjans. A més, és la principal causa d'absentisme laboral i la dificultat d'establir un diagnòstic clar limita les opcions de tractament, el qual se sol centrar en el tractament del dolor, sense poder proposar opcions de cura. Com a conseqüència, la gent afectada per lumbàlgia amb dolor crònic es troba moltes vegades en una situació de gran incomprensió davant d'aquest problema de salut. La dificultat per als professionals de la salut és que les causes de lumbàlgia són múltiples i difícilment identificables. La degeneració dels discos intervertebrals lumbars sol causar més d'un terç de les lumbàlgies. Si bé entendre millor aquesta degeneració pot aportar grans beneficis per al tractament i la gestió de la malaltia, la degeneració dels discos intervertebrals lumbars és extremadament multifactorial i els mecanismes molt pocs compresos, malgrat els progressos en recerca experimental i clínica.

Investigadors de l'àrea de Biomecànica i Mecanobiologia (BMMB) de la Unitat de Recerca en enginyeria biomèdica BCN MedTech de la UPF, dirigida per Jerome Noailly, fa més de deu anys que treballen en el desenvolupament de models per ordinador que puguin reflectir els mecanismes associats a la degeneració dels discos intervertebrals. Aquests models conjuguen mecànica i biologia. Permeten generar informació no directament mesurable, per descobrir palanques que puguin frenar o desactivar els processos degeneratius que tenen lloc a més dels efectes de l'envelliment natural en certes persones. En els darrers anys s'han inspirat en el modelatge utilitzat en biologia de sistemes per crear un model per ordinador per entendre les complexes interaccions cel·lulars que tenen lloc a l'interior dels discos intervertebrals. Els resultats s’han publicat a la revista Frontiers in Bioengineering and Biotechnology i formen part de la tesi doctoral de la investigadora Laura Baumgartner.

Els discos intervertebrals són grans sacs gelatinosos compostos en un gran percentatge per aigua, fins al 80% del volum a la zona central. Com unes esponges, si perden aigua s'aixafen per la pressió exercida pel cos. La deshidratació dels discos és comuna en cas de degeneració i, actualment, no hi ha un tractament per tornar a hidratar els teixits afectats. Els investigadors de la UPF estan intentant comprendre les raons i dinàmiques d'aquesta deshidratació i degeneració.

"L'estudi integrat de tots els estímuls a nivell experimental és molt complicat i amb un cost econòmic molt alt, però la combinació amb la investigació computacional ens permet aproximar la resposta cel·lular a un entorn complex."

“L'objectiu dels models que fem és veure quina activitat hi ha a les cèl·lules a diferents regions del teixit central del disc intervertebral, el nucli pulpós, on s'assumeix que comencen els processos degeneratius”, explica Baumgartner. "El que pretenem és integrar l'efecte combinat de diversos estímuls a l'activitat cel·lular i veure quins efectes tenen".

Les cèl·lules dels discos intervertebrals responen a una gran quantitat d'estímuls. Aquests estímuls estan regulats en gran mesura per la càrrega mecànica causada per l’activitat física duna persona. D'una banda, la cèl·lula sent aquesta càrrega a la superfície, i de l'altra, aquestes càrregues afecten també les concentracions d'estímuls bioquímics al contorn cel·lular, com l'entorn inflamatori, el nutricional, etc.

"L'estudi integrat de tots els estímuls a nivell experimental és molt complicat i amb un cost econòmic molt alt", continua Baumgartner, "però la combinació amb la investigació computacional ens permet aproximar la resposta cel·lular a un entorn complex."

Els investigadors han dut a terme una metodologia veritablement interdisciplinària, que esperen veure replicada cada cop més, que consisteix en el maneig integrat del treball experimental amb mostres in vitro, i el treball de modelatge amb mètodes matemàtics i computacionals (in silico).

Per realitzar els experiments in vitro, Baumgartner va fer una estada de quatre mesos al Laboratori de Tecnologia Ortopèdica de la Universitat ETH Zurich. Hi va examinar el comportament cel·lular davant de diferents variables, per exemple enfront diversos nivells de concentració de glucosa, i va mesurar la producció de factors d'inflamació, l'expressió gènica de les proteïnes estructurals que conformen els teixits del disc intervertebral, la d'enzims que s'encarreguen de degradar aquestes proteïnes estructurals i, finalment, la viabilitat cel·lular (el nombre de cèl·lules vives que hi ha).

"Combinant d'una manera òptima dues disciplines de recerca, aconseguim tenir una metodologia eficient per entendre regulacions molt complexes en un teixit, cosa que finalment augmenta la nostra entesa de processos degeneratius"

La integració de les dades d’aquests experiments in vitro va ser crucial per afinar el model computacional. "Combinant d'una manera òptima dues disciplines de recerca, aconseguim tenir una metodologia eficient per entendre regulacions molt complexes en un teixit, cosa que finalment augmenta la nostra entesa de processos degeneratius", declara Baumgartner.

El pas següent de la investigadora és afegir més tipus diferents d'estímuls, inclosos l'impacte dels estímuls mecànics. Al laboratori de Noailly fa anys que desenvolupen models computacionals de diferents teixits del cos humà. Amb relació al model en qüestió, l'objectiu és integrar la resposta cel·lular a càrregues mecàniques experimentades al nostre dia a dia, com dormir, caminar, conduir un cotxe o caminar amb una motxilla pesada a l'esquena. “El resultat de la investigació de la Laura és un exemple excel·lent d'una prova de concepte de la metodologia nova que hem desenvolupat i que ens permet traslladar la informació experimental en paràmetres adequats per a models computacionals. Poder passar del laboratori a la clínica és clau, però també és un gran repte. En un futur les dades de contorn que donarem al model es podran afinar molt més utilitzant informació específica de cada pacient i així, potser, aconseguir un model personalitzat per a cadascun”, conclou el professor Noailly, investigador principal d'aquest laboratori de recerca i coautor de la publicació.

Treball de referència:

Baumgartner L, Sadowska A, Tío L, González Ballester MA, Wuertz-Kozak K and Noailly J (2021) Evidence-Based Network Modelling to Simulate Nucleus Pulposus Multicellular Activity in Different Nutritional and ProInflammatory Environments. Front. Bioeng. Biotechnol. 9:734258. doi: 10.3389/fbioe.2021.734258

Multimèdia

Multimedia

Multimedia

Categories:

ODS - Objectius de desenvolupament sostenible:

ODS - Objetivos de desarrollo sostenible:

SDG - Sustainable Development Goals:

03. Salut i benestar
Els ODS a la UPF Los ODS en la UPF The ODS at UPF

Per a més informació

Para más información

For more information

Notícia publicada per:

Noticia publicada por:

News published by:

Unitat de Comunicació i Projecció Institucionals

Unidad de Comunicación y Proyección Institucionales

Institutional Communication and Promotion Unit