Un recent estudi de la Unitat de Recerca BCN MedTech de la UPF aporta un nou model computacional que simula les comunicacions entre les proteïnes dins de les cèl·lules de articulacions i permet identificar millor els factors que provoquen l’artrosi en cada pacient. La creació d’aquest model computacional és especialment rellevant, perquè els factors que provoquen aquesta patologia poden ser diferents en cada persona. Per tant, identificar quines són les causes concretes en cada cas és clau per desenvolupar futur tractaments més personalitzats i eficaços contra l’artrosi.

Aquesta recerca s’exposa a l’article “Network-based modelling of mechano-inflammatory chondrocyte regulation in early osteoarthritis”, publicat el passat 3 de febrer a la revista Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, que han elaborat conjuntament tres investigadors del Barcelona Centre for New Medical Technologies (BCN Med Tech) del Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions de la UPF (DTIC). Es tracta de Maria Segarra-Queralt, primera autora de l’article i investigadora del BCN MedTech; Gemma Piella, responsable d’aquesta Unitat de Recerca i catedràtica del DTIC; i Jérôme Noailly, que coordina l’àrea de Biomecànica i Mecanobiologia del BCN MedTech i és l’investigador principal de l’estudi.

Prop de 7 milions de persones pateixen artrosi arreu de l’Estat  

L’article se centra en l’artrosi (o osteoartritis), malaltia deguda a la pèrdua del cartílag dels articulacions, el teixit que recobreix la part final dels ossos llargs per assegurar el bon funcionament de les articulacions i esmorteir els possibles cops que poden rebre al llarg de la vida. La modalitat de l’artrosi més comuna i incapacitant és l’artrosi de genoll. Durant el desenvolupament de la malaltia, els pacients solen experimentar dolors intensos a les articulacions afectades i pèrdua de mobilitat. Això comporta que les persones amb artrosi pateixin dolor crònic, depressió o insomni i que, a causa del malestar, incrementin les seves conductes sedentàries, la qual cosa repercuteix alhora negativament en l’evolució de l’osteoartritis i d’altres malalties cròniques.

La incidència de l’artrosi tendeix a l’alça als països occidentals degut a l’envelliment de la població, ja que la seva prevalença augmenta amb l’edat, i també als estils de vida més sedentaris (que són alhora causa i conseqüència de la malaltia). A l’Estat espanyol, aquesta malaltia afecta prop de 7 milions de persones, amb el conseqüent impacte que això té sobre el sistema social, econòmic i sanitari, segons dades de la Societat Espanyola de Medicina Familiar i Comunitària facilitades per AECOSAR (Associació Espanyola amb l’Osteoporosi i l’Artrosi).

Jérôme Noailly, investigador principal de l’estudi: “amb les tècniques existents fins ara, és extremadament complex que els metges i metgesses puguin determinar les causes que han provocat l’artrosi en cada pacient i decidir el tractament més adequat segons el cas”

Actualment, només existeixen tractaments pal·liatius de l’artrosi en forma d’exercici, analgèsics o cirurgies per a la implantació de pròtesi (de genoll, maluc...). Fins ara, degut a l’origen multifactorial de la malaltia, ha estat especialment difícil trobar teràpies eficaces contra la seva progressió o per regenerar el cartílag malmès. Si bé tradicionalment el seu origen s’ha relacionat amb factors mecànics com traumatismes o sobrecàrregues, també pot estar causada per factors proinflamatoris o genètics. Les causes de caire inflamatori de l’artrosi solen estar vinculades a l’envelliment, però també a la coexistència d’altres malalties i no afecten per igual dones i homes (les dones estan més afectades). Certs tipus de malalties (per exemple, metabòliques) augmenten el risc que les cèl·lules inflamatòries de la sang s’infiltrin a les articulacions, cosa que incrementa el risc de l’aparició de l’artrosi. Els factors proinflamatoris, que alhora apareixen a l’articulació, contribueixen a la degradació del cartílag i a la intensificació del dolor, que pot conduir a processos de sensibilització del sistema nerviós central, difícils de controlar. En resum, existeixen molts factors que predisposen més unes persones que d’altres a patir l’artrosi i el dolor serà diferent per a cada persona. Per tant, també haurien de ser diferents les estratègies terapèutiques a seguir en cada cas.

