Nanoinformática: retos e iniciativas para la gestión de la información generada en la investigación nanomédica

Durante la última década la investigación en nanomedicina ha generado gran cantidad de datos, heterogéneos, distribuidos en múltiples fuentes de información. El uso de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) puede facilitar la investigación médica a escala nanométrica, proporcionando mecanismos y herramientas que permitan gestionar todos esos datos de una manera inteligente. Mientras que la informática biomédica comprende el procesamiento y gestión de la información generada desde el nivel de salud pública y aplicación clínica hasta el nivel molecular, la nanoinformática extiende este ámbito para incluir el “nivel nano”, ocupándose de gestionar y analizar los resultados generados durante la investigación en nanomedicina y desarrollar nuevas líneas de trabajo en este espacio interdisciplinar. En esta nueva área científica, la nanoinformática (que podría consolidarse como una auténtica disciplina en los próximos años), elGrupo de Informática Biomédica (GIB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) participa en numerosas iniciativas, que se detallan a continuación.

Contribución al estudio de sistemas de hipertermia óptica y su aplicación en muestras biológicas

Las nanopartículas de metales nobles (especialmente las de oro) tienen un gran potencial asociado al desarrollo de sistemas de terapia contra el cáncer debido principalmente a sus propiedades ópticas, ya que cuando son irradiadas con un haz de luz sintonizado en longitud de onda con su máximo de Resonancia de Plasmón Superficial, absorben de manera muy eficiente dicha luz y la disipan rápidamente al medio en forma de calor localizado. Esta característica por tanto, puede ser aprovechada para conseguir elevar la temperatura de células tumorales hasta sobrepasar umbrales a partir de los cuales se produciría la muerte celular. Partiendo de estos principios, esta tesis se centra en el desarrollo y la caracterización de una serie de prototipos de hipertermia óptica basados en la irradiación de nanopartículas de oro con un haz de luz adecuado, así como en la aplicación in vitro de la terapia sobre células cancerígenas. Además, el trabajo se orienta a identificar y comprender los procesos mecánicos y térmicos asociados a este tipo de hipertermia, y a desarrollar modelos que los describan, estudiando y planteando nuevas formas de irradiación, para, en última instancia, poder optimizar los procesos descritos y hacerlos más efectivos. Los resultados obtenidos indican que, el uso de nanopartículas de oro, y más concretamente de nanorods de oro, para llevar a cabo terapias de hipertermia óptica, permite desarrollar terapias muy efectivas para inducir muerte en células cancerígenas, especialmente en tumores superficiales, o como complemento quirúrgico en tumores internos. Sin embargo, los efectos de la toxicidad de las nanopartículas de oro, aún deben ser detalladamente estudiados, ya que este tipo de terapias sólo será viable si se consigue una completa biocompatibilidad. Por otro lado, el estudio exhaustivo de los procesos térmicos que tienen lugar durante la irradiación de las nanopartículas ha dado lugar a una serie de modelos que permiten determinar la efectividad fototérmica de las nanopartículas y además, visualizar la evolución de la temperatura tanto a escala nanométrica como a escala macrométrica, en función de los parámetros ópticos y térmicos del sistema. El planteamiento de nuevas formas de irradiación y el desarrollo de dispositivos orientados a estudiar los fenómenos mecánicos que tienen lugar durante la irradiación pulsada de baja frecuencia y baja potencia de nanopartículas de oro, ha dado lugar a la detección de ondas de presión asociadas a procesos de expansión termoelástica, abriendo la puerta al desarrollo de terapias de hipertermia que combinen la muerte celular producida por calentamiento con la muerte derivada de los fenómenos mecánicos descritos.VII Noble metal nanoparticles (especially gold ones), have a huge potential in the development of therapy systems against cancer mainly due to their optical properties, so that, when these particles are irradiated with a light that is syntonized in wavelength with their maximum of Surface Plasmon Resonance, they effectively absorb and dissipate the light to the surrounding medium as localized heat. We can take advantage of this characteristic for rising the temperature of cancer cells above the threshold at which cellular death would occur. From these principles, this thesis is oriented to the development and characterization of a series of optical hyperthermia prototypes based on the irradiation of gold nanoparticles using the suitable light, and on the in vitro application of this therapy over cancer cells, to understand the mechanical and thermal processes associated with this kind of hyperthermia, developing descriptive models, and to study and to approach new ways of irradiation in order to, ultimately, optimize the described processes and make them more effective. The obtained results show that, the use of gold nanoparticles, and more specifically, of gold nanorods, to carry out optical hyperthermia therapies, allows the development of very effective therapies in order to induce death in VIII cancer cells, especially in superficial tumors, or like surgical complement in more internal tumors. However, the toxicity effects of the gold nanoparticles still need to be studied more detail, because this kind of therapies will be feasible only if a complete biocompatibility is achieved. On the other hand, the exhaustive study of the thermal processes that take place during the irradiation of the nanoparticles resulted in a series of models that allow the determination of the photothermal efficiency of the nanoparticles and also the visualization of the temperature evolution, both at nanoscale and at macroscale, as a function of the optical and thermal parameters of the system. The proposal of new ways of irradiation and the development of devices oriented to study the mechanical effects that take place during the low frequency and low power pulsing irradiation of gold nanoparticles has led to the detection of pressure waves associated to thermoelastic expansion processes, opening the door to the development of hyperthermia therapies that combine the cellular death due to the heating with the death derived from the described mechanical phenomena.

