Anar al contingut

El futur de la recerca

Barcelona acull un projecte per crear cors virtuals

El projecte Alya Red investiga com crear una còpia computacional de cors humans

L'eina promet millorar l'estudi i el tractament d'aquest òrgan de manera personalitzada

Valentina Raffio

Barcelona acull un projecte per crear cors virtuals

A Barcelona, una capella del segle XIX allotja el que podria ser el cor del futur. Mentre la llum es filtra per les vidrieres de la Torre de Girona, en els circuits del superordinador Marenostrum bateguen milers de dades amb què se simula un cor humà. I és que el Barcelona Supercomputing Center (BSC-CNS) acull en el dia d’avui el pols d’una iniciativa pionera per crear una còpia computacional d’aquest òrgan. La sang, els teixits i l’electricitat que caracteritzen les entranyes conflueixen ara en el projecte Alya Red, que ja ha aconseguit traduir el pols vital a un llenguatge matemàtic.

A curt termini, aquests 'clons virtuals’ serviran per millorar la recerca sobre aquest òrgan, testar fàrmacs de manera instantània i, fins i tot, optimitzar l’implant de dispositius biomèdics, com ara els marcapassos. A llarg termini, la iniciativa promet la possibilitat d’estudiar cadascun d’aquests processos sobre una còpia del nostre propi cor. I, tot i que per a molts tot això pugui sonar una mica frívol, la clau és saber que aquest òrgan situat al centre de l’aparell circulatori varia tant de persona a persona com les empremtes dactilars.

"Simplement prement una tecla podrem fer bategar centenars de cors virtuals en el superordinador per estudiar com reaccionarà cadascun davant una malaltia i com hauríem d’actuar en cada cas", argumenta Alfonso Santiago, investigador del projecte Alya Red. "En un futur, podrem saber com bategaria un cor després d’un infart i a quin lloc és millor instal·lar un marcapassos perquè sigui realment efectiu. Aquesta informació és increïblement valuosa per als pacients, perquè assegura que els tractaments que se’ls apliquin estaran dissenyats a la seva mesura i no basats en un protocol genèric que potser per a ells no sigui efectiu", afegeix el bioenginyer.

El somni d’imitar la naturalesa

Després de més d’una dècada de treball, els responsables del projecte rememoren els seus inicis amb una certa nostàlgia. Tot va començar amb Mariano Vázquez i Guillaume Houzeaux, els dos investigadors del grup CASE (High Performance Computational Mechanics). El seu objectiu, crear una eina multifísica i multiescala per resoldre problemes d’enginyeria. Més endavant, allò es va convertir en un ambiciós estudi de l’electrofisiologia cardíaca. En aquell temps, enfocant el treball com una recerca en ciència bàsica, ningú imaginava que el desenvolupament d’aquesta tecnologia acabaria per materialitzar-se en un cor virtual plenament operatiu.

L’assoliment d’un 'òrgan virtual’, de fet, recorda el somni de Leibniz, matemàtic contemporani de Newton, que va especular amb un futur en què es pogués recopilar tot el coneixement humà sobre una qüestió, expressar-lo en un llenguatge universal i processar-lo de manera independent per imitar la naturalesa. La materialització d’aquesta fantasia filosòfica reuneix, en el dia d’avui, només a les instal·lacions del BSC, els esforços de més de 50 investigadors, entre enginyers, programadors, matemàtics i físics, vuit d’ells, dedicats exclusivament a la biomecànica del cor. A tot això s’hauria de sumar les dècades i recerques anteriors que han permès que ara el codi del cor pugui bategar.

"En aquests moments, a Barcelona, tenim 40 cors digitalitzats. A partir d’aquests, podem introduir petites modificacions per crear un reposador virtual d’aquests òrgans", explica Jazmin Aguado Sierra, enginyera biomèdica del projecte Alya Red. "L’objectiu és poder crear ‘poblacions virtuals’ amb les quals provar l’eficàcia d’un fàrmac, per exemple. Amb aquesta eina podrem conèixer els efectes d’un medicament en desenes de persones en tan sols uns quants mesos. Això disminuirà el temps i el cost dels assajos clínics, reduirà la necessitat d’experiments amb animals i, alhora, evitarà els dilemes ètics relacionats amb els estudis en pacients humans", argumenta la investigadora.

Equip d’investigadors del projecte Alya Red posen juntament amb el Barcelona Supercomputing Center (BSC-CNS) / JOAN CORTADELLAS

El futur de la recerca 'in silico'

Com si es tractés d’un problema d’enginyeria, l’equip responsable del cor virtual ha abordat el repte descomponent el seu estudi en diversos problemes, solucionant-los de manera individual per posteriorment tornar a acoblar una imatge conjunta de l’òrgan. El cor, al cap i a la fi, no és més que múscul, sang i electricitat funcionant com un dels grans misteris de l’anatomia. Per això es necessiten més de 200 processadors i cinc hores per executar la seva simulació, una tasca tan sols possible amb un superordinador.

