La medicina, las matemáticas y la ingeniería se combinan para revelar cómo ocurren la sepsis e infecciones menos graves, y qué puede hacerse para detenerlas o prevenirlas

ANN ARBOR, Michigan.— Es una causa principal de muertes, pero nadie sabe con seguridad cómo y por qué ocurre. Es una razón mayor de los costos del cuidado de la salud, que suma días o semanas a las estancias en hospitales y tiempo de trabajo perdido por millones de personas. Pero nadie entiende, con claridad, cómo combatirla.

“Ella” es la infección bacterial en la sangre, conocida también como bacteriemia, y es una parte importante de la enfermedad muy grave llamada sepsis.

Se trata de una infección que se tornará mortal en algunas personas, especialmente los pacientes con cáncer y otros que tienen debilitado su sistema de inmunidad, mientras que en otras se trata con facilidad. No recibe mucha atención pública aunque afecta diez veces más personas en Estados Unidos que el cáncer de mamas. Los hospitales luchan enérgicamente, pero a menudo sin mucho éxito, para impedirla y tratarla día a día.

Ahora una nueva investigación realizada por un equipo de la Universidad de Michigan y sus colegas está encarando el problema en su nivel más básico, con la esperanza de encontrar maneras nuevas y más eficaces para el tratamiento de la bacteriemia y la sepsis.

En una investigación que publica en su edición de noviembre la revista SOC, y artículos recientes en las revistas Bulletin of Mathematical Biology y Academia Emergency Medicine, el equipo describe nuevos modelos de la infección en el torrente sanguíneo, sustentados en computadora, que pueden ayudar en la orientación del desarrollo de tratamientos nuevos.

Los modelos usan complejas técnicas matemáticas, pero han sido validados con experimentos hechos con ratones en laboratorio y en modelos de ingeniería de torrente sanguíneo.

Las nuevas conclusiones dan más información acerca de cómo las bacterias actúan dentro de los vasos sanguíneos del cuerpo, y cómo se podría removerlas de la sangre y filtrarlas hacia órganos en los cuales el sistema de inmunidad puede atacarlas y matarlas.

Ahora este modelo de cómo ocurre la bacteriemia en el “mundo real” del rápido torrente sanguíneo –a diferencia de la placidez de las probetas o las cajas Petri— puede emplearse para estudiar cómo combatir o prevenir mejor las bacterias en la sangre.

John Younger, profesor de medicina de emergencia en la Escuela de Medicina de la UM, encabeza el equipo que incluye miembros con educación médica, en matemáticas y en ingeniería química. Younger dice que el modelo del equipo revela que la infección bacterial del torrente sanguíneo puede verse como una persecución policial a alta velocidad en medio de un tránsito intenso.

“Las bacterias tienen un diámetro de micrones –esto es la milésima parte de un milímetro— y viajan a la misma alta velocidad —de hasta tres pies (poco más de 90 centímetros) por segundo— que las otras células en el torrente sanguíneo, como las células rojas y blancas y las plaquetas”, explica. “Las células blancas, que son la policía del cuerpo, están atascadas en el mismo flujo y no pueden ‘cambiar de carriles’ en el tránsito rápido para capturar y matar a las bacterias”.

Esto significa que las bacterias tienen que adherirse a la pared de un vaso sanguíneo antes de que sean atrapadas, añade. Y es más probable que lo hagan en los vasos sanguíneos pequeños, o capilares, dentro de nuestros órganos o las extremidades.

Los compuestos antibióticos que sido el tratamiento estándar para esta condición desde que se desarrollaron esos medicamentos a mediados del siglo XX. Pero dado que las bacterias comunes han evolucionado para escapar a esos compuestos, los antibióticos son cada vez menos eficaces contra las infecciones del torrente sanguíneo.

Un mejor tratamiento para la bacteriemia y la sepsis, entonces podría incluir estrategias que ayuden a que el cuerpo detenga las bacterias retirándolas del flujo sanguíneo y dirigiéndolas a esas áreas.

En el artículo publicado en Shock, Younger y su equipo describen su nuevo modelo de infección bacterial de la sangre y los órganos que ellos validaron mediante experimentos con ratones.