Nanoinformatics approaches for information extraction and text mining in nanomedical research texts

La nanotecnología es un área de investigación de reciente creación que trata con la manipulación y el control de la materia con dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nanómetros. A escala nanométrica, los materiales exhiben fenómenos físicos, químicos y biológicos singulares, muy distintos a los que manifiestan a escala convencional. En medicina, los compuestos miniaturizados a nanoescala y los materiales nanoestructurados ofrecen una mayor eficacia con respecto a las formulaciones químicas tradicionales, así como una mejora en la focalización del medicamento hacia la diana terapéutica, revelando así nuevas propiedades diagnósticas y terapéuticas. A su vez, la complejidad de la información a nivel nano es mucho mayor que en los niveles biológicos convencionales (desde el nivel de población hasta el nivel de célula) y, por tanto, cualquier flujo de trabajo en nanomedicina requiere, de forma inherente, estrategias de gestión de información avanzadas. Desafortunadamente, la informática biomédica todavía no ha proporcionado el marco de trabajo que permita lidiar con estos retos de la información a nivel nano, ni ha adaptado sus métodos y herramientas a este nuevo campo de investigación. En este contexto, la nueva área de la nanoinformática pretende detectar y establecer los vínculos existentes entre la medicina, la nanotecnología y la informática, fomentando así la aplicación de métodos computacionales para resolver las cuestiones y problemas que surgen con la información en la amplia intersección entre la biomedicina y la nanotecnología. Las observaciones expuestas previamente determinan el contexto de esta tesis doctoral, la cual se centra en analizar el dominio de la nanomedicina en profundidad, así como en el desarrollo de estrategias y herramientas para establecer correspondencias entre las distintas disciplinas, fuentes de datos, recursos computacionales y técnicas orientadas a la extracción de información y la minería de textos, con el objetivo final de hacer uso de los datos nanomédicos disponibles. El autor analiza, a través de casos reales, alguna de las tareas de investigación en nanomedicina que requieren o que pueden beneficiarse del uso de métodos y herramientas nanoinformáticas, ilustrando de esta forma los inconvenientes y limitaciones actuales de los enfoques de informática biomédica a la hora de tratar con datos pertenecientes al dominio nanomédico. Se discuten tres escenarios diferentes como ejemplos de actividades que los investigadores realizan mientras llevan a cabo su investigación, comparando los contextos biomédico y nanomédico: i) búsqueda en la Web de fuentes de datos y recursos computacionales que den soporte a su investigación; ii) búsqueda en la literatura científica de resultados experimentales y publicaciones relacionadas con su investigación; iii) búsqueda en registros de ensayos clínicos de resultados clínicos relacionados con su investigación. El desarrollo de estas actividades requiere el uso de herramientas y servicios informáticos, como exploradores Web, bases de datos de referencias bibliográficas indexando la literatura biomédica y registros online de ensayos clínicos, respectivamente. Para cada escenario, este documento proporciona un análisis detallado de los posibles obstáculos que pueden dificultar el desarrollo y el resultado de las diferentes tareas de investigación en cada uno de los dos campos citados (biomedicina y nanomedicina), poniendo especial énfasis en los retos existentes en la investigación nanomédica, campo en el que se han detectado las mayores dificultades. El autor ilustra cómo la aplicación de metodologías provenientes de la informática biomédica a estos escenarios resulta efectiva en el dominio biomédico, mientras que dichas metodologías presentan serias limitaciones cuando son aplicadas al contexto nanomédico. Para abordar dichas limitaciones, el autor propone un enfoque nanoinformático, original, diseñado específicamente para tratar con las características especiales que la información presenta a nivel nano. El enfoque consiste en un análisis en profundidad de la literatura científica y de los registros de ensayos clínicos disponibles para extraer información relevante sobre experimentos y resultados en nanomedicina —patrones textuales, vocabulario en común, descriptores de experimentos, parámetros de caracterización, etc.