Los patrones de actividad molecular en la sangre pueden contener pistas no sólo sobre el estado físico de una persona, sino también sobre los procesos biológicos que respaldan el rendimiento físico. Investigadores del MIT, GE HealthCare y la Academia Militar de EE. UU. en West Point han desarrollado un modelo computacional que vincula miles de estas señales moleculares con los niveles de condición física, revelando formas que podrían informar investigaciones futuras para mejorar el entrenamiento físico y acelerar la recuperación de lesiones o enfermedades.
Para desarrollar su modelo, los investigadores analizaron más de 50.000 biomarcadores en 86 cadetes de la Academia Militar de Estados Unidos. Utilizando esta información, los investigadores pudieron identificar las vías moleculares que contribuyen a niveles más altos de aptitud física.
«Tomamos 50.000 mediciones y queríamos reducirlas a aproximadamente 100, donde los marcadores que medimos probablemente estuvieran relacionados mecánicamente con la aptitud física. Así que no sólo habría correlaciones estadísticas, habría muchas, sino también marcadores que probablemente estarían relacionados causalmente», dice Herkeln Fverenra. Profesor de Ciencias y Tecnologías de la Salud, Departamento de Ingeniería Biológica, MIT.
Estos biomarcadores se pueden medir analizando muestras de sangre, lo que ofrece una forma sencilla de proporcionar a un atleta, como alguien con una enfermedad crónica o una lesión a largo plazo, información adicional sobre áreas potenciales en las que centrar sus esfuerzos para reducir el riesgo de lesión, acelerar la recuperación o mejorar un techo de rendimiento superior a lo que indican las medidas tradicionales.
Azer Alizadeh, científico principal del Centro de Tecnologías e Innovaciones Sanitarias de GE HealthCare, es el autor principal del artículo. Freenkel y Luca Marinelli, director de investigación de GE HealthCare, son los autores principales del nuevo estudio, publicado en la revista. Biología de la comunicación.
Mapeo de aptitud
Para encontrar la base genética de un rasgo simple como la altura, los científicos pueden realizar estudios a gran escala conocidos como estudios de asociación de todo el genoma (GWAS), en los que los marcadores genéticos de miles de personas pueden vincularse con la altura. Sin embargo, en el caso de rasgos como la aptitud física, que están determinados por la interacción de muchos factores genéticos, fisiológicos y ambientales diferentes, el panorama se vuelve más complejo.
Los investigadores trabajaron con un grupo de 86 voluntarios de la Academia Militar de EE. UU. en West Point que se estaban entrenando para la Competencia de Habilidades Militares de Sandhurst para tratar de identificar algunos de estos factores. Alizade dirigió el diseño y ejecución del estudio experimental en colaboración con científicos de GE HealthCare, GE Research, West Point y MIT. Durante el período de estudio de tres meses, los voluntarios participaron en hasta cinco sesiones. Se tomaron muestras de sangre antes y después del ejercicio intensivo en cada sesión. Los investigadores también midieron otras características, como la masa muscular magra y el VO2 max (tasa máxima de consumo de oxígeno durante el ejercicio).
Los investigadores pudieron medir más de 50.000 biomarcadores de las muestras de sangre, que obtuvieron analizando patrones de metilación del ADN, secuenciando transcripciones de ARN mensajero y analizando miles de proteínas y pequeñas moléculas encontradas en las muestras.
A partir de un conjunto de 50.000 biomarcadores, los investigadores esperaban identificar un número menor que pudiera predecir la aptitud general medida por el rendimiento en la Prueba de preparación para el combate del ejército (ACFT). Esta prueba incluye una carrera de 2 millas, peso muerto máximo (hasta 340 libras, el peso más pesado que una persona puede levantar en una repetición) y sprint-drag-carry, sprint, arrastre de trineo y transporte de pesas rusas.
Una forma de hacerlo sería simplemente desarrollar un modelo computacional para identificar correlaciones entre la aptitud física y los biomarcadores. Sin embargo, con sólo 86 sujetos en el estudio, este enfoque puede producir correlaciones que son coincidentes y que en realidad no contribuyen al fitness, afirma Fraenkel.
