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Novedades Científicas. Año 2 N° 3, 6-5-2010

Novedades Científicas. Año 2 N° 3, 6-5-2010. Proyectos Fisioma. Lilia Cruz . Profesora de Fisiología UCV Miembro Correspondiente Nacional Puesto número 6. Introducción. Disciplinas Especialidades Subsistemas Nivel de organización o escala dimensional . .

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Novedades Científicas. Año 2 N° 3, 6-5-2010

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  1. Novedades Científicas. Año 2 N° 3, 6-5-2010 Proyectos Fisioma Lilia Cruz Profesora de Fisiología UCV Miembro Correspondiente Nacional Puesto número 6.

  2. Introducción Disciplinas Especialidades Subsistemas Nivel de organización o escala dimensional . La medicina y la biología han abordado el estudio de los seres vivos con un enfoque reduccionista, subdividiendo el conocimiento por:

  3. El enfoque reduccionista y la subdivisión del conocimiento: • Han permitido lograr grandes avances para beneficio de la humanidad • No son suficientes para comprender los fenómenos que se deben a la organización de las partes en sistemas complejos: Deben ser complementados con un enfoque integrativo, de sistemas

  4. Sistema • Un sistema es un conjunto de partes o componentes unidos por una trama de interrelaciones • El todo tiene propiedades que no se pueden conocer con el análisis de los elementos constituyentes aislados .

  5. Los organismos vivos son sistemas muy complejos

  6. Niveles de organización y escalas de tiempo Genes ARN Proteínas Células Tejidos Organos Organismo 23000 genes 100.000 proteínas 300 tipos de células 41 tipos de tejidos 12 sistemas de órganos 1 cuerpo Escala de tiempo en segundos 10-6 s 1s 106s 109s 10-3s 103s Difusión Señalización celular Recambio de proteínas Motilidad Eventos moleculares Duración de la vida humana Mitosis

  7. Niveles de organización, escalas de espacio y tiempo Genes ARN Proteínas Células Tejidos Organos Organismo 23000 genes 100.000 proteínas 300 tipos de células 41 tipos de tejidos 12 sistemas de órganos 1 cuerpo 10-3m 100 metros 10-9m 10-6m 10-6 s 1s 106s 109s 10-3s 103s Difusión Señalización celular Recambio de proteínas Motilidad Eventos moleculares Duración de la vida humana Mitosis

  8. En los mamíferos, las escalas de longitud y tiempo son muy grandes • Longitud: desde nanómetros o 10-9 m (moléculas) hasta metros (organismo). Rango: 109 = mil millones • Tiempo: desde microsegundos o 10-6 s (movimiento browniano) hasta 2,5 x 109 s (80 años) de vida humana. Rango: 2,5 x 1015 = 2500 billones

  9. Integración del conocimientoBiología/ Medicina Integrativas • La integración del conocimiento acerca del cuerpo humano a través de múltiples escalas de espacio, tiempo y jerarquías de organización constituye un gran desafío. • Para lograrlo se considera necesario un cambio radical en la manera como se lleva a cabo la investigación científica.

  10. El enfoque de sistemas requiere: • Equipos humanos interdisciplinarios: médicos, biólogos, químicos, computistas, ingenieros, matemáticos, físicos, etc • Nuevos métodos para adquirir y analizar información masiva relevante • Infraestructura computacional para capturar, almacenar, analizar, integrar, representar gráficamente y formular la complejidad biológica • Integración de las nuevas tecnologías y de las distintas modalidades de hacer investigación científica. • Cambio cultural en las ciencias biológicas • Reformas en la educación de los nuevos científicos Hood L, Galas D The digital code of DNA. Nature; 2003 421: 444-7

  11. Durante los últimos años, comenzando con el genoma, se ha expandido una terminología taxonómica donde el sufijo “OMA” denota conjuntos de componentes de entidades biológicas que son el sujeto de recolección, almacenamiento, organización de datos en gran escala y su interpretación a cada nivel de organización del sistema viviente, Ejemplos: Genoma Transcriptoma Proteoma Metaboloma Lipidoma Welch GR Physiology, physiomics, and biophysics: A matter of words. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 2009; 100:4-17

