Natalia Trayanova, biofísica que crea corazones virtuales: “Nos enfrentamos al mayor asesino conocido”

Un corazón sano late aproximadamente 3.000 millones de veces a lo largo de toda una vida. Es gracias a un pequeño cerebro con 40.000 neuronas y otras células nerviosas que generan los impulsos eléctricos que contraen el corazón para bombear sangre por todo el organismo. Cuando este sistema falla, el latido se vuelve irregular, lo que puede causar un paro cardiaco en cuestión de minutos, o desencadenar otras enfermedades como el ictus a lo largo de los años.

Natalia Trayanova se enfrenta cada día a este “descomunal” problema de salud pública. Biofísica de origen búlgaro, es profesora de Ingeniería Biomédica y Medicina en la Universidad Johns Hopkins de Estados Unidos. Dirige la Alianza para la Innovación en el Diagnóstico y Tratamiento Cardiovascular, un instituto de investigación donde médicos, ingenieros, radiólogos y matemáticos aplican enfoques predictivos basados en datos, modelado computacional e innovaciones en imágenes cardíacas para mejorar el diagnóstico y tratamiento de enfermedades cardiovasculares.

Trayanova crea corazones virtuales para cada paciente, una innovación que puede mejorar la toma de decisiones clínicas y la atención médica. De visita en España para ofrecer una conferencia en la Fundación Ramón Areces de Madrid, la científica explica en esta entrevista uno de los usos más luminosos de la inteligencia artificial: simular un corazón para evitar que se pare antes de tiempo.

Pregunta. ¿Cómo de peligrosa es la enfermedad a la que se enfrenta?

Respuesta. El paro cardiaco repentino es el mayor asesino que conocemos. En la mayoría de casos se debe a alteraciones del ritmo cardiaco, las arritmias. Cada año, unas 400.000 personas mueren por estas causas solo en Estados Unidos. Es un problema descomunal, sobre todo porque no entendemos por qué y cómo suceden exactamente. Nuestro objetivo final es saber quién va a sufrir una arritmia y poder evitarla.

P. ¿Cómo pretende conseguirlo?

R. Con cardiología computacional. Imagina que vienes al hospital con un problema cardiaco. En muchos casos, los médicos no tienen claro cuál es la mejor forma de tratarte. Lo que nosotros hacemos es crear un gemelo virtual de tu corazón que nos sirve para entender qué problema tienes y ensayar opciones de tratamiento para que los médicos decidan qué hacer.

P. ¿Cómo se construye un gemelo digital del corazón?

R. Usamos imágenes médicas y computación para construir una réplica exacta de tu corazón. Este reproduce todo lo que sucede en el órgano, desde el nivel celular al del corazón completo.

P. ¿Se puede hacer un gemelo de cualquier corazón?

R. El corazón tiene cicatrices que se forman si sufres un infarto. También hay tejido conectivo que se forma por el envejecimiento normal del corazón. Estas lesiones dificultan la propagación de los impulsos eléctricos, lo que significa que tu corazón no se contrae bien y no bombea suficiente sangre y oxígeno al resto del cuerpo. En cinco minutos puedes estar muerto. El gemelo virtual se basa en una imagen del corazón del paciente hecha con resonancia magnética con contraste. Ahí podemos ver las cicatrices y reproducirlas en un modelo tridimensional. En ese modelo también incluimos la orientación de las fibras musculares, que son fundamentales para la contracción. Y por último añadimos una capa que nos muestra el corazón a un nivel de resolución de un micrón [la millonésima parte de un metro]. En esta capa representamos ya el tejido a nivel celular y subcelular. Podemos reproducir, por ejemplo, las pequeñas corrientes eléctricas que pasan de una célula a otra, que son esenciales para que los latidos se propaguen por todo el corazón. Un corazón virtual terminado acaba representado unos 20 millones de células.

