Bloques temáticos generales
¿Qué es lo que estudia la Biomedicina?
La Biomedicina se puede subdividir en dos grandes ramas de conocimiento clave: la investigación básica y la investigación traslacional. A lo largo de este apartado, se explicarán cada una de estas dos ramas con sus áreas de conocimiento científico específicas: la investigación básica y la traslacional.
INVESTIGACIÓN BÁSICA
La investigación básica es la que se encarga de descifrar los mecanismos por los cuales las células de nuestro organismo son capaces de realizar sus funciones, determinar sus componentes y características, estudiar otros organismos que puedan infectar nuestro cuerpo, etc. Estos mecanismos no solo incluyen mantenimiento y supervivencia celular, también pueden ser de carácter molecular, físicos o debido a gradientes químicos o eléctricos. Dentro de esta rama podemos englobar las siguientes disciplinas.
Bioquímica y Biología molecular
La bioquímica es el uso de las herramientas de la química básica y la química orgánica para:
-
Descifrar las estructuras de las diferentes macromoléculas que forman parte de las células de nuestro organismo
-
Comprender las reacciones químicas que ocurren durante el metabolismo celular a la hora de conseguir energía o sintetizar nuevas moléculas (como ocurre en la duplicación del ADN).
Gracias a la Bioquímica se podrá explicar cómo realizan su función las enzimas, la velocidad a la que se dan las diferentes reacciones o comprender la diferencia metabólica entre diferentes células.
Si además de comprender la relevancia química de estas moléculas, somos capaces de comprender cual es su rol dentro del correcto funcionamiento de la célula y entender la ruta en la que se engloba o con que otras moléculas se relaciona a la hora de desempeñar dicha función, entraremos en el ámbito de la biología molecular. Esta disciplina, muy relacionada con la bioquímica, nos ayudará a comprender la relevancia biológica de las moléculas presentes en las células, así como relacionar su estructura con su función y su síntesis a partir de un gen.
Genética clásica y molecular
La genética es la disciplina que nos permite conocer cual es la relación entre los genes de un organismo y el fenotipo (características observables) que presentará. Dentro de la genética, podemos diferenciar entre dos tipos de aproximaciones a la hora de descifrar dicha relación.
-
La genética clásica se basa exclusivamente en los resultados obtenidos después de un experimento reproducible. Esta disciplina fue la que utilizó Gregor Mendel para dilucidar las tres leyes de la Herencia Mendeliana y sentar las bases de la genética moderna. El uso de estas técnicas nos permitirá resolver cual es el tipo de herencia de un gen (por ejemplo, el del color del pelo) o de una mutación causante de una enfermedad o entender como se comportan la herencia de los genes en una gran población.
-
Si queremos explicar la función de estos genes o su estructura desde un ámbito más molecular y centrado en una sola célula, será necesario el uso de la otra aproximación de la genética; la molecular. La genética molecular se encarga de explicar como estos genes se codifican en el ADN, como son transcritos a ARN para su lectura ribosómica (en muchos casos) y su traducción final a una proteína que realizará su función a nivel molecular. Además, permite estudiar de una manera más cercana las mutaciones que se dan en el ADN, para entender como se traduce una mutación en una modificación de la proteína resultante, o en el desarrollo embrionario de un organismo, en el que se van apagando y encendiendo la expresión de diferentes genes a lo largo del proceso.
También, existe una rama de la genética, menos conocida pero muy interesante, que es la epigenética. Esta disciplina estudia las modificaciones reversibles del ADN (como la adicción de diferentes grupos químicos a las bases nitrogenadas) y su implicación a la hora de la lectura de los genes o los niveles de expresión de las proteínas codificadas por ellos.
Biofísica y fisiología celular
La biofísica es la rama del conocimiento que intenta entender el funcionamiento de las células y las macromoléculas de nuestro organismo desde un punto de vista físico. Gracias a esta disciplina, y el uso de elementos de la física teórica, se pueden explicar diversos fenómenos en todas las escalas biológicas (desde sistemas a moléculas). Su rango de estudio suele coincidir con el de la biología molecular o la bioquímica, ya que intenta explicar como se da la interacción entre diferentes moléculas y como ésta se regula desde un punto de vista físico.
