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El futuro de la investigación

Barcelona alberga un proyecto para crear corazones virtuales

El proyecto Alya Red investiga cómo crear una copia computacional de corazones humanos

La herramienta promete mejorar el estudio y el tratamiento de este órgano de manera personalizada

Valentina Raffio

Imagen de un corazón humano al lado de una recreación de la malla cardíaca y una simulación de un órgano sano, ambas ideadas por el equipo Alya Red

Imagen de un corazón humano al lado de una recreación de la malla cardíaca y una simulación de un órgano sano, ambas ideadas por el equipo Alya Red / ALYA RED

En Barcelona, una capilla del siglo XIX alberga el que podría ser el corazón del futuro. Mientras la luz se filtra por las vidrieras de la Torre de Girona, en los circuitos del superordenador Marenostrum laten miles de datos con los que se simula un corazón humano. Y es que el Barcelona Supercomputing Center (BSC-CNS) alberga a día de hoy el pulso de una iniciativa pionera para crear una copia computacional de este órgano. La sangre, los tejidos y la electricidad que caracterizan las entrañas confluyen ahora en el proyecto Alya Red, que ya ha logrado traducir el pulso vital a un lenguaje matemático.

A corto plazo, estos 'clones virtuales' servirán para mejorar la investigación sobre este órgano, testar fármacos de manera instantánea e incluso optimizar el implante de dispositivos biomédicos como los marcapasos. A largo plazo, la iniciativa promete la posibilidad de estudiar cada uno de estos procesos sobre una copia de nuestro propio corazón. Y, aunque para muchos todo esto pueda sonar un tanto frívolo, la clave está en saber que este órgano situado en el centro del aparato circulatorio varía tanto de persona a persona como las huellas dactilares.

"Con solo pulsar una tecla podremos hacer latir centenares de corazones virtuales en el superordenador para estudiar cómo reaccionará cada uno de ellos ante una enfermedad y cómo deberíamos actuar en cada caso", argumenta Alfonso Santiago, investigador del proyecto Alya Red. "En un futuro, podremos saber cómo latiría un corazón tras un infarto y en qué lugar es mejor instalar un marcapasos para que este sea realmente efectivo. Esta información es increíblemente valiosa para los pacientes, ya que asegura que los tratamientos que se les aplican van a estar diseñados a su medida y no basados en un protocolo genérico que quizás para ellos no vaya a ser efectivo", añade el bioingeniero.

El sueño de imitar la naturaleza

Tras más de una década de trabajo, los responsables del proyecto rememoran sus inicios con cierta nostalgia. Todo empezó con Mariano Vázquez y Guillaume Houzeaux, ambos investigadores del grupo CASE (High Performance Computational Mechanics). Su objetivo, crear una herramienta multifísica y multiescala para resolver problemas de ingeniería. Más adelante, aquello se convirtió en un ambicioso estudio de la electrofisiología cardíaca. Por aquel entonces, enfocando el trabajo como una investigación en ciencia básica, nadie imaginaba que el desarrollo de esta tecnología acabaría por materializarse en un corazón virtual plenamente operativo y en una una startup bautizada como 'ELEM Biotech' para llevar el proyecto en manos de quienes lo necesitan..

El logro de un 'órgano virtual', de hecho, recuerda al sueño de Leibniz, matemático contemporáneo de Newton, quien especuló con un futuro en el que se pudiera recopilar todo el conocimiento humano sobre una cuestión, expresarlo en un lenguaje universal y procesarlo de manera independiente para imitar la naturaleza. La materialización de esta fantasía filosófica reúne a día de hoy, solo en las instalaciones del BSC, los esfuerzos de más de 50 investigadores, entre ingenieros, programadores, matemáticos y físicos, ocho de ellos dedicados exclusivamente a la biomecánica del corazón. A ello habría que sumarle las décadas e investigaciones anteriores que han permitido que ahora el código del corazón pueda latir.

"En estos momentos, en Barcelona tenemos 40 corazones digitalizados. A partir de estos, podemos introducir pequeñas modificaciones para crear un repositorio virtual de estos órganos", explica Jazmin Aguado Sierra, ingeniera biomédica del proyecto Alya Red. "El objetivo es poder crear 'poblaciones virtuales' con las que probar, por ejemplo, la eficacia de un fármaco. Con esta herramienta podremos conocer los efectos de un medicamento en decenas de personas en tan solo unos meses. Esto disminuirá el tiempo y coste de los ensayos clínicos, reducirá la necesidad de experimentos con animales y, a la vez, evitará los dilemas éticos relacionados con los estudios en pacientes humanos", argumenta la investigadora.

Equipo de investigadores del proyecto Alya Red posan al lado del Barcelona Supercomputing Center (BSC-CNS) / JOAN CORTADELLAS

El futuro de la investigación 'in silico'

Como si de un problema de ingeniería se tratara, el equipo responsable del corazón virtual ha abordado el reto descomponiendo su estudio en varios problemas, solucionando cada uno de ellos de manera individual para posteriormente volver a ensamblar una imagen conjunta del órgano. El corazón, al fin y al cabo, no es más que músculo, sangre y electricidad funcionando como uno de los mayores misterios de la anatomía. De ahí que se necesiten más de 200 procesadores y cinco horas para ejecutar su simulación, una tarea tan solo posible con un superordenador.

