Investigador UC desarrolla “gemelos digitales” de órganos con el fin de ayudar a planificar cirugías

Poder simular una intervención quirúrgica o probar un tratamiento dirigido a un paciente específico, antes de aplicarlo directamente en él. Esta es la posibilidad que se abre con los gemelos digitales de órganos: una réplica virtual exacta y dinámica de un órgano humano –como el corazón o el hígado–, que utiliza datos clínicos y modelos computacionales para reproducir con precisión su anatomía, fisiología y sus respuestas.

En este campo emergente trabaja el investigador UC Nicolás Barnafi, académico del Instituto de Ingeniería Matemática y Computacional (IMC) y profesor de la Facultad de Ciencias Biológicas UC. Sus estudios se enmarcan dentro de la “medicina in silico“, que consiste en usar inteligencia artificial, modelos matemáticos y grandes volúmenes de datos para simular, desarrollar y probar tratamientos, medicamentos o dispositivos médicos.

“Los gemelos digitales corresponden a un concepto bastante amplio. Por ejemplo, hoy se puede hablar de gemelos digitales de ciudades. Puedes tener un gemelo digital de Santiago y ver el impacto de eventos como el cambio de un semáforo en el tráfico vehicular”, explica el investigador.

En el área médica, también existen varios campos donde ya se usa este tipo de técnicas: “Cuando a la gente le ponen frenillos, se toman moldes que se digitalizan y, en un computador, se simula cual va a ser la evolución de ese tratamiento dental”, ejemplifica. No obstante, para digitalizar órganos, el proceso es más complejo. “Lamentablemente, no se le puede colocar un molde al corazón para intentar replicar cómo se ve, porque se mueve todo el rato”. En este caso, se realizan mediciones indirectas para poder replicarlo, a través de resonancias y otras técnicas.

Una de las aplicaciones de esta tecnología apunta a desarrollar ensayos clínicos. “La gracia de digitalizar órganos y sus mecanismos y hacerlos funcionar en un computador es que permite estudiar sistemas muy complejos”, señala el académico. “Si alguien quisiera desarrollar un nuevo tratamiento para una patología, puede que el mecanismo de acción de ese tratamiento sea imposible de estudiar con un experimento en un ambiente controlado”. Por esa razón, cada vez se están desarrollando más ensayos clínicos virtuales. Otro uso es en el diseño de tratamientos médicos personalizados y planificación de cirugías.

Modelar los mecanismos del corazón

Nicolás Barnafi es ingeniero civil industrial y magíster en Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Católica; doctor en Métodos y Modelos Matemáticos para la Ingeniería en el Politécnico de Milán; y realizó una estadía como postdoc en la Università degli Studi di Milano, la Università degli Studi di Pavia, el Centro de Modelamiento Matemático (CMM) y el Instituto de Ingeniería Biológica y Médica UC (IIBM).

Actualmente, el trabajo que realiza como académico e investigador del Instituto de Ingeniería Matemática y Computacional (IMC) de la UC, se centra en el modelamiento computacional de sistemas físicos, con un énfasis particular en tejidos blandos que experimentan grandes deformaciones durante su funcionamiento, como el corazón o los pulmones.

Una de sus líneas de investigación –que desarrolla junto a Axel Osses, de la Universidad de Chile– tiene que ver con las leyes físicas que rigen la orientación de las fibras musculares. “Hasta ahora no había un sistema de ecuaciones muy claro al respecto, o se hacían cálculos sin un principio físico muy profundo. La gracia de tener un proceso físico detrás de ciertas cosas es que te da una intuición de lo que pasa”, señala el profesor del IMC.

Conocer la física que puede estar detrás de la orientación de las fibras musculares del corazón podría entregar pistas sobre qué les ocurre cuando el órgano está enfermo o cómo podrían reaccionar si se presenta una lesión. “Creemos que nuestro modelo podría ayudar no solo a explicar de mejor manera algunas patologías, sino a entender por qué las fibras cardíacas se forman de la manera en que lo hacen. El trabajo puede tener un impacto mucho mayor en cuanto a la comprensión de ese proceso”, afirma.

Planificación de cirugías cardiovasculares

La segunda línea de trabajo que desarrolla consiste en la simulación de medios elásticos con una red interconectada de poros por los que fluye un fluido. Se trata de “describir matemáticamente un cuerpo que se deforma por el paso de la sangre, un proceso que se da no solo en el corazón, sino que en todos los órganos. La sangre tiene una cierta dinámica dentro de un tejido que es la que permite que le llegue oxígeno y nutrientes”, explica.

Cuando un órgano tiene problemas de irrigación, es posible que a una zona no le llegue sangre. “Lo que buscamos es entender cuál es el impacto en el largo plazo de esa pérdida de oxigenación localizada en el tejido. Lo que a mí me gusta es hacer modelos que sean físicamente precisos, que consideren cómo va cambiando todo a medida que el órgano se deforma. Hay ciertas relaciones que son matemáticamente más complicadas de capturar y me interesa adentrarme en eso”, comenta el profesor.

Esta investigación podría tener un rol en la planificación de cirugías cardiovasculares. “Planificar un tratamiento o intervención cardíaca implica una serie de dificultades que un gemelo digital podría ayudar a superar”, apunta el académico. Comenta “en este tema cardiovascular, estamos dando forma a una relación de colaboración con la red UC Christus“. Inicialmente, utilizarán los datos de una resonancia que se realizó el propio investigador.