El batec virtual d’un cor permetria passar a un nou paradigma de recerca, entre d’altres coses. Fins ara, el llarg camí per avaluar l’efectivitat d’un fàrmac o tractament passava per experiments sobre cèl·lules ('in vitro'), teixits ('ex vivo'), animals cada vegada més complexos ('in vivo') i finalment en pacients (i es començava així la seqüència d’assajos clínics). Aquesta eina, en un futur pròxim, podria traslladar-se a una simulació virtual ('in silico') en la qual s’optimitzi tot aquest procés executant centenars de proves a l’instant. I, com que res és perfecte, es podrà fins i tot calcular el marge d’error d’una manera més fiable que la dels mètodes tradicionals.

"Els cors virtuals suposaran una revolució en la nostra manera d’entendre l’òrgan. El seu estudi ens ajudarà a entendre millor tant la salut com la malaltia, a estudiar patologies genètiques o extremadament rares i, fins i tot, a investigar elements que fins ara desconeixíem", sentencia Aguado Sierra. "Hi haurà preguntes que podrem contestar abans que d’altres. Tot dependrà del nivell de detall que aconseguim traslladar a la nostra simulació. Així que, ara per ara, el principal repte que ens podem plantejar és continuar investigant", conclou la investigadora.

¿I si poguéssim tenir un bessó digital?

La creació d’un cor computacional, ara per ara, tan sols és el primer pas cap a un projecte molt més ambiciós: la creació dels nostres propis ‘bessons digitals’ ('digital twins'). Aquesta fita, és clar, se situa en un horitzó llunyà, aparentment més pròxim a la ciència-ficció que a la realitat. Però tot apunta que els esforços de la recerca es dirigeixen cap a la possibilitat de crear una còpia virtual completa de nosaltres mateixos; una espècie d’avatar real atrapat en un superordinador amb el qual es pugui experimentar, investigar i descobrir elements ocults del nostre cos.

Les rèpliques virtuals, lluny de limitar-se al camp de la fantasia, ja estan sent utilitzades en la indústria per estudiar com es comportarien determinats productes en situacions concretes. Es podria, per exemple, simular el vol d’un avió sota una violenta tempesta, el temps de calcinació d’un cotxe durant un incendi o els danys patits per un mòbil arran d’una caiguda. Així que, guardant distàncies, no seria tan forassenyat extrapolar aquesta mateixa tècnica per (intentar) crear reproduccions digitals d’éssers humans. És a dir, unes ‘còpies virtuals’ amb les quals, per exemple, simular centenars d’escenaris en què canviem petits paràmetres de la nostra vida.

"Si et pares a pensar-ho amb atenció, tots som diferents. Així que no hi ha estil de vida, dieta o medicació que funcioni de la mateixa manera per a tots nosaltres", recorden els experts en bioenginyeria en un recent curtmetratge titulat 'Virtual humans', projecte ideat per Guillermo Marín i Fernando Cucchietti i presentat en el marc del projecte CompBioMed H2020. "Si poguéssim visualitzar diferents versions de tu mateix, podríem esbrinar com petits canvis en el teu estil de vida podrien afectar la teva salut, el teu envelliment i la teva qualitat de vida", apunten els investigadors del Centre Nacional de Supercomputació (BSC-CNS) en el vídeo.

Els límits del projecte

Davant aquestes impressionants expectatives, molts es preguntaran a què estan esperant els científics per fer realitat aquest projecte. "Avui dia els bessons digitals continuen sent un somni impossible, perquè encara ens falta molt coneixement per poder desenvolupar-los", recorda Alfonso Santiago. "Necessitem abordar el problema de petita a gran escala, començant per les molècules, els gens i les cèl·lules, i seguint fins als teixits, els òrgans i, finalment, la unió de tots aquests elements. A partir d’allà, farà falta crear tècniques que permetin captar cadascun d’aquests paràmetres per configurar la nostra imatge virtual. I, per a tot això, serà necessari un gran poder computacional per processar totes aquestes dades", argumenta l’investigador.

"El cos humà, en tota la seva glòria, és extremadament complicat. I és per això que necessitem ordinadors que siguin prou potents per executar tots els càlculs i donar resultats concloents en un temps prou curt perquè es puguin aplicar a la pràctica", reflexiona Peter Coveney, director del Centre de Ciències Computacionals (CCS) de l’University College de Londres, a 'How to build a virtual human'. Els experts estimen que algun dia tot això es podrà traduir en milers i milers de línies del codi font més complicat mai programat. 

La construcció dels primers cossos humans digitals continua, a partir d’ara, construint-se peça a peça. En aquest procés, els investigadors s’hauran d’enfrontar al complex repte de traduir tot el que ens caracteritza com a éssers humans en números, equacions i, finalment, en un llenguatge que un superordinador pugui processar. La mala notícia és que, sent optimistes, aquest procés podria tardar dècades a lluir els seus primers resultats significatius. La bona, que ja tenim un cor bategant. Almenys, a Barcelona.