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Investigador argentino estudia un modelo matemático para prevenir la rotura de aneurismas

Martes 3 Abril, 2018 en  Ciencia y Tecnología

Se calcula que 1 de cada 50 personas puede tener esta patología. Lo peor es que alrededor del 40 por ciento de los que padecen aneurismas fallecen mientras que el 66 por ciento de quienes sobreviven quedan con algún tipo de incapacidad permanente.

aneurisma

(Revista Noticias) Millones de líneas de código. Supercomputadoras. Los modelos de física computacional más avanzadas del planeta. Todo eso se encuentra en el laboratorio del físico argentino Raúl Cebral, que dirige el departamento de Bioingeniería en la Universidad de George Mason (en los Estados Unidos). La misión: predecir la formación y la ruptura de aneurismas cerebrales, es decir deformaciones similares a bolsas que van debilitando las paredes de la arteria hasta que estallan. Los aneurismas avanzan silenciosamente y pueden causar muerte súbita, cuando estalla la arteria donde se encuentra la deformación.

Se calcula que 1 de cada 50 personas puede tener esta patología. Lo peor es que alrededor del 40 por ciento de los que padecen aneurismas fallecen mientras que el 66 por ciento de quienes sobreviven quedan con algún tipo de incapacidad permanente, según revela la Brain Aneurysm Foundation.

“Durante mis primeros años estuve trabajando con fluidos como el aire para ver cómo se podían crear mejores modelos contra la resistencia del mismo, por ejemplo, el caso de las alas de los aviones. Pero pronto sentí una curiosidad por lograr una interacción entre la física y la medicina. Y el cerebro fue el desafío donde pensé que podíamos lograr impacto”, comenta Raul Cebral. La mecánica de fluidos permite ver cómo la sangre se mueve por el cerebro y -de acuerdo con la disposición de las arterias- intentar descubrir si hay zonas donde la presión de la sangre provoca la aparición de aneurismas. “Pero esto a su vez no es siempre así depende de muchos factores, entre ellos los biológicos. Por ejemplo, en un perro los aneurismas no estallan”, revela Cebral.

DECISIONES. No siempre un paciente con aneurisma debe ser operado porque también las intervenciones quirúrgicas tienen un grado de riesgo y, además, no necesariamente un aneurisma se va a romper. “A partir de los estudios que se le hacen al paciente logramos emular la circulación de su cerebro. Esto fue toda una innovación, porque no es que tomamos un cerebro en general sino que replicamos el entramado de las arterias de su cerebro que es único, cada persona tiene su propio entramado de arterias. Y ahora lo puede ver en 3D en el modelo computacional que generamos”, se entusiasma Cebral.

El trabajo de los científicos no se limitó a diseñar este modelo, porque lo más complejo es lograr entender cómo se mueve la sangre por ese entramado arterial. De acuerdo a cómo se presenta la forma de ese entretejido, por ejemplo, la geometría de ciertas curvas, y al tipo de presión arterial y a otros parámetros, Cebral intenta predecir si las paredes de la arteria se irán debilitando hasta producir la formación de un aneurisma. Y, si es que éste se forma, aparece el desafío de ver si conviene la intervención o simplemente no hay que hacer nada salvo las medidas que tienen que ver con mejorar la calidad de vida del enfermo o si debe tomar algún medicamento específico.

La industria médica estándar por su parte hace su propio camino. Un médico que padece esta enfermedad contactado por Noticias comentó que su primer temor fue que lo operaran simplemente porque hay que entrenar a las nuevas generaciones. O sea, donde la indicación médica no termina de estar clara o justificada dado que las estadísticas no miden todos los parámetros. Fue así que contactó a Raul Cebral que lo tranquilizó: “Nuestro modelo muestra que, en principio, no es una arteria que esté comprometida, pero claro no todos utilizan nuestra información”, se lamenta Cebral.

Para desarrollar esta tecnología es preciso tener datos reales de muchos pacientes y de su evolución y es así como su equipo trabaja junto a los doctores David Kallmes y Ramanathan Kadirvel de la Clínica Mayo, en Estados Unidos. La investigación también cuenta con su lado argentino a través del doctor Pedro Lylyk, quien realizó aportes reconocidos mundialmente como la primera embolización de un aneurisma cerebral con coins y la introducción del stent en la terapia cerebro-vascular. “Trabajar con ellos me permitió entender lo que puede ser útil o no para los médicos, y por supuesto a todo el lenguaje de esta disciplina que no está en la que conocemos nosotros desde la física computacional”, aclara Cebral.