El latido virtual de un corazón permitiría, entre otros, pasar a un nuevo paradigma de investigación. Hasta ahora, el largo camino para evaluar la efectividad de un fármaco o tratamiento pasaba por experimentos sobre células ('in vitro'), tejidos ('ex vivo'), animales cada vez más complejos ('in vivo') y finalmente en pacientes (empezando así la secuencia de ensayos clínicos). Esta herramienta podría, en un futuro cercano, trasladarse a una simulación virtual ('in silico') en la que se optimice todo este proceso ejecutando centenares de pruebas al instante. Y, dado que nada es perfecto, se podrá incluso calcular el margen de error de una manera más fiable que los métodos tradicionales.

"Los corazones virtuales supondrán una revolución en nuestra manera de entender el órgano. Su estudio nos ayudará a entender mejor tanto la salud como la enfermedad, a estudiar patologías genéticas o extremadamente raras e incluso a investigar elementos que hasta ahora desconocíamos", sentencia Aguado Sierra. "Habrá preguntas que podremos contestar antes que otras. Todo dependerá del nivel de detalle que logremos trasladar a nuestra simulación. Así que, por ahora, el reto más grande que nos podemos plantear es seguir investigando", concluye la investigadora.

¿Y si pudiéramos tener un gemelo digital?

La creación de un corazón computacional es, por ahora, tan solo el primer paso hacia un proyecto mucho más ambicioso: la creación de nuestros propios 'gemelos digitales' ('digital twins'). Este hito, claro está, se sitúa en un horizonte lejano, aparentemente más cercano a la ciencia ficción que a la realidad. Pero, por ahora, todo apunta a que los esfuerzos de la investigación se dirigen hacia la posibilidad de crear una copia virtual completa de nosotros mismos; una especie de avatar real atrapado en un superordenador con el que experimentar, investigar y descubrir elementos ocultos de nuestro cuerpo.

Las réplicas virtuales, lejos de limitarse al campo de la fantasía, ya están siendo utilizadas en la industria para estudiar cómo se comportarían determinados productos en situaciones concretas. Se podría, por ejemplo, simular el vuelo de un avión bajo una violenta tormenta, el tiempo de calcinación de un coche durante un incendio o los daños sufridos por un móvil ante una caída. Así que, salvando distancias, no sería tan descabellado extrapolar esta misma técnica para (intentar) crear reproducciones digitales de seres humanos. Es decir, unas 'copias virtuales' con las que, por ejemplo, simular centenares de escenarios en los que cambiamos pequeños parámetros de nuestra vida.

"Si te paras a mirarlo con atención, todos somos diferentes. Así que no hay estilo de vida, dieta o medicación que funcione de la misma manera para todos nosotros", recuerdan los expertos en bioingeniería en un reciente cortometraje titulado 'Virtual Humans', proyecto ideado por Guillermo Marín y Fernando Cucchietti y presentado en el marco del proyecto CompBioMed H2020. "Si pudiéramos visualizar diferentes versiones de ti mismo, podríamos averiguar cómo pequeños cambios en tu estilo de vida podrían afectar tu salud, envejecimiento y calidad de vida", apuntan los investigadores del Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) en el vídeo.

Los límites del proyecto

Ante estas impresionantes expectativas, muchos se preguntarán a qué están esperando los científicos para hacer realidad este proyecto. "Hoy en día los gemelos digitales siguen siendo un sueño imposible porque aún nos falta mucho conocimiento para poderlos desarrollar", recuerda Alfonso Santiago. "Necesitamos abordar el problema de pequeña a gran escala, empezando por las moléculas, los genes y las células, y siguiendo hasta los tejidos, los órganos y, finalmente, la unión de todos estos elementos. A partir de allí, hará falta crear técnicas que permitan captar cada uno de estos parámetros para configurar nuestra imagen virtual. Y, para todo esto, será necesario un gran poder computacional para procesar todos estos datos", argumenta el investigador.

"El cuerpo humano, en toda su gloria, es extremadamente complicado. Y es por eso que necesitamos ordenadores que sean lo suficientemente potentes como para ejecutar todos los cálculos y arrojar resultados concluyentes en un tiempo lo suficientemente corto para que se puedan aplicar en la práctica", reflexiona Peter Coveney, director del Centro de Ciencias Computacionales (CCS) del University College de Londres, en 'How to build a virtual human'. Los expertos estiman que algún día todo esto se podrá traducir en miles y miles de líneas del código fuente más complicado jamás programado. 

La construcción de los primeros cuerpos humanos digitales sigue, a partir de ahora, construyéndose pieza a pieza. En este proceso, los investigadores deberán enfrentarse al complejo reto de traducir todo lo que nos caracteriza como seres humanos en números, ecuaciones y, finalmente, en un lenguaje que un superordenador pueda procesar. La mala noticia es que, siendo optimistas, este proceso podría tardar décadas en lucir sus primeros resultados significativos. La buena, que ya tenemos un corazón latiendo. Al menos en Barcelona.