Una ecuación para mejorar el tratamiento de enfermedades pulmonares

Desde que Lotus Cars descubrió la importancia de la fuerza aerodinámica en el rendimiento de los coches de Fórmula 1, la comprensión del flujo de aire alrededor del automóvil ha sido el centro absoluto del diseño y la construcción de estos vehículos. Desde finales de los años 90, la dinámica de fluidos computacional (o CFD, por sus siglas en inglés) es un pilar que recopila datos sobre la eficiencia aerodinámica de los diseños de competición.

La CFD es una técnica que utiliza ordenadores para simular el movimiento de los fluidos. Para ello, tiene que resolver las ecuaciones que lo describen, denominadas de Navier-Stokes. Estas ecuaciones son muy complejas: se asemejan a un sudoku gigante tridimensional en el que, en cada casilla, existen cinco soluciones distintas.

Un sistema de tuberías muy complejo

El pulmón no deja de ser un sistema de tuberías por las que circula un fluido, el aire, por lo que es susceptible de ser estudiado con técnicas de CFD. Sin embargo, su uso no se ha popularizado demasiado, porque entraña dos grandes dificultades:

  1. El pulmón tiene una anatomía extremadamente compleja, con más de 16 millones de tuberías, los bronquios.

  2. A diferencia de los vasos sanguíneos, por los que la sangre solo circula en una dirección, en el pulmón el aire entra y sale por la misma tubería.

Ventajas del análisis CFD en los pulmones

La aplicación de la CFD a la neumología permite calcular la velocidad y presión del aire en todos los puntos de la vía aérea, así como sus cambios a lo largo del ciclo respiratorio. También permite ampliar los conocimientos sobre los mecanismos que rigen el depósito de partículas inhaladas.

Por tanto, permite alcanzar una mejor comprensión del comportamiento del aire en los pulmones, tanto en gente sana como con enfermedades respiratorias crónicas. Además, sirve para estudiar nuevos mecanismos para mejorar el depósito de fármacos en los pulmones, lo que aumentaría su efectividad. También podemos investigar mecanismos para prevenir que se depositen partículas contaminantes en el interior de estos órganos.

Desafíos

Existen dos grandes desafíos que deben ser superados para obtener un modelo de CFD válido para la investigación del flujo de aire en la vía aérea humana:

  1. Los modelos de CFD para la simulación del pulmón desarrollados hasta ahora estudian pequeñas porciones del pulmón, y las simulaciones son poco realistas.

  2. La espiración no se ha logrado simular correctamente, por ser especialmente compleja. Durante esta fase, múltiples corrientes de aire, procedentes de los más de 16 millones de bronquios, convergen en una única tubería, la tráquea.

La importancia del trabajo multidisciplinar

Desde hace varios años, un grupo multidisciplinar de médicos (neumólogos, radiólogos y especialistas en medicina nuclear) e ingenieros trabajamos en la simulación de los pulmones empleando técnicas de CFD. Hemos desarrollado un modelo realista de la vía aérea humana: desde la nariz y boca, hasta los bronquios más pequeños.

Una de las ventajas de nuestro modelo es que, gracias a un truco informático, se pueden realizar simulaciones complejas en poco tiempo, unos 2 días, mientras que los modelos convencionales pueden tardar semanas.

La otra ventaja de nuestro modelo es que permite simular correctamente la inspiración y la espiración, así como el paso de la fase inspiratoria a la espiratoria.

Los pulmones están formados por más de 16 millones de bronquios. Fernández Tena A. Clinical applications of fluid dynamics models in respiratory disease [dissertation]. Oviedo: Universidad de Oviedo; 2014. 342 p.

Estos dos avances nos han permitido simular correctamente el comportamiento de las enfermedades que obstruyen los bronquios, como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica o EPOC. También nos han permitido profundizar en los mecanismos que rigen el depósito pulmonar de los fármacos inhalados, y obtener información sobre cómo lograr que los inhaladores sean aún más efectivos en cada paciente.

Muchos de estos datos solo se podían obtener, hasta ahora, mediante estudios no exentos de riesgos para el paciente y, sobre todo, incómodos. Por ejemplo, con la inhalación de fármacos marcados con isótopos radiactivos y la colocación de sondas para medir presiones.

La CFD nos permite conocer dónde se deposita exactamente cada partícula que se inhala. Las zonas de color azul oscuro son zonas sin partículas. Las zonas más claras son aquellas en las que se han depositado las partículas inhaladas. Fernández Tena A. Clinical applications of fluid dynamics models in respiratory disease [dissertation]. Oviedo: Universidad de Oviedo; 2014. 342 p.

Un modelo completo de la vía aérea tendría más de 16 millones de tuberías, lo cual implica unos tiempos de simulación inasumibles. Para simplificarlo, se introdujo una mejora en el programa a través de lo que se conoce como una Función Definida por el Usuario (UDF), la cual consiste en una reprogramación del código, que permite simular globalmente el comportamiento del aire en todo el modelo completo. Para ello, la UDF obtiene el perfil de velocidad del aire en el bronquio desarrollado, y lo copia en la rama equivalente amputada, y así sucesivamente, empezando desde el bronquio más pequeño hasta llegar a la tráquea.

Cómo mejorar el tratamiento

Estos son algunos de los resultados obtenidos con las simulaciones en nuestro modelo de la vía aérea:

  • La respiración lenta hace que los fármacos inhalados penetren más profundamente en el pulmón, debido a que predomina la fuerza gravitacional, que hace que las partículas se depositen por su propio peso. Por el contrario, la respiración rápida y agitada hace que el fármaco quede retenido en la garganta, porque las partículas chocan contra sus paredes.

  • Cuanto más pequeñas son las partículas del inhalador, más profundamente penetran en los pulmones.

  • El ángulo con el que el inhalador se introduce en la boca no influye sobre la cantidad de fármaco que penetra en los pulmones. Esto sólo se ve afectado por el flujo inspiratorio y el tamaño de las partículas.

  • Para optimizar el depósito pulmonar de un fármaco inhalado, este debería estar formulado con partículas con un diámetro inferior a las 5 micras, y debería inhalarse lentamente, con flujos en torno a los 30 L/min.

Cuanto más pequeñas sean las partículas de un fármaco, y más lentamente se inhalen, más profundamente llegan a penetrar en los pulmones. Fernández Tena A. Clinical applications of fluid dynamics models in respiratory disease [dissertation]. Oviedo: Universidad de Oviedo; 2014. 342 p.