  12. FisiomaEtimología y definición Fisio = Fisiología Oma = Como un todo, en sutotalidad Integración de todas las funciones fisiológicas Hunter P, Kurachi Y, Noble D, Viceconti M. Meeting Report on the 2nd MEI International Symposium— The Worldwide Challenge to Physiome and Systems Biology and Osaka Accord — J. Physiol. Sci 2008; 58( 7): 425-431

  13. La Fisiología según la Unión Internacional de Ciencias Fisiológicas, UICF (IUPS) • La Fisiología es el estudio de las funciones y procesos integrativos de la vida a todos los niveles de complejidad estructural, desde el nivel molecular hasta el organismo como un todo. • Incluye todos los organismos y enmarca la función en los contextos evolutivo, ambiental, ecológico y conductual • Los fisiólogos procuran traducir este conocimiento en salud para los humanos, animales y ecosistemas http://www.iups.org

  14. Fisioma humano Fisio = Fisiología Oma = Como un todo, en sutotalidad Integración de todas las funciones fisiológicas humanas: desde los genes hasta el organismo, desde la concepción hasta la muerte, tomando en cuenta las influencias de la herencia y el ambiente Fisioma es un concepto unificador en las ciencias biomédicas

  15. Niveles de organización y escala de tiempo Genes ARN Proteínas Células Tejidos Organos Organismo 23000 genes 100.000 proteínas 300 tipos de células 41 tipos de tejidos 12 sistemas de órganos 1 cuerpo Genoma Proteoma Fisioma Transcriptoma Lipidoma Metaboloma 10-6 s 1s 106s 109s 10-3s 103s Difusión Señalización celular Recambio de proteínas Motilidad Eventos moleculares Duración de la vida humana Mitosis

  16. Historia El conceptosobre un proyectofisiomafuepresentadopor la Comisión de Bioingeniería y Fisiología al Consejo de la Unión Internacional de CienciasFisiológicas en su 32° Congreso Mundial, Glasgow, UK en 1993 El proyectofisiomafueiniciadoformalmente en un simposiosatélite del Congreso Mundial de la IUPS en San Petesburgo, Rusia, 1997. El simposiofueorganizado y dirigidoporJames Bassingthwaighte. En el 34 Congreso Mundial de la IUPS en Nueva Zelanda 2001 fuecreado el Comité de Fisioma y BioingenieríacodirigidoporPeter J Hunter y AleksanderPopel Hunter PJ y Borg TK. Integration from proteins to organs: the Physiome Project. 2003. Nature Reviews. Molecular and Cell Biology 4:237-243

  17. Lideres Denis Noble Presidente UICF Universidad de Oxford , UK Dept. Fisiología, Anatomía y Genética Peter Hunter James Bassingthwaighte Presidente Comisión sobre Fisioma y Bioingenieria de la IUPS Universidad de Auckland ,NZ Dept. Ciencias de la Ingeniería Universidad de Washington, USA Departamento de Bioingenieria Profesor de Biomatematicas INICIADORES del Proyecto Fisioma

  18. Symposium— The Worldwide Challenge to Physiome and Systems Biology . Osaka , 2008 P Hunter, Y. Kurachi, D Noble, M Viceconti Meeting Report on the 2nd MEI International Symposium— The Worldwide Challenge to Physiome and Systems Biology and Osaka Accord —J. Physiol. Sci. 2008 ;58 ( 7): 425-431

  19. Proyecto Fisioma de la IUPSUnión Internacional de Ciencias Fisiológicas • Es un esfuerzo mundial del dominio público para proveer un marco computacional que permita comprender la fisiología de los seres humanos y otros organismos eucarióticos • Se propone desarrollar modelos integrativos a todos los niveles de organización biológica The IUPS Physiome Project (http://www.physiome.org.nz/)

