Los modelos matemáticos ayudan a combatir la malaria y la tuberculosis
Estamos en el siglo de la revolución de las matemáticas en la ciencia, y la prueba de esta revolución es el amplio rango de aplicaciones que tienen los modelos matemáticos en la lucha contra las enfermedades infecciosas, empezando por su detección.
[Ciencia – Salud]
La democratización de las computadoras y el aumento de los datos ‘big’, han llevado al uso de las matemáticas en disciplinas científicas como la medicina o la biología, donde hasta ahora han tenido un impacto limitado en su complejidad.
Abstractas y complejas, las matemáticas son identificadas como el ‘patito feo’ de la formación básica en las escuelas: aquella asignatura que genera frustración y que no se acaba de entender bien para que servirá en el futuro.
Algo que cualquier científico correrá a desmentir, alegando que son importantes en disciplinas como la física, la ingeniería o, más recientemente, la biología. «Las matemáticas igual que en cualquier ciencia o tecnología, son imprescindibles en todas las etapas.
No podemos hacer ciencia sin matemáticas», ha recalcado con vehemencia el biofísico y profesor asociado del Departamento de Física de la Universitat Politécnica de Catalunya (UPC), Daniel López Codina, en una de las charlas del ciclo ‘Horizontes de Tecnología’, que tuvieron lugar del 14 al 3 de diciembre de 2024, organizadas por Bibliotecas de Barcelona.
En este ciclo de charlas divulgativas se han descubierto algunos de los actuales retos científicos y tecnológicos con la guía de investigadores e investigadoras de la Universitat Politècnica de Catalunya.
Un viaje apasionante para conocer diferentes proyectos de investigación y de innovación tecnológica diseñados para mejorar la vida de las personas y contribuir a la construcción de un mundo sostenible y justo mediante el conocimiento.
Los modelos matemáticos
López Codina es miembro del grupo de investigación de Biología Computacional y Sistemas Complejos (BIOCOM-SC) de la UPC, fundado el 1984 y que desde el año 2000 estudia como aplicar modelos matemáticos en las diversas etapas de las enfermedades infecciosas.
Su equipo ha trabajado intensamente con afecciones como la tuberculosis o la malaria, y con el brote en 2020 de la pandemia de la Covid-19 recibieron el encargo de la Comisión Europea de crear modelos matemáticos con el Barcelona Supercomputing Center (BSC) para monitorizar el avance de la epidemia, analizar los datos y sugerir posibles acciones.
«Si las matemáticas no se habían utilizado mucho en biología o medicina es porque eran muy complejas, y no éramos capaces de hacer modelos matemáticos», ha señalado el profesor de la UPC.
Un obstáculo que, gracias a «no sólo los ordenadores, sino también a la capacidad de generar datos», se ha podido superar. «Estamos en el siglo de la revolución de las matemáticas en la ciencia», ha asegurado el biofísico.
De la detección a la creación de fármacos
Prueba de esta revolución es el amplio rango de aplicaciones que tienen los modelos matemáticos en la lucha contra las enfermedades infecciosas, empezando por su detección. Aquí, la malaria es un ejemplo principal: su diagnóstico se ha hecho tradicionalmente o bien a través de microscopia, o bien a través de tests rápidos.
El problema es que para la primera técnica hacen falta equipos de calidad y personas bien formadas, que no siempre se encuentran en las áreas afectadas, mientras que los tests no siempre dan el diagnóstico correcto, y es muy difícil sostener los diagnósticos cuando hay centenares de casos.
«¿Qué pensamos como alternativa? Automatizarlo», ha desvelado López Codina. En primer lugar, diseñando una serie de piezas impresas en 3D que permitan robotizar los microscopios más básicos a través de una placa Arduino y una aplicación para móviles.
«Entre la impresora 3D, el Arduino y el móvil, por 500 euros convertimos un microscopio de baja categoría en uno robotizado». En segundo lugar, conseguir que el móvil sea capaz de analizar la muestra automáticamente, un proyecto actualmente en marcha que ya se ha testado en Angola y que próximamente se evaluará en Senegal.
«Si queremos hacer frente a enfermedades como la malaria, es preciso que el diagnóstico sea lo más extenso posible porque, si no, no la podremos atacar. Hace falta que haya muchos puntos de diagnóstico y que se traten rápidamente», ha aseverado.
La malaria infecciosa y el modelo matemático
Una vez diagnosticada, una fase clave dentro del control de la malaria infecciosa, es controlar la historia natural, es decir, cómo evoluciona el patógeno sin intervención médica. «Se calcula que una tercera parte de la población del mundo está infectada de tuberculosis, pero que estén infectados no quiere decir que estén enfermos. Tiene dos etapas, infección latente y enfermedad activa, y sólo un 10% de la población acaba teniendo la enfermedad», ha ejemplificado López Codina.