P. ¿Cuánto se tarda en construir un corazón virtual?

R. Es un proceso complejo y requiere grandes ordenadores. Primero, a partir de una resonancia magnética, se segmenta el tejido y la fibrosis, lo que manualmente tomaría seis horas. Sin embargo, con inteligencia artificial, este proceso se reduce a pocos minutos. Luego, un software asigna la orientación de las fibras basándose en un atlas de corazones humanos. Posteriormente, se divide en pequeñas áreas antes de la simulación. La simulación es difícil debido a la alta resolución y la complejidad de las ecuaciones del flujo de corriente, que requieren intervalos de tiempo muy cortos para modelar con precisión la propagación eléctrica. Así que, para responder a tu pregunta, simular una arritmia durante cuatro minutos puede tardar entre cuatro y 10 horas en un supercomputador, dependiendo del número de CPU [unidad central de procesamiento] disponibles. Sin embargo, para hacer múltiples simulaciones y analizar distintos escenarios se requiere un gran esfuerzo computacional. Se pueden evaluar perturbaciones en diferentes áreas del corazón y determinar los puntos críticos donde hay que hacer una ablación: quemar tejido para hacer una pequeña cicatriz para corregir una arritmia. Recientemente, hemos publicado un estudio en Nature Computational Science donde se usó inteligencia artificial para resolver las ecuaciones necesarias en un segundo. Aún falta adaptarlo para incluir cicatrices y fibrosis, pero en un corazón normal ya es eficiente.

P. ¿Qué resultados han obtenido en pacientes?

R. Las arritmias varían según su ubicación en el corazón. Las que afectan a sus cavidades inferiores, los ventrículos, causan muerte súbita. Las que afectan a las cavidades superiores, las aurículas, no son mortales, pero representan el mayor problema de salud mundial. El 2% de la población lo sufre. Una de cada cuatro personas de más de 65 años. Estas arritmias desembocan en infartos cerebrales. Para tratarlas hemos desarrollado gemelos digitales personalizados para 10 pacientes en un estudio piloto. Estas personas habían sufrido infartos muy graves, y los médicos no tenían claro cómo proceder. Los gemelos digitales indicaron dónde realizar la ablación y qué resultados tendría. Los médicos solo tuvieron que poner el catéter donde les dijimos. Terminamos hace tres semanas y por ahora todos los pacientes están vivos y con buena salud. También hemos puesto en marcha un nuevo ensayo con 170 pacientes con problemas auriculares.

P. ¿Se podrán usar estas técnicas de forma rutinaria algún día?

R. Hasta ahora su uso estaba limitado por la necesidad de grandes recursos computacionales. Pero con la nueva inteligencia artificial publicada recientemente, las ecuaciones pueden resolverse en segundos en un ordenador personal. Esto facilitará su implementación en clínicas. Actualmente, el proceso está automatizado: el paciente llega, se escanea su corazón, se segmenta, se crea el gemelo digital y se predice el tratamiento ideal. La noche previa, el médico recibe el plan y, durante el procedimiento, sigue la predicción en pantalla para aplicar el catéter con precisión.

P. ¿Qué opina de los recelos hacia la inteligencia artificial?

R. En Johns Hopkins, dirijo tanto la investigación en gemelos digitales y cardiología computacional como la iniciativa de IA en salud y medicina. Gracias a una donación anónima, se ha financiado un gran proyecto con 160 profesores en IA y un nuevo edificio. Aunque la IA avanza rápido, su adopción en medicina es lenta debido a la necesidad de pruebas rigurosas y la confianza de los médicos. No basta con que una IA diagnostique; debe ser explicable y comprensible para médicos y pacientes. Construir esta confianza es clave para integrarla en la práctica clínica y los registros médicos.

P. ¿Cómo está impactando el nuevo Gobierno de Donald Trump en la investigación biomédica de su país?

R. Es terrible. Los recortes de costes indirectos de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) bajo la administración Trump son muy perjudiciales para la investigación en EE UU. Estos costes, negociados con cada universidad, financian laboratorios e infraestructuras. Johns Hopkins es la institución que recibe más financiación del NIH de todo Estados Unidos. La nueva situación afectará gravemente al desarrollo científico. La reducción de recursos limitará la contratación de nuevos profesores y obstaculizará el progreso de la investigación. Estados Unidos se arriesga a perder su liderazgo mundial en ciencia y biomedicina. Puede que tardemos varias generaciones en mitigar el impacto.