Esta rama permite comprender mejor la cinética enzimática, la biología estructural u otros fenómenos como la nanomedicina, la biología de sistemas (que intenta explicar mediante ecuaciones o simulaciones el funcionamiento global de un conjunto de componentes del organismo) o la bioelectrónica.
También, gracias a la compresión de los fenómenos biológicos desde un punto de vista físico, se pueden desarrollar numerosas técnicas de diagnóstico como la resonancia magnética, el TAC, la radiografía o el análisis de imagen, o comprender lo que hace funcionar a un microscopio.
La fisiología celular podría considerarse el puente más básico entre la función celular y sus características biofísicas o incluso bioquímicas. Un ejemplo de esto es el estudio de la conducción nerviosa por las neuronas y la liberación de neurotransmisores para excitar a otras neuronas o a un músculo para contraerlo. El entendimiento de los procesos electroquímicos que se dan dentro de estas células, así como de sus propiedades físicas como la resistencia a la corriente o el diámetro, son clave para entender como ocurre el funcionamiento cerebral o para comprender la acción farmacológica de ciertos fármacos o sustancias exógenas.
Biología, histología y anatomía
La biología celular es la rama de la biología que estudia la morfología (forma) de las células y su función en el entrono en el que se encuentran. Esta disciplina intenta explicar la estructura intracelular de los orgánulos, así como las rutas señalizadoras, las modificaciones metabólicas, el ciclo celular y la replicación del ADN o las propiedades fisiológicas de las células desde un punto de vista menos funcional y más estructural.
Esta capacidad de explicar el funcionamiento de las células dependiendo de su morfología y su entorno, sentará las bases de la histología, la rama de la biología que explica el funcionamiento y la estructura, no de células individuales, sino de conjuntos de células denominados tejidos. Mediante el uso de tinciones y de microscopios ópticos, las técnicas histológicas permiten dilucidar los diferentes tipos celulares que se encuentran en los tejidos u órganos y cual es la función que desempeñan en la fisiología de dicho sistema u órgano, así como identificar las células que expresan diferentes marcadores de superficie o proteínas relevantes para su función.
Al ampliar la complejidad celular y tisular de estas estructuras al ir añadiendo diferentes tipos de tejidos (y en diferentes proporciones) tendremos finalmente los órganos y estructuras macroscópicas que entran en el ámbito de estudio de la anatomía. La anatomía es la disciplina que estudia las características macroscópicas de los diferentes órganos para describirlas y conocer la implicación de su estructura o composición en su correcta función. Cabe destacar, que este estudio puede realizarse en órganos sanos o patológicos (ámbito de la anatomía patológica). Incluso, se pueden utilizar las herramientas de la biología celular, la histología y la anatomía para estudiar la embriología del ser humano e intentar explicar la gran cantidad de preguntas que todavía existen sin responder en este ámbito.
Microbiología
La microbiología es la rama de la biología que se encarga de estudiar a los organismos microscópicos ya sean unicelulares o no. Esta disciplina se puede dividir a su vez en diferentes ramas dependiendo del organismo que se esté investigando: bacteriología, virología, parasitología o micología. Se utilizan técnicas de biología molecular, bioquímica o genética molecular para conocer la biología de los microorganismos y así comprender tanto su ciclo de vida como su capacidad infectiva (y como la lleva a cabo).
No solo es el objetivo de la microbiología determinar la biología de cada especie de bacteria, virus, hongo o parásito; sino que también se encarga de intentar determinar alguna característica de cada especia que se pueda usar como marcador diagnóstico de la infección o para determinar la especie que es la causante de ella o, incluso, intentar encontrar alguna diana que permita el uso de fármacos para el tratamiento de las infecciones.
Técnicas moleculares, celulares y bioinformática
Las diferentes técnicas que se usan en el día a día de un laboratorio son también campo de estudio de muchísimas personas que se dedican a la ciencia, además de ser la base de la experimentación biomédica.
Dentro de este amplio rango de herramientas y procesos, mediante los cuales se intentan explicar los diferentes fenómenos celulares o fisiológicos y que son la base de las disciplinas comentadas anteriormente, encontramos diferentes agrupaciones dependiendo de la naturaleza de las técnicas.
