Plataforma de IA revela la biología oculta de la formación de tumores

Si ya tiene cierta edad, su primer encuentro con la inteligencia artificial (IA) fue probablemente en la tarde de un sábado viendo la película de Stanley Kubrick “2001. Odisea del espacio”, de 1968.  

En la película, la estrella era una computadora llamada HAL 9000 que no quería que la desconectaran. Unos años más tarde, a principios de la década de 1980, la IA controla el mundo en “Blade Runner”, mientras que en las películas de Terminator un algoritmo avanzado llamado Skynet quiere eliminar a la humanidad. 

Sin embargo, en la vida real, la IA es bastante más benigna. Después de todo, se ha convertido en parte de nuestras vidas, ya sea cuando hablamos a asistentes virtuales como Siri o Alexa, o cuando usamos GPS para encontrar la ruta. Todas estas tecnologías usan alguna forma de IA para facilitarnos la vida.

Pero el poder de la IA también puede aplicarse de manera extraordinaria en el campo de la medicina. En la actualidad, la IA se utiliza para ayudar a tomar decisiones clínicas y dar apoyo, así como para analizar tomografías computarizadas, radiografías, resonancias magnéticas y otras imágenes en busca de lesiones u otros hallazgos. En un futuro no muy lejano, la IA también podría ayudar a los científicos a responder algunas preguntas fundamentales sobre la hasta ahora oculta biología de los tumores.

Una nueva plataforma llamada CODA

La IA es central para las labores de Johns Hopkins Center for 3D Multiscale Cancer Imaging, una colaboración con Yale University creada por el Dr. Denis Wirtz, Ph.D., profesor de ingeniería química y biomolecular, vicedirector de investigación en Johns Hopkins, e investigador principal en Johns Hopkins’ Institute for NanoBioTechnology.

La Dra. Laura Wood, Ph.D., cofundadora del Centro, patóloga e investigadora de cáncer de páncreas, se ha sumado a colegas de disciplinas tan variadas como oncología, bioingeniería, matemáticas e informática para desarrollar una plataforma computacional asistida por IA llamada CODA. La plataforma fue creada por Ashley Kiemen, Ph.D., becaria de investigación posdoctoral en Johns Hopking Whiting School of Engineering, y Pei-Hsun Wu, Ph.D., M.S.,  profesor asociado de investigación en Johns Hopkins Institute for NanoBioTechnology. 

Este grupo tratará de responder la pregunta que siempre se han hecho los científicos: ¿cómo se forman los tumores exactamente? Esperan que las respuestas que encuentren puedan conducir a la detección temprana del cáncer de páncreas, el cual, a pesar del aumento progresivo en las tasas de supervivencia, sigue siendo uno de los cánceres más letales.

“El cáncer de páncreas es una enfermedad terrible que necesita mejores tratamientos y detección temprana” indica Wood, profesora asociada de patología y oncología en Hopkins Medicine, directora de patología gastrointestinal y hepática, e investigadora asociada en el Institute for NanoBioTechnology. “Lo que tenemos que hacer es ayudar a responder las preguntas sobre resistencia al tratamiento y encontrar formas de detectar la enfermedad antes”.

Wood explica que el sistema CODA permite a los investigadores producir modelos tridimensionales al ensamblar partes de muestras de tejido tan pequeñas “que podemos ver la anatomía de cada célula”. Y gracias a la habilidad de la IA para manejar gran cantidad de datos, “podemos evaluar muchísimos tumores”, añade. “Creemos que esto nos dará la revolucionaria posibilidad de ver, por ejemplo, la ubicación precisa donde las células cancerosas entran al torrente sanguíneo para iniciar la metástasis”.

La patología es un trabajo meticuloso. Pero CODA ensambla las láminas rápidamente, y a su vez crea un algoritmo que puede cuantificar ciertos atributos del tejido, como la cantidad de células que contiene y otros datos importantes que los científicos “antes no tenían forma de ver”, indica Wood.