  20. Proyecto Fisioma UICF: Objetivos • Obtener e incorporar en bases de datosobservacionessobrefenómenosfisiológicos e interpretarlos en términos de mecanismos • Integrar la información experimental en descripcionescuantitativas y modelos del funcionamiento de humanos y otrosorganismos (biologíaintegrativa) The IUPS Physiome Project (http://www.physiome.org.nz/)

  21. Proyecto Fisioma IUPS: Objetivos • Diseminardatosexperimentales y modelosintegrativosparaapoyar la enseñanza y la investigación • Favorecer la colaboración entre investigadores de todo el mundoparaacelerardescubrimientosacerca de comofuncionan los sistemasbiológicos • Determinar los blancosmasefectivos (moléculas o sistemas) para la terapia, sea farmacológica, genómica o de otrotipo • Proporcionarinformaciónpara la ingeniería de tejidos y el diseño de implantesbiocompatibles The IUPS Physiome Project (http://www.physiome.org.nz/)

  22. Proyectos en desarrollo por la UICF • Ontologíasparaorganizar el conocimientobiológico y el acceso a las bases de datos. • Lenguajes de marcas (markup languages)paracodificarmodelos de estructura y funciónbiológicas en formatoestandard a compartir entre diferentesprogramas de aplicaciones y parareutilizacióncomocomponentes de modelosmasincluyentes (comprehensive): CellML, XML, FieldML • Bases de datos de estructuraa niveles de célula, tejido y órgano • Software paragenerarmodeloscomputacionales de funcióncelular, ej: electrofisiología de canalesiónicos, señalizacióncelular y víasmetabolicas, transporte, motilidad, ciclocelular, etc. en forma gráfica en dos y tresdimensiones.

  23. Proyectos en desarrollo por la UICF • Software paradespliegue e interacción de los modelos de órganosquepermitan al usuariomoverseportodaslasescalasespaciales • Accesopor la red a bases de datos y modelos • Buscadores en red independientes de plataformas • Operación de modelos en la web, independientes de plataformas • Modeloscomputacionalesaplicables a un individuoparaenlazar la informacióngenética con la informaciónanatómica, fisiológica y patológica, con miras a la aplicación en la clínica • Desarrollo de aplicacionesparaenseñarfisiología.

  24. Características de los Proyectos en desarrollo por la UICF • Todos los estandares del fisioma son abiertos • Todo el software usalicencias de fuenteabierta (open source licensing) • Todos los repositorios de datos y modelos son accesiblespor la web en forma gratuita Hunter PJ,  Crampin EJ y Nielsen  PMF Bioinformatics, multiscale modeling and the IUPS Physiome Project. Briefings in Bioinformatics 2008 9(4):333-343; doi:10.1093/bib/bbn02

  25. Virtual Physiological Human (VPH)El humanofisiológico virtual • Es un marco metodológico y tecnológico que permitirá la investigación colaborativa sobre el cuerpo humano como un solo sistema, muy complejo. • Procuradesarrollarmodelosintegradosde la fisiologíahumana Viceconti M, Clapworthy G, Van Sint Jan S The Virtual Physiological Human. A European Initiative for in silico Human Modelling . The Journal of Physiological Sciences 2008; 58(7):441-7

  26. Virtual Physiological Human (VPH)El humanofisiológico virtual Será un gran contenedor de datos validados, métodos, observaciones, modelos, herramientas de trabajo, poder de cómputo, ideas, conocimiento. Todo accesible e intercambiable en forma estandarizada. Se considera que en diez años el sistema de investigación europeo desarrollará la infraestructura que es el VPH Seeding the Europhysioma. The Road Map to The Virtual Physiological Human. STEP Consortium Editor M. Viceconti. http://www.europhysiome.org/roadmap/

  27. Características del marco tecnológico del Humano Fisiológico Virtual • Descriptivo: Debe permitir que las observaciones realizadas en laboratorios, hospitales y en el campo, en cualquier parte del mundo, sean colectadas, catalogadas, organizadas y combinadas en cualquier forma posible Seeding the Europhysioma. The Road Map to The Virtual Physiological Human. STEP Consortium Editor M. Viceconti. http://www.europhysiome.org/roadmap/