El problema es que hoy día aún existen muchos interrogantes sobre los porqués de este 10% que sí que desarrolla la infección. «Las lesiones de tuberculosis en los pulmones acaban siendo como esferas que se van juntando, y pensamos que se comportaban de manera similar a las burbujas. La presión es más grande en el interior que en el exterior, y si dos se tocan, se fusionan», ha explicado el bioquímico.
Una idea que, después de colaborar con el epidemiólogo del Hospital Germans Trias i Pujol (Barcelona), quisimos testar construyendo un «pulmón virtual, desde el punto de vista matemático, donde puedo tener una lesión en un punto que se propaga a otros puntos».
«Convertimos los conocimientos de tuberculosis en un modelo matemático que nos podía explicar el proceso. Un proyecto en el que trabajamos mano a mano con investigadores del BSC y de la Universidad de Oxford«, ha explicado el profesor de la UPC.
Resistencia a los fármacos
Cuando se constata que, efectivamente, la malaria se ha contraído, el tratamiento rápido es vital. El uso de fármacos es lo que lo hace posible, pero éstos almacenan un reto importante: la aparición de raíces resistentes a los antimaláricos y antibióticos.
«700.000 personas mueren mundialmente cada año a consecuencia de la resistencia a los fármacos, así que hace falta buscar nuevos fármacos que le puedan hacer frente», ha remarcado el científico.
Una tarea que no es fácil y, en el caso de la malaria, exige ensayar con el parásito en la sangre, ya que infecta los glóbulos rojos. Dado que el mantenimiento de estos cultivos es altamente complejo y costoso, los modelos matemáticos pueden ayudar a simular el comportamiento célula a célula, una herramienta con la que se permite «ensayar diversos modelos y optimizar el procedimiento para estudiar los antimaláricos».
Otra problemática vinculada a los fármacos es la dificultad de encontrar antibióticos específicos para bacterias concretas, cosa que evita que generen resistencia y la transmitan entre especies. En esta línea, el BIOCOM-SC ha trabajado en la parte conceptual de un modelo matemático que permita escoger los criterios para seleccionar a los candidatos a antibióticos específicos para especies determinadas, un trabajo que ha estado implementado por el InLab FIB UPC.
Modelos matemáticos para monitorizar en tiempo real
Después de diagnosticar y tratar la enfermedad, el siguiente paso lógico es monitorizar como evolucionan los efectos de estos fármacos. Cualquier producto farmacéutico exige toda suerte de ensayos rigurosos para poder salir al mercado, «pero una cosa es ensayar con miles de personas, y otra, con millones».
El auge del big data y la consciencia global del valor de los datos ha provocado que cada vez se guarde más información y más actualizada, con la cual se pueden realizar toda suerte de estudios y resolver incógnitas hasta ahora indemostrables.
El ejemplo presentado por López Codina se centra esta vez en Catalunya, concretamente, en el uso de los cuatro tipos de anticoagulantes que se comercializan en el país. «Utilizando la facturación de los anticoagulantes por población, pudimos ver como los nuevos tipos se implantan y sustituyen progresivamente respecto a los otros. Nos ha permitido observar diferencias regionales, y hemos visto como en Barcelona y las áreas urbanas, el cambio ha sido más rápido que en las rurales», ha explicado el experto.
Unas cuantas epidemias
Finalmente, aparte de controlar como progresa la enfermedad individualmente en cada persona, el carácter infeccioso de este grupo hace que también se tenga que estar atento a como evoluciona el conjunto de la sociedad, un ámbito donde, nuevamente, las matemáticas tienen cosas que decir.
«En nuestro país, cada año tenemos unas cuantas epidemias. La más sobresaliente es la gripe. Una epidemia que acaba causando problemas, no como la Covid, pero tenemos los hospitales llenos, los centros de salud saturados, se transmite con mucha facilidad, y es tanto o más grave que la Covid», ha alertado López Codina.
Por suerte, la enfermedad está controlada gracias a un modelo matemático consolidado que «prevé la evolución de la epidemia, cuantos casos tendremos y cual será el máximo, información con la que las autoridades sanitarias pueden programar los recursos para hacerle frente».
Una metodología que también se está tratando de replicar en Nigeria con la tuberculosis, donde la sensación de los últimos años es de relativa satisfacción ya que «dicen que la incidencia, número de casos por 1000 habitantes, está empezando a bajar».
Aunque no se ha tenido en cuenta que la población está aumentando a un ritmo muy elevado, mientras que el número absoluto de casos se ha mantenido o hasta se ha elevado.
«Las matemáticas nos sirven para ver la necesidad de cambiar la estrategia. Constatamos que hace falta un diagnóstico extenso que pueda llegar a todas partes, así como acceso a los fármacos y acceso continuado», ha manifestado el profesor de la UPC. «Hacerle frente es más una cuestión de acceso a la salud y de logística. que no tecnológicaª.
Marc Vilajosana
Diciembre de 2024
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