El modelo combina la fisiología de un vaso sanguíneo, la dinámica de fluidos de la sangre, y modelos matemáticos de cómo se multiplican las bacterias y cómo se mueven entre el torrente sanguíneo y los órganos. También permite que los investigadores entiendan mejor las condiciones diferentes, incluido el estado de baja inmunidad tal como el que pueda experimentar un paciente con cáncer, y una tasa de flujo sanguíneo más alta que la habitual, algo que a menudo se ve en pacientes que combaten una infección grave del torrente sanguíneo.

“Las infecciones del torrente sanguíneo son infecciones que, típicamente, comienzan en una parte local del cuerpo, por ejemplo la vejiga, o el pulmón o la piel. Pero luego las bacterias que pueden causar estas infecciones se las arreglan para eludir a las defensas locales y pasan al torrente sanguíneo lo que les da la oportunidad de ir, esencialmente, a cualquier parte”, explica Younger. “Una vez que están en el torrente sanguíneo pueden viajar a órganos distantes, pueden ir al pulmón, pueden llegar al corazón. Básicamente con como caballos que escaparon del corral”.

En el proceso de creación del modelo los investigadores lo probaron para ver cuán bien replicaba las infecciones en ratones reales. Los investigadores usaron bacterias modificadas para emitir una débil señal luminosa que podía detectarse desde afuera del cuerpo, y otras bacterias que podrían detectarse mediante análisis de la sangre, a fin de observar dónde se concentraban las bacterias en el cuerpo durante las diferentes etapas de la infección, y para determinar con qué rapidez eran destruidas y eliminadas del cuerpo.

El hígado, el pulmón y el bazo tuvieron las concentraciones más altas, y el pulmón aparentemente es el que tiene el sistema más eficaz para matar bacterias.

A algunos de los ratones se les administró un compuesto que habitualmente se usa en la quimioterapia de pacientes con cáncer, uno que mata las células blancas de la sangre. Los pacientes de cáncer y los pacientes en unidades de cuidado intensivo son especialmente propensos a las infecciones del torrente sanguíneo debido al debilitamiento de sus sistemas de inmunidad, y también porque a menudo tienen catéteres intravenosos por largos períodos que permiten la administración de medicamentos directamente en la sangre.

Si bien esto ayuda a que los pacientes eviten la colocación repetida de agujas intravenosas también da a las bacterias una senda fácil para llegar directamente a la sangre.

De hecho los ratones que recibieron el medicamento de quimioterapia y una inyección de bacterias murieron todos debido a una infección bacterial des controlada, en tanto que los ratones que no recibieron el medicamento pudieron eliminar la infección de su torrente sanguíneo. El modelo mostró claramente el mimo resultado.

Una parte importante de las infecciones del torrente sanguíneo asociadas con catéteres consiste en la aglomeración de las bacterias sobre superficies, lo cual se ve también en los catéteres urinarios que causan miles de infecciones cada año. Pero la aglomeración que ocurre dentro del torrente sanguíneo mismo es también importante dado que puede ayudar a que las bacterias se tornen más vulnerables a la respuesta del sistema de inmunidad.

El artículo en Bulletin of Mathematical Biology describe un modelo de este proceso, conocido como floculación, y prepara el escenario para nuevos estudios de los tratamientos que puedan acelerar la aglomeración o que haga los grumos más estables. Esto, a su vez, podría ayudar a que el cuerpo combata la infección con más eficacia.

Younger y su equipo deben hacer más investigaciones antes de que sus modelos den resultados que puedan afectar el tratamiento humano. Pero ya pueden ver el potencial para el mejoramiento de los modelos y para su uso en la simulación de los diferentes aspectos de la bacteriemia y la sepsis humanas.

“Tratamos de entender ahora las reglas del tránsito de las bacterias en el torrente sanguíneo, y si uno puede entender los tiempos de esos acontecimientos también podría comprender mejor cuál es la mejor forma de detectar la infección del torrente sanguíneo cuando ocurre”, dice. “También trabajamos sobre formas de cambiar fundamentalmente las reglas de enfrentamiento de las bacterias y el anfitrión. Hay en juego características mecánicas para lograr que estas salgan del flujo de la sangre. Si podemos cambiar la mecánica de esta interacción, entonces podremos tener una terapia contra la cual las bacterias realmente no tendrán oportunidad de defenderse ni de desarrollar una resistencia. Y ésa podría ser una terapia beneficiosa”.

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