Matemáticas para proteger a los bacteriófagos sin impedir que actúen
Un estudio realizado por investigadores del Departamento de Matemáticas de la UAB y del Centre de Recerca Matemàtica (CRM) presenta un modelo que describe el comportamiento de los bacteriófagos encapsulados en el tracto gastrointestinal. Su objetivo es comprender mejor las ventajas y limitaciones de la encapsulación y determinar en qué condiciones esta estrategia puede contribuir a mejorar la eficacia de los tratamientos.
Los bacteriófagos, virus capaces de infectar y destruir bacterias, se consideran una de las alternativas más prometedoras al creciente problema de la resistencia a los antibióticos. Ante el aumento de la resistencia a los antimicrobianos, estos virus se han convertido en una de las alternativas terapéuticas más prometedoras a los antibióticos convencionales. Sin embargo, para que estos tratamientos sean efectivos, los bacteriófagos deben superar varios obstáculos antes de llegar al foco de una infección. Cuando se administran por vía oral, por ejemplo, deben atravesar ambientes hostiles como el estómago, donde algunos virus pueden degradarse antes de llegar a su destino.
Para protegerlos durante este viaje, varios grupos de investigación han desarrollado sistemas de encapsulación basados en microcápsulas. Estas estructuras protegen a los bacteriófagos durante el paso por el sistema digestivo, pero plantean un nuevo desafío: mientras los virus permanezcan dentro de la cápsula, no pueden infectar bacterias. Comprender el equilibrio entre protección y liberación es un aspecto clave para optimizar este tipo de terapia.
Un estudio realizado por Sílvia Cuadrado, profesora del Departamento de Matemáticas de la UAB e investigadora vinculada al CRM, junto con investigadores del Departamento de Matemáticas de la UAB Carles Barril y Xavier Bardina, presenta un modelo que describe el comportamiento de los bacteriófagos encapsulados en el tracto gastrointestinal. Su objetivo es comprender mejor las ventajas y limitaciones de la encapsulación y determinar en qué condiciones esta estrategia puede contribuir a mejorar la eficacia de los tratamientos.
El marco matemático propuesto nos permite seguir la trayectoria de los bacteriófagos desde el momento de su administración hasta su llegada a la fuente de la infección. Esto nos permite analizar cómo se liberan progresivamente de las cápsulas, cómo se mueven por el sistema digestivo y cómo interactúan posteriormente con las bacterias.
Como explica la investigadora Sílvia Cuadrado, "nuestro modelo describe la dinámica de los bacteriófagos encapsulados en el tracto gastrointestinal y aborda la cuestión central de encontrar el equilibrio entre la protección y la liberación de bacteriófagos para maximizar la eficacia terapéutica."
Una de las principales contribuciones del trabajo es la incorporación explícita del proceso de encapsulación en un modelo matemático de terapia con bacteriófagos, un aspecto que hasta ahora había sido poco explorado en la literatura científica. Además, el modelo diferencia entre la dosis administrada y la dosis efectiva, es decir, la cantidad real de bacteriófagos que acaban estando disponibles para combatir la infección.
De este modo, las matemáticas contribuyen a responder preguntas difíciles de abordar experimentalmente: ¿cuántos bacteriófagos llegan realmente a su destino? ¿Qué características deberían tener las microcápsulas? ¿Con qué frecuencia deben administrarse para maximizar la eficacia terapéutica?
En lugar de proporcionar una receta clínica específica, el modelo desarrollado por los investigadores ofrece una herramienta para explorar virtualmente diferentes estrategias de encapsulación y administración antes de realizar ensayos experimentales complejos. Este enfoque podría ayudar en el futuro a diseñar terapias con bacteriófagos que sean más eficaces y adaptadas a diferentes tipos de infección.
Sin embargo, los autores señalan que las predicciones del modelo tendrán que ser validadas experimentalmente. Las líneas futuras de investigación incluyen el estudio de nuevos mecanismos de liberación de bacteriófagos, la incorporación de efectos estocásticos que describan de forma más realista pequeñas poblaciones virales y la extensión del modelo a sistemas compuestos por múltiples compartimentos biológicos.
En conjunto, el trabajo muestra cómo las matemáticas pueden contribuir al desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas, ayudando a optimizar los tratamientos basados en bacteriófagos antes de su validación experimental.
Artículo de referencia:
C. Barril, X. Bardina, and S. Cuadrado, Dynamics of Encapsulated Bacteriophage in the Gastrointestinal Tract, Mathematical Methods in the Applied Sciences (2026): 4198–4213, https://doi.org/10.1002/mma.70342.