image: Structure and main ECM components of a non-degenerate, IVD (left) and a degenerate IVD (right). Within a non-degenerate human IVD the anabolic and catabolic components that regulate the ECM of the disc are kept in balance. During disc degeneration the balance is dysregulated, resulting in decreasing matrix synthesis of COL2A and ACAN and promotion of degrading enzymes (MMPs, ADAMTs). Regarding the disc morphology clear boundaries between NP and AF are difficult to distinguish with degeneration. Created with BioRender.com (2022).
Credit: Authors of the article
Investigadores de la UPF han liderado la creación de un simulador computacional único en el mundo para estudiar una de las raíces del dolor de espalda crónico, en el marco de una investigación con la colaboración del Instituto de Investigación del Hospital del Mar (HMRIB).
Una de las principales causas del dolor de espalda crónico es la degeneración de los discos situados entre las vértebras de la columna, debida a desajustes de los procesos bioquímicos que se dan entre las células que los componen. El equipo de investigación ha creado el primer sistema computacional del mundo para simular estos procesos bioquímicos, fruto de interacciones complejas y difícilmente medibles entre distintas proteínas.
El nuevo simulador, no solo permitirá conocer mejor el origen biológico del dolor de espalda, sino también sentar las bases para diseñar futuros tratamientos que ataquen la raíz del problema y no sean únicamente paliativos como los actuales. Además, el modelo se ha compartido en abierto con toda la comunidad científica y constituye una valiosa herramienta para todos los investigadores en este campo.
Los resultados de la investigación se han publicado recientemente en un artículo de una de las revistas de Nature (npj systems biology and applications). Sus investigadores principales son Jérôme Noailly, jefe del área de investigación de Biomecánica y Mecanobiología (BMMB) de la Unidad BCN MedTech del Departamento de Ingeniería de la UPF; y Janet Piñero, investigadora del Programa de Investigación en Informática Biomédica (GRIB), que desarrollan conjuntamente el Instituto de Investigación del Hospital del Mar (HMRIB) y el Departamento de Medicina y Ciencias de la Vida de la UPF.
¿Qué funciones tienen los discos intervertebrales?
Los discos intervertebrales que se encuentran entre las vértebras son fundamentales para garantizar la flexibilidad de la columna y amortiguar el impacto sobre ésta de diversas actividades mecánicas como andar, correr, levantar pesos, etc. Haciendo un símil, podríamos comparar estos discos con globos que siempre deben estar hinchados con agua para amortiguar los golpes, pero que también se pueden deformar para hacer de articulación. Los discos cumplen funciones diversas para estabilizar y articular la columna vertebral, que ningún material o estructura generada por la ingeniería es capaz de igualar en estos momentos.
Desgraciadamente, degeneran con el tiempo y este proceso puede llegar de forma demasiado precoz y afectar gravemente a la calidad de vida de las personas afectadas. Su degeneración puede deberse a múltiples factores (genéticos, edad, metabolismo, cargas mecánicas soportadas, factores ambientales, etc.)
¿Qué particularidades tienen los discos intervertebrales?
Los discos intervertebrales conforman la mayor parte del cuerpo humano donde no llega la corriente sanguínea. En el espacio que separa unas células de otras, en lugar de sangre, se encuentra el denominado líquido intersticial, principalmente formado por agua salina, por donde llegan los nutrientes a las células, algo que permite la actividad metabólica de forma análoga a otras partes del cuerpo. Esencialmente, el metabolismo celular puede resultar en dos procesos contrapuestos: la generación de tejido (o anabolismo) y la destrucción de tejido (o catabolismo). En condiciones ideales, debe producirse una situación de equilibrio, en la que el tejido que se genera y se destruye es el mismo. Pero pueden existir desajustes en favor del catabolismo que propicien la destrucción de tejido.
En el caso específico de los discos intervertebrales, este proceso metabólico tiene algunas particularidades. En primer lugar, como no circulan la sangre, existen proteínas generadas por las células que permanecen mucho tiempo en el líquido intersticial, cuya actividad puede acabar incidir sobre el metabolismo. En segundo lugar, se trata de una parte del cuerpo a la que no llegan las células del sistema inmunitario, que circulan a través de la sangre y contribuyen a defender el cuerpo. Por eso, las mismas células de los discos pueden asumir funciones propias de células inmunes y pueden generar señales de alarma, desencadenando la producción de proteínas proinflamatorias con un doble efecto: la disminución del nivel de producción del tejido del disco intervertebral y el aumento de producción de enzimas que destruyen la existente. Si esto no se compensa con proteínas con efectos antiinflamatorios o incluso regeneradores (o anabólicos), las consecuencias pueden ser particularmente nocivas para esa parte de cuerpo.
Un estudio que abre la puerta a futuros tratamientos contra el dolor de espalda
El nuevo sistema computacional (Modelo de Red Reguladora) permite simular las interacciones de 33 proteínas que se encuentran en el líquido intersticial y 153 posibles interacciones entre ellas. Este modelo computacional agrupa conocimientos de investigaciones previas sobre el núcleo pulposo, el tejido central de los discos intervertebrales, recogidos por 103 artículos científicos. De esta forma, permite interrelacionar los estudios de diferentes comportamientos de las células de los discos, que hasta ahora se habían estudiado de forma aislada.
“Como simulador, permite analizar qué efectos tendría variar el porcentaje de determinadas proteínas en el líquido intersticial. Esto puede abrir la puerta al diseño de futuros tratamientos biológicos personalizados, basados en una mejor comprensión de las dinámicas complejas de destrucción y mantenimiento del disco intervertebral” – explica Jérôme Noailly (UPF). Estos futuros tratamientos podrían consistir en obtener un suero enriquecido con aquellas proteínas que faltarían para preservar o restaurar el mantenimiento biológico del disco intervertebral, a partir de la misma sangre de un paciente, y hacer llegar este suero al disco intervertebral. Es necesario matizar que los tratamientos biológicos no son farmacológicos. Los primeros actúan sobre el líquido intersticial (situado entre las células de los discos) en el que se ha centrado el presente estudio, para estimular las células. Los segundos actuarían sobre los procesos bioquímicos del interior de las células, que serán objeto de futuros estudios del mismo grupo de investigación.
Artículo de referencia:
Tseranidou, S., Segarra-Queralt, M., Chemorion, F.K. et al. Nucleus pulposus cell network modelling in the intervertebral disc. npj Syst Biol Appl 11, 13 (2025). https://doi.org/10.1038/s41540-024-00479-6
Acceso al simulador computacional:
https://ivd.spineview.upf.edu/network-model/
Journal
npj Systems Biology and Applications
Method of Research
Computational simulation/modeling
Subject of Research
People
Article Title
Nucleus pulposus cell network modelling in the intervertebral disc
Article Publication Date
31-Jan-2025