—, seguido del desarrollo de mecanismos para estructurar y analizar dicha información automáticamente. Este análisis concluye con la generación de un modelo de datos de referencia (gold standard) —un conjunto de datos de entrenamiento y de test anotados manualmente—, el cual ha sido aplicado a la clasificación de registros de ensayos clínicos, permitiendo distinguir automáticamente los estudios centrados en nanodrogas y nanodispositivos de aquellos enfocados a testear productos farmacéuticos tradicionales. El presente trabajo pretende proporcionar los métodos necesarios para organizar, depurar, filtrar y validar parte de los datos nanomédicos existentes en la actualidad a una escala adecuada para la toma de decisiones. Análisis similares para otras tareas de investigación en nanomedicina ayudarían a detectar qué recursos nanoinformáticos se requieren para cumplir los objetivos actuales en el área, así como a generar conjunto de datos de referencia, estructurados y densos en información, a partir de literatura y otros fuentes no estructuradas para poder aplicar nuevos algoritmos e inferir nueva información de valor para la investigación en nanomedicina. ABSTRACT Nanotechnology is a research area of recent development that deals with the manipulation and control of matter with dimensions ranging from 1 to 100 nanometers. At the nanoscale, materials exhibit singular physical, chemical and biological phenomena, very different from those manifested at the conventional scale. In medicine, nanosized compounds and nanostructured materials offer improved drug targeting and efficacy with respect to traditional formulations, and reveal novel diagnostic and therapeutic properties. Nevertheless, the complexity of information at the nano level is much higher than the complexity at the conventional biological levels (from populations to the cell). Thus, any nanomedical research workflow inherently demands advanced information management. Unfortunately, Biomedical Informatics (BMI) has not yet provided the necessary framework to deal with such information challenges, nor adapted its methods and tools to the new research field. In this context, the novel area of nanoinformatics aims to build new bridges between medicine, nanotechnology and informatics, allowing the application of computational methods to solve informational issues at the wide intersection between biomedicine and nanotechnology. The above observations determine the context of this doctoral dissertation, which is focused on analyzing the nanomedical domain in-depth, and developing nanoinformatics strategies and tools to map across disciplines, data sources, computational resources, and information extraction and text mining techniques, for leveraging available nanomedical data. The author analyzes, through real-life case studies, some research tasks in nanomedicine that would require or could benefit from the use of nanoinformatics methods and tools, illustrating present drawbacks and limitations of BMI approaches to deal with data belonging to the nanomedical domain. Three different scenarios, comparing both the biomedical and nanomedical contexts, are discussed as examples of activities that researchers would perform while conducting their research: i) searching over the Web for data sources and computational resources supporting their research; ii) searching the literature for experimental results and publications related to their research, and iii) searching clinical trial registries for clinical results related to their research. The development of these activities will depend on the use of informatics tools and services, such as web browsers, databases of citations and abstracts indexing the biomedical literature, and web-based clinical trial registries, respectively. For each scenario, this document provides a detailed analysis of the potential information barriers that could hamper the successful development of the different research tasks in both fields (biomedicine and nanomedicine), emphasizing the existing challenges for nanomedical research —where the major barriers have been found. The author illustrates how the application of BMI methodologies to these scenarios can be proven successful in the biomedical domain, whilst these methodologies present severe limitations when applied to the nanomedical context. To address such limitations, the author proposes an original nanoinformatics approach specifically designed to deal with the special characteristics of information at the nano level. This approach consists of an in-depth analysis of the scientific literature and available clinical trial registries to extract relevant information about experiments and results in nanomedicine —textual patterns, common vocabulary, experiment descriptors, characterization parameters, etc.—, followed by the development of mechanisms to automatically structure and analyze this information. This analysis resulted in the generation of a gold standard —a manually annotated training or reference set—, which was applied to the automatic classification of clinical trial summaries, distinguishing studies focused on nanodrugs and nanodevices from those aimed at testing traditional pharmaceuticals. The present work aims to provide the necessary methods for organizing, curating and validating existing nanomedical data on a scale suitable for decision-making. Similar analysis for different nanomedical research tasks would help to detect which nanoinformatics resources are required to meet current goals in the field, as well as to generate densely populated and machine-interpretable reference datasets from the literature and other unstructured sources for further testing novel algorithms and inferring new valuable information for nanomedicine.