MODELOS. La recreación del cerebro del paciente y de su circulación no es una tarea sencilla desde el punto de vista físico. Primero la mecánica de fluidos -la rama teórica que se utiliza para tratar este problema- es muy compleja de por sí. Va más allá de lo que se considera normalmente. Si para describir a una partícula en movimiento se utilizan cuatro variables, tres para su posición espacial (ya que vivimos en un mundo tridimensional) y una para el tiempo; en el caso de las partículas de un fluido a esos variables se les agregan otros factores como su densidad, viscosidad, presión, y otras fuerzas que intervienen, lo cual hace que la cantidad de dimensiones intervinientes y los cálculos matemáticos que se deben realizar sean complejísimos.

Las ecuaciones que gobiernan estos fenómenos (sea la fluidez de la sangre, como la del agua o del aire) son las de Navier-Stokes. El gran problema es que no se puede resolver estas ecuaciones en forma analítica. “No es que simplemente analizando estas ecuaciones se pueda encontrar la respuesta, como si fuese despejar la X, no se puede hallar la solución general, entonces se debe recurrir a simulaciones numéricas que se hacen con computadoras que nos van a aproximar a la solución. Pero al ser tan complejas es necesario utilizar supercomputadoras y aún así se requiere de avanzar mucho en las técnicas tanto a nivel de programación como de la matemática utilizada para que encontremos una solución en un tiempo razonable”, revela Cebral.

Todo este desarrollo tecnológico corre por detrás cuando reciben la imagen de un paciente. Primero se realiza el modelado en 3D y luego se analiza si los fluidos causarán problemas, o no. “Algunas cosas las podemos decir con gran certidumbre pero hay otras donde este tipo de análisis encuentra su límite. El desafío actual es entender la biología de las paredes de las arterias”, asegura Cebral. Es que si bien un fluido puede romper una arteria de una forma más o menos obvia, desde el punto de vista físico-matemático hay muchos casos grises donde no es así, y es entonces cuando la biología hace su trabajo dándole cierta elasticidad para que aguante la presión.

BACTERIAS. No siempre entonces conviene operar o tratar el aneurisma. Pero definir esto en todos los casos es un desafío que no está resuelto. Ciertas investigaciones actuales van más allá de lo que se pensaba. Se está viendo, por ejemplo, que si una persona padece de infecciones bucales tiene mayor riesgo de tener un aneurisma. Y eso a su vez se complejiza con el estudio de la microbiota, el conjunto de bacterias, virus y hongos que tiene el cuerpo humano. La microbiota de la boca de un enfermo puede, por algún mecanismo que aún no se termina de entender, producir una inflamación arterial y esta inflamación, a su vez aumentada por la mecánica del fluido sanguíneo estudiada por Cebral, terminar en un aneurisma.

Sin dudas el avance futuro vendrá de la mano de mejoras en la tríada matemática, física y computacional por un lado y biológico por el otro. En ese sentido Sara Zahedi una joven matemática iraní formada en Suecia sacudió la disciplina al formular una técnica con mucho menor costo computacional para trabajar con las ecuaciones que se utilizan en estos casos y recibir el premio europeo al joven matemático más relevante. Precisamente la biología es uno de los grandes focos de interés de Zahedi: “Desde un punto de vista computacional, los métodos para estudiar una célula no son muy diferentes que los que se usan para modelar una gota de agua. La membrana celular se puede modelar con ecuaciones como la interfaz de dos fluidos”, dice Zahedi. Ahora la matemática quiere seguir afinando sus técnicas. “Hoy en día hay mucha gente desarrollando algoritmos nuevos para los programas que corren en las computadoras, su uso está muy extendido, pero son como experimentos, en cierto sentido. Lo complicado es desarrollar métodos simples, y que a la vez estén bien sostenidos en una base matemática sólida que se pueda analizar y permita tener control del error. Ese es mi desafío”, se entusiasma Zahedi.

Mientras esos resultados provenientes desde el más purismo matemático van llegando, lo cierto es que esta nueva intersección entre matemáticas, física, computación y medicina está logrando predecir esos ataques súbitos. Raúl Cebral no podía soñar con tener un mejor impacto.


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