Matemáticas aplicadas a la oncología

Matemáticas al servicio de la oncología. Un equipo de investigadores del Instituto de Investigación Biomédica de Salamanca (IBSAL), la Universidad de Salamanca, y el grupo Transport Phenomena de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) ha desarrollado un modelo matemático que simula cómo se liberan los fármacos en el tejido mamario tras una cirugía oncológica.

El grupo de investigación ‘Aplicaciones Biomédicas de Ingeniería Química’ (ABIQ), centrado en las aplicaciones de la ingeniería química para solucionar diferentes problemas médicos, del centro salmantino ha elaborado un estudio que propone el uso de un hidrogel biodegradable que se coloca en la cavidad dejada por el tumor tras la cirugía. Este material libera de manera controlada un fármaco llamado MZ1 mediante pequeñas partículas conocidas como liposomas. Este avance podría mejorar significativamente la eficacia de los tratamientos postquirúrgicos y reducir la recurrencia tumoral.

El proyecto se centra en la aplicación de herramientas CFD (Computational Fluid Dynamics) para estudiar el transporte de fármacos y sistemas de liberación controlada estudiando el comportamiento de los tratamientos a partir de imágenes específicas obtenidas de cada paciente, por resonancia magnética.

Concretamente, plantean "predecir el transporte y su efecto terapéutico en liposomas liberados desde hidrogeles termosensibles que puedan ser administrados en las cavidades que quedan tras la resección de tumores de mama, de cara a aminorar las posibles recidivas de los mismos", apunta Álvaro González Garcinuño, profesor permanente laboral en el Departamento de Ingeniería Química de la USAL, miembro de ABIQ, e investigador principal del estudio.

El modelo matemático que han diseñado "se basa en la estimación de elementos finitos, partiendo de una geometría de tumor que es específica de cada paciente, de tal forma que la predicción se puede hacer según la circunstancia".

"Esta geometría se obtiene a partir de imágenes de resonancia magnética. Es capaz de predecir en las tres direcciones del espacio, y a lo largo del tiempo, cómo será el transporte de los fármacos, su internalización, su drenaje potencial al sistema linfático, etc. Lo novedoso de este modelo es que tiene en cuenta factores clave como la absorción del fármaco por las células, el drenaje linfático e incluso la influencia de la gravedad en su distribución".

"Nuestro grupo de investigación ha centrado buena parte de sus esfuerzos en este tipo de cáncer, y, por tanto, el conocimiento previo hacía muy viable focalizarse en este cáncer, aunque puede ser extrapolable, modificando geometrías y condiciones, a otros tipos de tumores".

"De hecho, este estudio surge tras los resultados obtenidos durante bastantes años, en el desarrollo de geles termosensibles, cargados con fármacos, que puedan ser administrados para este tipo de patologías. Tras el desarrollo experimental, surge la necesidad de valorar de una forma ‘in silico’ si el transporte en el tejido diana iba a ser adecuado o no, y la forma de optimizar este tratamiento en base a cada paciente", incide.

El objetivo principal del proyecto, para el que han contado con la colaboración con el grupo Transport Phenomena, del Departamento de Ingeniería Química de la TU Delft de Países Bajos -"que son destacados especialistas en la modelización de los fenómenos de transporte en sistemas biológicos-, es la predicción del transporte y del efecto terapéutico de sistemas de liberación controlada que sean administrados de forma in situ permitiendo, entre otras cuestiones, ajustar las dosis.

La iniciativa "ha pasado ya una fase experimental importante, de desarrollo del hidrogel termosensible, así como de los liposomas que lo contienen y otra fase de desarrollo del modelo matemático, que ha sido estudiado para diferentes geometrías".

Para comprobar su efectividad, el equipo de investigación utilizó resonancias magnéticas de seis pacientes con distintos tipos de tumores. Así, descubrieron que la forma de la cavidad quirúrgica influye en la distribución del fármaco, y que una concentración del 0,1 % de liposomas en el hidrogel es suficiente para eliminar las células tumorales residuales, reduciendo así el riesgo de recaída.

"Faltaría realizar una fase final, de validación de los resultados predictivos, con resultados experimentales y valorar en el tiempo y en el espacio, en pacientes reales, que la predicción del modelo cumple con lo observado experimentalmente".

"Este enfoque podría suponer un gran avance en la lucha contra el cáncer de mama, reduciendo los efectos secundarios y mejorando la calidad de vida de las pacientes. Gracias a él se podría dar la consecución de tratamientos que sean específicos para cada paciente, de tal forma que se estudie previamente la geometría y condiciones de cada uno de ellos, ajustando el tratamiento a las necesidades de cada uno".

"Personalmente, resulta satisfactorio, porque supone llevar a la práctica real, y con una visión traslacional muy clara, todo el conocimiento referido a los fenómenos de transporte en sistemas biológicos", asegura el profesor del Departamento de Ingeniería Química de la USAL.

De esta manera, el desarrollo generado por el grupo de investigación del IBSAL representa un paso importante hacia la personalización de los tratamientos oncológicos y allana el camino para futuros ensayos clínicos que validen su aplicación en entornos hospitalarios.