Las técnicas moleculares son aquellas que se utilizan en la biología molecular, la bioquímica o la biofísica para tratar las diferentes macromoléculas y poder realizar experimentos con ellas. Un ejemplo es la PCR o reacción en cadena de la polimerasa, con la cual conseguimos duplicar la cantidad de ADN de una muestra. Otro tipo de técnicas moleculares como la resonancia magnética nuclear, la inmunofluorescencia u otras herramientas que nos permitirán determinar la cantidad de expresión de un gen, la cantidad de proteína presente en una célula o detectar mutaciones específicas en el ADN.
Por otra parte, las técnicas celulares son mayormente utilizadas en la biología celular para realizar cultivos de células y así tener siempre un tipo de célula específico o un cultivo vivo fuera de un organismo. Existen diferentes formas para realizar cultivos dependiendo de la característica que se quiera observar o determinar. Por ejemplo cultivos en botellas, en placas de Petri, en pocillos o en estructuras 3D que recuerdan a órganos…etc.
Finalmente, las técnicas bioinformáticas nacen de la necesidad de ser capaz de analizar y almacenar de manera ordenada millones de datos de experimentos. El uso del ordenador y de determinados programas creados específicamente para ello, se pueden sacar conclusiones inmediatas de diferentes estudios a la vez, así como establecer la conexión entre diferentes experimentos y realizar un estudio estadístico de los resultados.
INVESTIGACIÓN TRASLACIONAL
La investigación traslacional es aquella que se encarga de intentar comprender el funcionamiento de los diferentes órganos y sistemas del organismo, así como aplicar todo el conocimiento disponible para buscar tratamientos a diferentes enfermedades o comprender como éstas funcionan.
Fisiología humana
La fisiología humana es una disciplina bastante amplia que se encarga de describir el funcionamiento de todos los aparatos y sistemas del cuerpo humano. Por lo tanto, existe una subdivisión en esta rama para cada uno de ellos.
Dentro de nuestro organismo, uno de los sistemas más importantes es el sistema nervioso. El sistema nervioso se encarga de recibir e integrar todos los estímulos que llegan al organismo. También es el encargado de producir una respuesta adecuada a dicho estímulo y de realizar otras funciones intelectuales (como son el lenguaje o el pensamiento). La neurobiología y la neurociencia son las encargadas de entender, como la relación entre la estructura del sistema nervioso y las conexiones entre las neuronas consiguen, en su conjunto, dar lugar a algo tan increíble como la inteligencia.
Otros sistemas que son ampliamente estudiados por la fisiología son los relacionados con el metabolismo y la absorción y excreción de diferentes compuestos como los nutrientes o los metabolitos. El estudio del funcionamiento renal o de la absorción intestinal son de vital importancia para entender conceptos como la deficiencia vitamínica, enfermedades como la hipercolesterolemia o la fenilcetonuria, así como establecer relaciones entre procesos que se dan en estos órganos y que tienen relevancia en otros lugares del organismo. Además, el estudio del sistema cardiovascular es de gran importancia en la época actual ya que las enfermedades que afectan a estos órganos están entre las mayores causas de mortalidad. Entender como funciona el corazón o los factores que afectan a la buena conducción sanguínea por las arterias es necesario para comprender qué es lo que ocurre en situaciones patológicas.
Finalmente, otro sistema muy estudiado es el sistema inmunológico. No solo se puede abordar este sistema desde la fisiología humana, sino que es necesario utilizar conocimientos presentes en otras ramas como son la bioquímica para entender las rutas de señalización de las diferentes células inmunitarias, la biología molecular y estructural para entender la gran diversidad de receptores que presentan los linfocitos para reconocer moléculas de los patógenos o la genética molecular para comprender la hipermutación somática o la recombinación de los receptores linfocitarios.
Farmacología
La farmacología es la disciplina que se encarga de estudiar la acción de los fármacos tanto a nivel molecular como su acción terapéutica general. Estas acciones suelen estar mediadas por receptores en la superficie de las diferentes células que van a realizar una señalización intracelular que conllevará una modificación de alguna de las funciones celulares. Por ejemplo, el ácido acetilsalicílico (o aspirina) actúa contra una proteína de las plaquetas y de las paredes de los vasos sanguíneos, reduciendo la síntesis de mediadores de la inflamación y el dolor, y por lo tanto realizando su efecto analgésico. Por lo tanto, la farmacología estudia, desde el momento en el que nos tomamos la aspirina, hasta que realiza su efecto y es excretada en la orina.
