Physiome - un conjunto de funciones fisiológicas del cuerpo. El término proviene de "fisio-" (naturaleza) y "-oma" (en general). El fisioma describe la dinámica fisiológica de un organismo sano normal basado en información sobre su estructura ( genoma , proteoma y morfoma). [un 1] [un 2]
El fisioma se entiende como “ una descripción cuantitativa de la dinámica fisiológica y el comportamiento funcional de un organismo intacto ” [a 3] [a 2] , es decir, una descripción fisiológica del estado de un individuo o un “representante medio” de una especie biológica , o su comportamiento funcional. En el sentido más amplio, este término denota relaciones en diferentes niveles de organización de un ser biológico: desde el genoma hasta el organismo completo y desde el comportamiento funcional hasta la regulación génica.
La investigación científica se desarrolla en el marco de los proyectos internacionales y varios nacionales "Phyziom".
El Proyecto Internacional Physiome fue presentado al Consejo de la Unión Internacional de Ciencias Fisiológicas (IUPS) en el 32º Congreso Mundial en 1993. [a 4] Comenzó oficialmente en un simposio satélite de la Unión Internacional de Ciencias Fisiológicas (IUPS) en San Petersburgo en 1997. [un 3]
Bajo el proyecto "Phyziom", se está trabajando en muchos países altamente desarrollados. Se estableció un programa de investigación relacionado en los Estados Unidos, donde se estableció el Grupo Interagencial de Modelado y Análisis (IMAG) en 2003, comenzando con un grupo de trabajo de nueve organizaciones de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) y tres secciones de la Fundación Nacional de Ciencias ( NSF). Japón y algunos países de la Unión Europea también están desarrollando sus propios proyectos nacionales “Phyziom”.
El proyecto ruso Physiom se anunció a finales de 2017; se está desarrollando como una física matemática de los objetos biológicos. [una]
El Proyecto Internacional Physiom tiene como objetivo explicar cómo funciona cada componente de un organismo como parte de un todo integrado " para ayudar con la comprensión de los sistemas fisiológicos complejos mediante el uso de modelos matemáticos basados en la biofísica que construyen relaciones desde los genes hasta los organismos completos " [a 5] .
Se indicaron como principales tareas del proyecto Physiom las siguientes: [2]
Uno de los objetivos del proyecto Physiom es crear una base de datos de modelos matemáticos de la estructura y funciones fisiológicas de los organismos vivos, desde proteínas hasta órganos e individuos. Como parte del proyecto IUPS Physiome, esta tarea incluye la creación de modelos integrados de componentes corporales como órganos, tejidos o células individuales , así como sistemas reguladores ( endocrino y nervioso ) y los procesos bioquímicos y físicos que los sustentan.
El desafío para las ciencias de la vida en el siglo XXI es integrar la información de la secuenciación del genoma en una mejor comprensión de la biología, la fisiología y la patología humanas. Tales intentos de integración están conduciendo al mundo hacia una nueva generación de biociencias y bioingeniería, donde la información biológica, fisiológica y patológica de humanos y otros animales vivos puede cuantificarse in silico a través de escalas de tiempo y espacio y a través de varias jerarquías de organización, de moléculas a células y órganos, y luego a todo el organismo humano. [B:1]
Con base en la generalización de la experiencia de años anteriores del desarrollo del proyecto Physiom, se formularon los siguientes nuevos principios [a 5] [2] .
Enfoque integradorComo uno de los principios fundamentales del proyecto Physiom, se indicó un enfoque integrador. El término "integracionismo" (Inglés: integracionismo) se propuso en 2000 [a 3] para denotar un enfoque integrador que combina las ventajas tanto del reduccionismo como del holismo . En 2018, se propuso [3] entender el enfoque integrador ( integrativismo ) en la física matemática de los objetos biológicos como una combinación razonable de las ventajas del reduccionismo y el holismo en la resolución de problemas de biología utilizando los métodos de la física matemática. A principios del siglo XXI, surgió una nueva corriente científica, denominada fisiología integrativa [a 3] [B: 2] , que se espera que se convierta en " altamente cuantitativa " (en inglés: "highlyquantant") y, por lo tanto, en una de la mayoría de las disciplinas informatizadas [a 2] .