Para adoptar un enfoque más específico, los investigadores primero crearon un modelo de red que representa las interacciones entre marcadores, basándose en bases de datos existentes que catalogan estas interacciones. Estas conexiones pueden representar proteínas que interactúan entre sí en una vía de señalización o un factor de transcripción que activa un conjunto de genes.
«Construimos una red que se puede considerar como un mapa de la ciudad. Quiere encontrar lugares en el mapa de la ciudad que estén iluminados: no solo una luz, sino muchas casas o farolas en el mismo vecindario», dice Fraenkel. «Podemos encontrar en este enorme mapa molecular los vecindarios que están activos al mismo tiempo y que se correlacionan con el fenotipo que estamos midiendo».
“Construimos un marco de modelado predictivo de extremo a extremo basado en bioinformática de red del laboratorio Fraenkel para descubrir grupos de rasgos físicos que predicen puntuaciones de ACFT, como patrones de expresión biológica que impulsan medidas de composición corporal o fisiología del ejercicio como el VO.2 máximo», dice Marinelli.
Después de ingresar las mediciones de los participantes del estudio en este modelo predictivo, conocido como PhenoMol, los investigadores pudieron identificar más de 100 biomarcadores asociados con el rendimiento en el ACFT. Las predicciones de aptitud física basadas en estos biomarcadores fueron más precisas que un modelo que correlacionaba los biomarcadores con el rendimiento en el ACFT sin considerar las conexiones de red. Además, PhenoMol se desempeñó de manera similar al modelo que predice la condición física de los participantes en función de sus mediciones de VO.2 y masa muscular magra.
Vías celulares
Los investigadores descubrieron que los biomarcadores identificados por PhenoMol se agrupaban en varias vías celulares diferentes. Estas incluyen vías involucradas en la coagulación sanguínea y la cascada del complemento, parte del sistema inmunológico involucrada en la eliminación de células dañadas. Fraenkel dice que estos sistemas probablemente ayuden a recuperarse del daño tisular y a la respuesta al estrés al ejercicio.
Otro grupo destacado involucra moléculas asociadas con el ciclo de la urea, que son responsables de la eliminación del amoníaco producido por la descomposición de las proteínas. El modelo también identificó biomarcadores asociados con la función de las mitocondrias (orgánulos generadores de energía en las células).
Fraenkel ahora espera profundizar en qué marcadores indican la condición física actual de una persona y cuáles podrían ser sus niveles potenciales de condición física. Esto puede ayudar a descubrir fortalezas potenciales que no aparecen en las pruebas de aptitud física tradicionales, dice.
Este tipo de predicción puede ser útil no sólo para el entrenamiento deportivo, sino también para personas que se recuperan de una lesión o enfermedad o que experimentan los efectos del envejecimiento. Por ejemplo, el uso de este enfoque en diferentes poblaciones puede proporcionar información útil para una persona mayor después de un accidente cerebrovascular, ya que estos eventos a menudo requieren meses de tratamiento para recuperar una movilidad significativa.
«Esto es cierto para los equipos militares y deportivos, pero también en muchas situaciones de la vida normal, donde tal vez alguien se está rehabilitando por alguna lesión o enfermedad y choca contra una pared», dijo Fraenkel. «O puede descubrir que a medida que alguien envejece, pierde sus habilidades o se vuelve más capaz de lo que cree».
Agrega que los marcadores moleculares de aptitud física también podrían usarse en ensayos clínicos para probar rigurosamente los beneficios potenciales de los suplementos nutricionales y programas de aptitud física populares.
Para agilizar el proceso de prueba, los investigadores quieren reducir el conjunto de biomarcadores a unos pocos que puedan medirse fácilmente a partir de una muestra de sangre mediante un método adecuado para un uso generalizado.
El estudio fue desarrollado con financiación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). Esta agencia declara que los puntos de vista, opiniones o hallazgos expresados son los de los autores y no deben interpretarse como representantes de los puntos de vista o políticas oficiales del gobierno de los Estados Unidos.
