Cuando se piensa en la medicina del siglo XXI y, de hecho, ya en la medicina del siglo XX, es ineludible imaginar una disciplina cruzada y permeada por la más alta tecnología. Intervenciones que eran extremadamente complejas, costosas y que demoraban muchas horas en pabellón, ahora se pueden realizar en mucho menos tiempo, de manera casi automatizada y a un precio cada vez más accesible. Basta nombrar a las personas que sufren miopía, hipermetropía o astigmatismo, antes condenadas a utilizar lentes, que ahora disponen de una operación por cirugía láser para recuperar gran parte de su visión normal. En otro frente, los avances científi cos y tecnológicos asociados a la química, la biología y la biotecnología han permitido desarrollar compuestos con propiedades novedosas. Por ejemplo, los adhesivos utilizados para suturar heridas, "la gotita" para la piel, que siendo usados en lugar de los clásicos puntos permiten un proceso de sutura indoloro, y la eliminación de gran parte de las cicatrices posteriores. Otro ejemplo interesante corresponde al desarrollo de “Drug delivery systems”, los cuales corresponden a sistemas que permiten controlar la manera, la velocidad y el punto de aplicación donde se administra un medicamento en el organismo.
Indudablemente, detrás de todos estos ejemplos hay un fuerte desarrollo científi co y tecnológico, que recae de una u otra manera en las espaldas de la ingeniería. Las máquinas láser de precisión que utiliza el cirujano, las vendas o pegamentos utilizados por las enfermeras o el mecanismo de liberación utilizado por las compañías farmacéuticas corresponden a herramientas diseñadas bajo el alero de la ingeniería.
En este contexto, en el Laboratorio de Modelación de Procesos y Computación Distribuida (PMDC Lab) del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología de la FCFM se desarrollan importantes esfuerzos para colaborar en la generación de herramientas para la medicina del siglo XXI. Una de las líneas de investigación desarrollada en el laboratorio tiene que ver con el estudio de las vías de señalización asociadas al sistema inmunológico.
Una vez que el sistema inmunológico ha reconocido un patógeno y se activa (ver recuadro) se produce una cascada de señalización molecular dentro de las células. Esta cascada corresponde a la interacción secuencial y específica de biomoléculas (proteínas), y da origen finalmente a una respuesta celular. Esta interacción entre las moléculas se puede visualizar como un problema de bloques de Lego con reglas especiales, donde cada bloque representa una proteína y los bloques solo se pueden unir mediante el contacto entre determinadas zonas y en un orden específico.
Aunque no lo parezca, la respuesta inflamatoria producida por la cascada de señalización es beneficiosa para la cura de infecciones (aumento de la irrigación sanguínea, migración de células efectoras, etc.). El problema se suscita cuando esta respuesta escapa de control y se producen enfermedades crónicas como la sepsis, artritis reumatoide, arterosclerosis, asma, tendinitis, etc. Se ha estimado que las personas con artritis reumatoide llegan a 2 de cada 100 en el mundo, afectando en mayor medida a mujeres y a habitantes de países desarrollados. Este tipo de enfermedades se puede tratar con medicamentos antiinflamatorios, antirreumáticos y corticosteroides. Sin embargo, su uso prolongado produce serios efectos secundarios. Se ha explorado experimentalmente la utilización de moléculas capaces de interrumpir la cascada de señalización. Estas moléculas, conocidas como péptidos señuelo o de bloqueamiento, actúan uniéndose a los sitios de interacción de las moléculas nativas impidiendo que se produzca la cascada. Volviendo a la analogía de juego de Lego, estos péptidos son bloques parecidos a los bloques de la cascada, capaces de unirse a sus componentes, pero que no forman la zona de unión que esperan los demás. Estos péptidos han mostrado prometedores resultados, sin embargo, poco se conoce sobre cómo actúan a nivel químico molecular.
A partir del año 2008 el PMDC Lab se adjudicó un proyecto para el estudio de las moléculas asociadas a esta cadena de señalización. El proyecto fue financiado por el programa de proyectos Fondecyt de iniciación (ID 11080016 - “Mathematical modeling of the interaction between cell penetrating TIR BB loop decoy peptides (BBPs) and toll-like receptor 4 and 2 (TLR4 and TLR2)”) y ha tenido una duración de 3 años. Durante su ejecución, un equipo multidisciplinario compuesto por los ingenieros en biotecnología de la U. de Chile, Camilo Patiño y Eduardo Rossel, la académica de la FCFM, Ziomara Gerdtzen, el químico teórico, Gerald Zapata de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas, y las académicas de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile, Marcela Hermoso y Julieta González, estudiaron las moléculas pertenecientes a la vía de señalización y su interacción con los péptidos de bloqueo.
Los estudios se llevaron a cabo utilizando el estado del arte en herramientas computacionales y modelación matemática. Las simulaciones computacionales de los sistemas de biomoléculas se llevaron a cabo en el clúster de cálculo científico del laboratorio (Eowyn: 80 cores, 160 GBi RAM) el cual fue adquirido gracias al financiamiento de Fondecyt. Mediante simulaciones de dinámica molecular se observaron, por primera vez, las dinámicas de interacción entre las moléculas de la vía de señalización, y entre estas y los péptidos de bloqueo. De manera novedosa, estas simulaciones permitieron calcular parámetros termodinámicos (energías libres) que explican resultados observados experimentalmente.
El conocimiento de las interacciones entre estas moléculas y su modelación matemática ayudará a diseñar mejores péptidos de bloqueo que en el futuro permitirán establecer mejores tratamientos farmacológicos, más efectivos y con efectos secundarios de menor intensidad, benefi ciando a una enormidad de personas en todo el mundo. Una vez más, la ingeniería pone el hombro donde se la necesita.
¿Reconocimiento de patrones en el sistema inmunológico?
La evolución de las especies ha permitido el desarrollo de una serie de mecanismos para evitar o combatir infeccionesde organismos patógenos. Estos mecanismos van desde barreras físicas, tales como la piel, hasta complejas redes biomoleculares tales como el sistema inmune. En particular, los seres humanos hemos evolucionado dos sistemas fundamentales para protegernos de la invasión de organismos patógenos. La primera línea de defensa corresponde al sistema inmune innato el cual es capaz de activar una respuesta inmediata si el organismo patógeno es reconocido como tal. Este proceso se basa en la identifi cación de estructuras moleculares en la superfi cie de los patógenos, las cuales son reconocidas por un sistema molecular localizado en la superfi cie de las células del sistema inmunológico (e.g. moléculas TLR - Toll-like Receptors). Este tipo de problemas se conoce como de reconocimiento de patrones y es interesante notar que es habitual en la disciplina de ingeniería, por ejemplo, en la identifi cación de los rostros o huellas dactilares de personas o en la identifi cación de patentes de automóviles, solo por nombrar algunos. El segundo paso involucra el sistema inmunológico adaptativo (linfocitos T y B), el cual es activado varios días post-infección, y que desarrolla una inmunidad de largo plazo en el organismo.
* Por J. Cristian Salgado H: Profesor Asistente, Ph. D. de la Universidad de Chile, académico del Departamento de Ingeniería Química y Biotecnología y jefe del Laboratorio de Modelación de Procesos y Computación Distribuida (PMDC Lab) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.