  28. Características del marco tecnológico del Humano Fisiológico Virtual • Integrativo: Debe permitir a los expertos, colaborando entre si, analizar esas observaciones y desarrollar hipótesis sistémicas que incorporen el conocimiento de múltiples disciplinas científicas Seeding the Europhysioma. The Road Map to The Virtual Physiological Human. STEP Consortium Editor M. Viceconti. http://www.europhysiome.org/roadmap/

  29. Características del marco tecnológico del Humano Fisiológico Virtual • Predictivo: Debe facilitar la interconexión de modelos predictivos definidos a diferentes escalas, con métodos diferentes y con diferentes niveles de detalle, para formar redes sistémicas que solidifiquen las hipótesis sistemicas, cuya validez pueda ser verificada por comparación con otras observaciones clínicas o de laboratorio. Seeding the Europhysioma. The Road Map to The Virtual Physiological Human. STEP Consortium Editor M. Viceconti. http://www.europhysiome.org/roadmap/

  30. Integración en la práctica clínica • Idealmente se plantea crear un sistema clínico integrado que apoye las decisiones con respecto a cada paciente, donde la información del mismo es cotejada con la de la población y con el conocimiento clínico integrado y procesada por algoritmos basados en conocimiento adecuadamente validados

  31. Integración en la práctica clínica • Llevar a la prácticaclínica el conocimientoadquiridoporlascienciasbásicas con mayor eficacia y prontitud • Construirpuentestecnológicos entre areas de especialización • Promover el entrenamiento de nuevostipos de clínicosmultidisciplinarios • Desarrollarestrategiaspreventivas y terapiasalternativasgracias al procesamientomejorintegrado de los datosespecíficos de cadapaciente. Este enfoque multidisciplinario confronta muchas barreras y va a demandar un enorme cambio de mentalidad en la práctica clínica.

  32. Proyectos europeos desarrollados • RenalPhysiome Project — Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), France • Giome Project — University of Aalborg, Denmark • Epitheliome Project — University of Sheffield, UK • Living Human Project (LHP) — IstitutoOrtopedico Rizzoli (IOR), Italy; Université Libre de Bruxelles (ULB), Belgium; University of Bedfordshire, UK

  33. Proyectos europeos desarrollados • Cardiome Project — University of Oxford, UK • Integrated Biomedical Informatics for the Management of Cerebral Aneurysms @neurIST- • Physiological Flow Network (PFN) — University of Nottingham and University of Sheffield, UK • LHDL (Living Human Digital Library) IstitutoOrtopedico Rizzoli (IOR), Italy

  34. Proyectos europeos actuales En la actualidad la Comisión Europea apoya dos proyectos: Iniciativa del Humano Fisiológico Virtual, (VPH I) Red de Excelencia del Humano Fisiológico Virtual (VPH NoE). • http://www.vph-noe.eu/vph-initiative • http://www.vph-noe.eu

  35. Otros proyectos relacionados • El proyecto chino Virtual Mechanical Human (VMHC) • Centro de Excelencia Global (COE) para la Plataforma Abierta Mundial Orientada hacia la Medicina in silico. Universidad de Osaka. Japón http://www.jsps.go.jp/english/e-globalcoe/index.html http://www.mei.osaka-u.ac.jp/gCOE/english/index.html

  36. Modelaje multiescala en Estados Unidos • National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) • NIH Biomedical Information Science and Technology Initiative (BISTI) • NIH Roadmap for Bioinformatics and Computational Biology. • Interagency Modeling and Analysis Group (IMAG) • Multiscale Modeling (MSM) Consortium • Biomedical Informatics Research Network • National Simulation Resource (NSR) • NIH Center for Biomedical Computation at Stanford (SIMBIOS)

