Un equipo de investigación, liderado por la Universidad Pompeu Fabra (UPF) en colaboración con el Hospital del Mar, ha creado una base de datos única en el mundo con 16.807 modelos virtuales tridimensionales distintos de la columna vertebral, específicamente de su parte torácica y lumbar, utilizando sistemas computacionales. Se trata de un proyecto de ciencia abierta y la base de datos se ha compartido con toda la comunidad científica a través del repositorio europeo de investigación Zenodo. Gracias al proyecto Europeo Disc4All, liderado por la UPF, estos modelos también se pueden visualizar y descargar a través de la aplicación Spineview, codesarrollada por la UPF y la empresa InSilicoTrials.

La creación de esta base de datos forma parte de una investigación destinada a avanzar en el diagnóstico y tratamiento personalizado de las deformidades de la columna vertebral, alineándose con la creciente tendencia hacia la medicina personalizada. Esta deformidad, con una alta prevalencia entre la población adulta, provoca que la curvatura de la columna en relación a la pelvis no sea la adecuada, produciendo el llamado desequilibrio sagital. Si el paciente se somete a una operación, el riesgo de complicación postquirúrgica de origen mecánico no es menor y existe una gran necesidad de mejorar el pronóstico y la planificación personalizada.

Los resultados de esta investigación se han publicado recientemente en la revista Scientific Data (Nature). Además de la Unidad de Investigación BCN MedTech del Departamento de Ingeniería de la UPF y del Hospital del Mar, el estudio ha contado con la participación de investigadores de dos instituciones italianas: la compañía tecnológica InSilicoTrials de Trieste y el IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi de Milán.

Hacia diagnósticos y tratamientos más precisos para la deformidad de la columna

Este estudio responde a la necesidad de crear modelos efectivos y validados científicamente para analizar las deformidades de la parte toracolumbar de la columna, que no estaban disponibles hasta ahora. "A partir de la base de datos que hemos creado, se podrán generar modelos computacionales personalizados de la parte toracolumbar de un paciente concreto y realizar diagnósticos y planificaciones de tratamientos más precisos, lo que abre la puerta a las terapias personalizadas" – explica Jérôme Noailly, jefe del área de investigación de Biomecánica y Mecanobiología (BMMB) de la Unidad BCN MedTech de la UPF.

Como punto de partida, la investigación ha tomado como referencia un modelo mecánico de la estructura estándar de la columna vertebral, definida por estudios previos, con las vértebras, los ligamentos y contactos articulares de la columna, y los discos intervertebrales, pero sin contemplar las variaciones morfológicas individuales. Gracias al método numérico de los elementos finitos -un método muy utilizado en distintos campos de la ingeniería que discretiza en elementos básicos los componentes de una estructura-, es posible calcular el impacto que un movimiento o carga mecánica (simulada virtualmente) podría tener sobre cada uno de los tejidos presentes en el modelo de columna y mapeados a lo largo de la malla discreta. Haciendo un símil, se podría utilizar un método similar para calcular la resistencia de los distintos componentes de un puente.

Partiendo de esta estructura mecánica de la columna, "en esta investigación, hemos generado 16.807 modelos personalizados 3D de la parte toracolumbar"– explica Morteza Rasouligandomani, investigador de la Unidad BCN MedTech de la UPF y primer autor del artículo. En primer lugar, se obtuvieron imágenes bidimensionales de la columna de 42 pacientes reales mediante técnicas de radiología (EOS). En segundo lugar, estas imágenes 2D permitieron recrear la estructura tridimensional de la estructura toracolumbar ósea de la columna de estos pacientes. A continuación, se adaptó la malla estándar de elementos finitos con los demás tejidos, utilizada como punto de partida, a la estructura 3D externa de la columna de cada paciente mediante procesos numéricos de transformación de formas. Esto permitió obtener modelos 3D completos de la parte toracolumbar de la columna de estos 42 pacientes. Por último, utilizando un sistema de modelado estadístico, se generaron variaciones de estos prototipos, creando una población virtual de hasta 16.807 modelos de la parte toracolumbar de la columna basados en diferencias morfológicas interindividuales reales. La respuesta biomecánica de estos modelos también se ha validado posteriormente con experimentos que parten de información y datos de pacientes donantes. 

Una segunda investigación de la UPF crea 169 modelos de discos intervertebrales para avanzar en el diagnóstico personalizado del dolor lumbar crónico

En el mismo repositorio europeo (Zenodo) donde se pueden encontrar estos modelos 3D de la columna y a través de la misma plataforma de acceso y visualización (Spineview), la Unidad de Investigación BCN MedTech de la UPF también ha compartido recientemente 169 modelos tridimensionales de los discos intervertebrales de la parte toracolumbar de la columna. Estos discos son la mayor estructura avascular -por donde no circula sangre- del cuerpo humano, por lo que actúan como una esponja para absorber el agua y cargas mecánicas, y para conducir a las células residentes los nutrientes que provienen de las dos vértebras que tienen en su parte superior e inferior.

Esta base de datos se enmarca en una segunda investigación de la UPF, expuesta recientemente en un artículo de la revista Frontiers en Bioengineering and Biotechnology, que también parte de la metodología de los elementos finitos. "En esta investigación, analizamos cómo una cierta carga mecánica fisiológica afecta a los discos intervertebrales según las morfologías locales específicas de los diferentes elementos que los forman y que pueden variar entre pacientes" – explica Estefano Muñoz-Moya, investigador de la Unidad BCN MedTech de la UPF y primer autor del artículo. Los resultados tienen un gran potencial para contribuir a la personalización de los diagnósticos y terapias de cada paciente y para prevenir la degeneración de los discos intervertebrales y sus perjuicios sobre la salud, como el dolor lumbar crónico o las hernias discales. Estos discos pueden degenerar de forma lenta o acelerada y con varios grados de severidad para la salud, por distintos motivos, por ejemplo por hábitos como el sedentarismo o el tabaquismo, o por factores genéticos, pero siempre en interacción con los movimientos o cargas mecánicas que una persona desarrolle con frecuencia.

Para la generación de los distintos modelos de discos intervertebrales, se han hecho resonancias de la parte lumbar de la columna vertebral de 36 pacientes, que han permitido obtener modelos 3D de las formas externas e internas de 169 discos intervertebrales (entre 4 y 5 por persona). Posteriormente, se ha seguido un procedimiento similar a la investigación anterior: con procesos numéricos de transformación de formas, se ha adaptado la malla de elementos finitos estándar (definida en investigaciones anteriores) de un modelo mecánico de disco intervertebral -que representa todos los tejidos del órgano- a la morfología de los discos de cada paciente. Después, se ha calculado el impacto que una carga mecánica fisiológica (simulada virtualmente) tendría sobre la malla de los discos intervertebrales de distintos modelos de pacientes reales con sus respectivas morfologías, con el apoyo de técnicas de Machine Learning.

Este estudio ha revelado que el impacto de las cargas mecánicas sobre los discos intervertebrales no depende solo de la altura de estas estructuras, la visión más extendida en medicina hasta ahora, sino de su morfología composición global u holística. Encontramos que las cargas mecánicas que se redistribuyen en los varios tejidos del disco intervertebral resultan de las interacciones entre una multitud de variables morfológicas. Por lo tanto, algunos discos podrían tener, de forma natural, más susceptibilidad a la degeneración que otros, por la particularidad de los entornos mecánicos que se generan en su seno, bajo el efecto del peso del cuerpo. El conocimiento de estas relaciones entre morfología y cargas mecánicas podría mejorar la explotación de técnicas de imagen médica como la resonancia magnética para definir factores de riesgo personalizados.