Consideración multinivelLa necesidad de " consideración multinivel " (eng. análisis multiescala) como uno de los principios centrales del proyecto "Physiom". [a 2] Se entiende que los sistemas complejos, como el corazón , “ están inevitablemente compuestos por elementos de diferente naturaleza, dispuestos espacialmente en una estructura jerárquica ”, lo que requiere una combinación de diferentes tipos de modelado utilizados en diferentes niveles de organización del biosistema, ya que “ los intentos de modelar a nivel de órganos y sistemas de la misma manera que a nivel molecular y celular son imposibles y no conducen a la comprensión ”. “ El análisis de arriba hacia abajo por sí solo no es suficiente y, por lo tanto, esta es otra justificación para el enfoque intermedio”.
ModularidadOtro principio importante declarado en el proyecto Physiom es el principio de modularidad en los sistemas biológicos. [a 2] El principio de modularidad implica que los módulos también deben ser intercambiables para proporcionar una opción adecuada para un propósito particular. Por ejemplo, durante un infarto y el reemplazo de un miocardio normal por una cicatriz, el tejido pierde su capacidad de encogerse y, por lo tanto, actúa como un material elástico pasivo, y esto requerirá un cambio local en el modelo matemático para describir la nueva situación. Además, los módulos en los niveles más altos de la jerarquía (órgano, tejido) ciertamente representan funciones biológicas más complejas, por lo que generalmente se simplifican en los cálculos. Técnicamente, para la interoperabilidad de los módulos se requiere cierta estandarización del diseño de los sistemas biológicos. El principio de modularidad da lugar a la tarea de automatizar la selección de una sustitución en el modelo de módulo general que proporcionará un nivel aceptable de simplificación para la tarea real, y el problema de utilizar inteligencia artificial para realizar tales sustituciones y volver a un forma no reducida y totalmente detallada del modelo. Dicha automatización es crítica cuando se usan modelos en situaciones de diagnóstico o monitoreo clínico.
Cambiando el concepto de causalidadEn el proyecto Physiom se declara un cambio en el concepto de causalidad : “ En sistemas multinivel con bucles de conexiones inversas y directas entre niveles de diferentes escalas, no puede existir un nivel privilegiado de causalidad ”, porque las funciones de alto nivel no existen en absoluto”. surgen” directamente de eventos moleculares, pero desarrollan como resultado la acción de control de la selección natural, que determinó su importancia para el sistema. Las "propiedades del sistema" deben derivarse de la descripción del sistema completo, no de sus componentes. [un 2]
Desarrollando este concepto, Denis Noble propuso designarlo como el principio de la " relatividad biológica ", que puede ser visto como "una extensión del principio de la relatividad, al evitar la suposición de que existe una escala privilegiada en la que se definen las funciones biológicas". . [a6]
Para aumentar la eficiencia de la reutilización e intercambio de modelos entre investigadores, así como para desarrollar modelos grandes de varios niveles, se han desarrollado lenguajes especiales que se utilizan para describir modelos computacionales en el campo de la biología y fisiología de sistemas, como Systems Lenguaje de marcado de biología ( SBML ), CellML y Lenguaje de marcado de jerarquía fisiológica ( PHML ). Desde 2011, se ha desarrollado la plataforma universal PhysioDesigner [4] para el modelado multinivel de sistemas fisiológicos basados en PHML y para el desarrollo de modelos fisiológicos multinivel. [a7]
Durante la reutilización de los modelos, a veces es necesario modificarlos, es decir, ampliarlos, corregirlos y perfeccionarlos. La reutilización de modelos de la base de datos BioModels y del repositorio de modelos del proyecto internacional "Phyziom" sigue siendo difícil debido a la falta de confianza y la falta de documentación adecuada. [un 8]
Ejemplos de proyectos Physiome