  37. WorldIntegrativeResearchIniciative WIRI Es un acuerdofirmado entre los grandesconsorciosqueestándesarrollandoproyectosfisiomaparafomentar la colaboracióninternacionaldestinada a promover el desarrollo de la investigaciónintegrativa en biomedicina: Eurofisioma, proyectofisioma de la IUPS, proyectofisioma del NSR (Universidad de Washington) SIMBIOS, VMHC, LHDL, @neurIST, y COE de la Universidad de Osaka en Japón http://www.biomedtown.org/biomed_town/VPH/wiri/WIRIAgreement

  38. Modelo exitoso • El modelo del corazónhumanoconstruidopor el grupo de Denis Noble conecta la dinámicaintracelular de corrienteseléctricas, receptores y canales con la función del órgano. Permitemodelarlasarritmias • Ha sidoutilizado con éxitoparapredecir los efectoscolaterales de drogas y paradiseñar la ranolazina, drogaquefueaprobadapor la FDA para el tratamiento de la angina crónica Noble D. Computational Models of the Heart and Their Use in Assessing the Actions of Drugs. J Pharmacol Sci 2008; 107:107 – 117

  39. CONCLUSIONES • El desafío que enfrentan los proyectos relacionados con el fisioma es enorme, mucho mayor que el encarado por los pioneros del proyecto genoma hace veinte años • Se estáprogresandoaceleradamente • Hay buenasrazonespara el optimismo

  40. Bibliografía • Bassingthwaighte JB. Strategies for the Physiome Project.  Ann  Biomed Eng  2000; 28, 1043-1058 • Bassingthwaighte  JB , Hunter PJ, Noble D  Thecardiacphysiome: perspectivesforthefuture. Exp. Physiol 2009; 94:597–605 • Hood L, Galas D The digital code of DNA. Nature; 2003 421: 444-7 • Hunter PJ, Borg TK. Integration from proteins to organs: thePhysiome Project. NatureReviews. Molecular and CellBiology 2003; 4:237-243 • Hunter PJ,  Crampin EJ y Nielsen PMF Bioinformatics, multiscalemodeling and the IUPS Physiome Project. Briefings in Bioinformatics 2008 9(4):333-343; doi:10.1093/bib/bbn02 • Hunter P, Kurachi Y, Noble D, Viceconti M. Meeting Report on the 2nd MEI International Symposium— The Worldwide Challenge to Physiome and Systems Biology and Osaka Accord — J. Physiol. Sci 2008; 58( 7): 425-43

  41. Bibliografía • Noble D. Biophysics and systems biology Phil. Trans. R. Soc. A 2010; 368, 1125–1139. • Noble D. Computational Models of the Heart and Their Use in Assessing theActions of Drugs. J Pharmacol Sci 2008; 107:107 – 117 • Viceconti M, Clapworthy G, Van Sint Jan S The Virtual PhysiologicalHuman. A EuropeanInitiativefor in silicoHumanModelling . The Journal of Physiological Sciences 2008; 58(7):441-7 • Welch GR Physiology, physiomics, and biophysics: A matter of words.Progress in Biophysics and Molecular Biology. 2009; 100:4-17

  42. Referencias en internet • http://www.biomedtown.org • http://www.europhysiome.org • Seeding the Europhysiome. The Roadmap to The Virtual Physiological Human.STEP Consortium. Editor M. Viceconti. http://www.biomedtown.org/biomed_town/STEP/Reception/step_presentations/RoadMap/plfng_view • http://www.iups.org • http://www.jsps.go.jp/english/e-globalcoe/index.html • http://www.mei.osaka-u.ac.jp/gCOE/english/index.html • http://www.physiome.org.nz • http://www.physiome.org/ • http://toolkit.vph-noe.eu • http://www.vph-noe.eu • http://www.vph-noe.eu/vph-initiative • http://www.vph-noe.eu/news/374-vph-noe-strategic-consensus-meeting • http://www.vph-noe.eu/vph-project • http://www.simbiome.org/resource • http://simbios.stanford.edu/

  43. GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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