En aquest sentit, Jérôme Noailly, investigador principal de l’estudi, exposa: “amb les tècniques existents fins ara, és extremadament complex que els metges i metgesses puguin determinar les causes que han provocat l’artrosi i el dolor en cada pacient i decidir el tractament més adequat segons el cas. Noailly afegeix: ”fins al moment als metges i metgesses els costa molt diferenciar si un símptoma principal de la malaltia, com el dolor crònic, és neurogènic o d’origen inflamatori”. Alhora, tampoc no s’ha pogut definir fins ara el perfil mecànic de cada pacient, és a dir, com impacten sobre les cèl·lules del seus cartílags articulars els moviments mecànics (sobrecàrregues, torsions...). El coneixement del perfil mecànic de cada pacient també és fonamental per personalitzar les teràpies a les necessitats de cada  pacient, perquè la reacció de les cèl·lules del cartílag als estímuls bioquímics depèn de les carregues mecàniques.

Maria Segarra, primera autora de l’estudi: “Creiem que el nostre model és un pas més cap a la medicina personalitzada, que és la clau per abordar malalties multifactorials com l’artrosi”

Per tal d’avançar en la cerca de tractaments i medicaments més eficaços i personalitzats contra l’artrosi, la recerca dels investigadors del BCN MedTech de la UPF planteja un model per avaluar àgilment, a partir d’un escaneig ràpid, quin és el perfil biològic i mecànic de cada pacient i quin tipus de teràpia li pot funcionar millor. “Podríem obtenir una mena de empremta del perfil biològic de cada pacient que augmentaria la capacitat de diagnòstic clínic. Per tant, creiem que el nostre model és un pas més cap a la medicina personalitzada, que és la clau per abordar malalties multifactorials com l’artrosi” –  exposa Maria Segarra, primera autora de l’estudi.

La definició d’aquest model es basa en examinar com impacten els estímuls mecànics i inflamatoris sobre les cèl·lules del teixit cartilaginós de les articulacions (o condròcits). Per relacionar l’estat d’aquestes cèl·lules amb els factors mecànics i inflamatoris, s’ha desenvolupat un model computacional basat en xarxes, que integra gran quantitat de coneixement de la biologia del cartílag articular per simular comportaments mecanobiològics. Els 118 nodes de la xarxa representen proteïnes i altres molècules importants per la regulació de l’activitat dels condròcits i les 300 interaccions, les accions de les molècules les unes sobre les altres. 

A través d’aquest model computacional, s’ha estudiat el comportament dels condròcits en quatre casos: sota condicions homeostàtiques, que representen situacions sanes o segures; sota condicions proinflamatòries; en situacions mecàniques adverses (postures estàtiques, compressions, torsions...) i quan s’aplica una teràpia regenerativa de caire antiinflamatori. També s’ha fet una anàlisi de sensitivitat per determinar quina d’aquestes situacions afecta més el metabolisme dels condròcits, sigui de forma positiva o negativa.

Les principals novetats que aporta l’estudi sobre les causes de l’artrosi

L’estudi aporta quatre novetats rellevants pel que fa a les causes generals que poden provocar o aguditzar l’artrosi. En primer lloc, la recerca ha conclòs que les molècules proinflamatòries (les denominades citocines proinflamatòries) són les que en major mesura causen i fan progressar la malaltia. En segon lloc, ha pogut constatar que les conductes sedentàries (o altres situacions en què els cartílags reben càrregues mecàniques de baixa intensitat però estàtiques i prolongades en el temps) afavoreixen el dolor d’origen inflamatori derivat de l’artrosi. En tercer lloc, ha determinat que els tractaments de l’artrosi basats amb molècules antiinflamatòries del propi pacient poden ajudar a disminuir els senyals de dolor d’origen inflamatori. En quart lloc, l’estudi indica que les sobrecàrregues mecàniques (per exemple, pels excessos de pes) inhibeixen el potencial regeneratiu del cartílag.

Aquesta recerca s’ha realitzat amb el suport i finançament de la Generalitat de Catalunya i la Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca (beca 2020 FI B 00680), el Ministeri de Ciència i Innovació de l’Estat espanyol (MICINN) i la Agència Española de Recerca (AEI) a traves del projecte de generació de coneixement STRATO (PID2021-126469OB-C21), la Comissió Europea i el European Research Council (ERC) a través dels projectes Disc4All (MSCA- 2020-ITN-ETN GA: 955735) i O-Health (ERC-2021-CoG-101044828).

Article de referència:

“Network-based modelling of mechano-inflammatory chondrocyte regulation in early osteoarthritis”

Maria Segarra-Queralt, Gemma Piella i Jérôme Noailly

Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 3 de febrer de 2023

DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1006066