“Estamos observando la microanatomía, la vasculatura, y lo vemos de tal manera que la nueva información tiene potencial para asistir en la interceptación, el diagnóstico y el tratamiento. El camino es largo, pero sé que llegaremos”, añade.

El estudio de los PanIN

En el lenguaje de la ciencia, la formación de tumores es conocida como oncogénesis. Es un proceso muy complejo y dinámico por el cual el tumor se forma, se vuelve canceroso, y eventualmente se disemina a otras partes del cuerpo. Wood y sus colegas actualmente están evaluando la solidez de CODA en un tipo de lesión específica llamada neoplasia intraepitelial de páncreas (PanIN), una lesión microscópica que en algunos casos puede convertirse en cáncer pancreático. Los patólogos han reconocido lesiones precursoras en el páncreas por más de cien años. De hecho, se ha notificado la existencia de PanIN en entre el 16 y el 45 % de los tejidos pancreáticos que no albergan cáncer.

Según Wood, las PanIN tienen la clave para interrumpir precozmente el cáncer de páncreas. La premisa subyacente a la interrupción del cáncer es comprender por qué algunas células sanas se vuelven cancerosas y así desarrollar estrategias para literalmente interrumpir el proceso de cambio de benigno a maligno, como también detener la enfermedad antes de que invada el cuerpo, explica.

En un estudio aún no publicado, Wood y sus colegas utilizaron CODA para estudiar las PanIN en una cohorte de 38 trozos grandes de tejido pancreático normal provenientes de piezas quirúrgicas. Estos “trozos” tienen el tamaño de una pequeña pila de monedas y contienen hasta mil millones de células.

Gracias a CODA los investigadores pudieron generar modelos cuantificables de grandes trozos de páncreas humano con resolución unicelular. Encontraron una carga media de 13 PanIN separadas espacialmente por pieza microscópicamente diminuta de tejido muestreado. Luego extrapolaron ese hallazgo a todo el páncreas.

“Nos sorprendió un poco encontrar cerca de 1000 PanIN en un páncreas entero” dijo Wood. “Eso significa que muchos de nosotros vivimos con PanIN. Pero si consideramos que las PanIN son comunes y el cáncer de páncreas no lo es, eso nos indica que algo sucede con las PanIN que se vuelven malignas”.

Para averiguar qué era eso, los investigadores realizaron una secuenciación dirigida del exoma completo de las muestras y descubrieron que casi todas las PanIN contenían mutaciones en el oncogén KRAS. Sin embargo, en más del 20 % de las PanIN analizadas, ningún otro gen aparte de KRAS estaba alterado. Algunas PanIN tienen múltiples mutaciones de KRAS. Los investigadores también descubrieron que las PanIN son multifocales y suelen surgir de clones independientes, lo que significa que han adquirido su propio conjunto de mutaciones.

“Este es uno de los estudios sobre PanIN más detallados jamás realizado” indica Wood. “Resulta sorprendente que este proceso de iniciación de la PanIN se produzca de forma independiente cientos o incluso miles de veces en el mismo páncreas”. Lo que hacen estos resultados iniciales, dice Wood, es empezar a crear un marco para la investigación de los fundamentos biológicos de las PanIN, que luego puede ayudar a estratificar el riesgo de progresión del cáncer.

Wood y sus colegas, con el apoyo de Lustgarten Foundation, seguirán con su trabajo en un estudio llamado Análisis tridimensional del tejido pancrático humano para mejorar la detección temprana del cáncer de páncreas. Otro proyecto de CODA, financiado por Break Through Cancer, se llama Desmitificación del tratamiento del cáncer de páncreas, y estudia la resistencia al tratamiento.

“El primer paso es haber pasado de saber muy poco sobre la biología de las PanIN a aprender y conocer mucho más”, indica Wood. “Esto es fascinante y hay mucha colaboración. Si podemos comprender mejor los eventos biológicos que convierten una PanIN en un cáncer, podemos desarrollar métodos de detección temprana y dirigir mejor las terapias. Y a partir de esto, podremos mejorar la vida de las personas”.