Aun así, también esta disciplina estudia el desarrollo y la tecnología farmacéutica que se utiliza para sintetizar nuevos fármacos. Esto se realiza mediante el uso de la química orgánica, que nos permite determinar las reacciones químicas necesarias para modificar nuestros compuestos con nuevos grupos funcionales o mediante herramientas biotecnológicas, como la producción de fármacos mediante el uso de vectores bacterianos.
Patología y fisiopatología
La fisiopatología y la patología se encargan de estudiar las implicaciones en el organismo de las diferentes enfermedades. Desde la fisiopatología, se intenta dar una explicación de cuál es el fenómeno fisiológico detrás de una modificación de la actividad celular. La patología general, se centra en el estudio de los síntomas y signos de las enfermedades, estudiar su origen fisiopatológico y dar ciertas características que nos permitan reconocer las enfermedades y realizar un diagnóstico certero.
Es decir, ambas ramas intentan explicar, de una manera u otra, cual es la razón detrás de una función celular anómala que conlleva una disfunción tisular o de un órgano que puede tener efectos adversos en la salud de las personas. Son, por tanto, los componentes más cercanos de la biomedicina a la medicina.
Hay también una rama de la patología, que es la inmunopatología. Esta rama intenta explicar y entender las patologías de base inmunológica como son las alergias o el síndrome de Crohn. Estas enfermedades se deben a alteraciones de algunas de las células, vías o moléculas del sistema inmunitario. Entender cuáles son los mecanismos por lo que estas enfermedades actúan son de vital importancia ya que afectan a una gran parte de la población.
Biología del cáncer
El cáncer es un conjunto de enfermedades que engloba muchísimos tipos distintos de manifestaciones. Normalmente, todo comienza con la malignización de una célula (debido a diversas mutaciones) que da comienzo a un ciclo de divisiones y diferenciaciones muy rápidas que dan lugar a una masa celular tumoral. El estudio del cáncer incorpora técnicas y conocimientos de casi todas las ramas de la biomedicina para poder comprender qué es lo que está ocurriendo y como se genera dicho tumor. Desde el uso de la biología celular para entender el ciclo celular de las células tumorales, la genética molecular para comprender las mutaciones y modificaciones del ADN que han llevado a ese proceso tumoral, hasta la fisiopatología para comprender las manifestaciones macroscópicas y sistémicas.
Además, recientemente, se están incorporando técnicas bioinformáticas y biofísicas para poder hacer simulaciones en ordenador de la eficacia de una quimioterapia, determinar el mejor tratamiento o inferir la evolución del tumor. Aun así, el ámbito que más ha tomado importancia en esta disciplina es la inmunología y la inmunopatología. Esto es debido a que se están empleando elementos del sistema inmune para la lucha contra el tumor o se está intentando mejorar la respuesta de éste hacia las células tumorales.
Terapias celulares y genéticas
La rama de la biomedicina que más tiene que ver con el tratamiento de las personas que sufren enfermedades hereditarias o cualquier otro tipo de enfermedad son las terapias celulares y genéticas. Las terapias celulares se basan en el uso de las propias células de las personas para, después de modificarlas en un laboratorio, volver a introducírselas con alguna mejora que pueda ayudar a resolver la patología. Un ejemplo de este tipo de terapias son los linfocitos T-CAR. Estos linfocitos, después de ser extraído, son modificados en sus receptores para que puedan identificar células tumorales de manera más efectiva. Una vez introducidos de nuevo, estos linfocitos van a reconocer más células tumorales, y por lo tanto, van a ser capaces de destruirlas de manera más rápida.
Las terapias genéticas se basan, en el caso de las enfermedades genéticas hereditarias, la introducción en las células enfermas de la copia o las copias del gen que tienen mutado para recuperar la función celular y revertir el proceso de la enfermedad desde el mismo origen de ésta. Un ejemplo de una enfermedad que se puede beneficiar de esta aproximación es la fibrosis quística, enfermedad que afecta a los pulmones.