«Quan necessiti resoldre un problema químic, físic o biològic difícil, prengui qualsevol teoria matemàtica de gran bellesa. A l’agregar-, trobarà una solució tard o d’hora»
Paul Dirac
Alexey Kirichenko – Doctor traumatòleg, cirurgià. Graduat a la Facultat de Capacitació Mèdica per a l’Armada a l’Acadèmia Mèdica Militar de S.M. Kirov a Sant Petersburg el 2001. Va començar la seva residència mèdica a l’Acadèmia Mèdica Militar en l’especialitat de Traumatologia i Ortopèdia Militar el 2004. Va participar en l’estudi de millora dels «Fonaments de Cirurgia Cardiovascular i microvascular» com a part del seu programa d’entrenament a El Departament de Cirurgia de la Facultat de Sant Petersburg de la Universitat Estatal de Medicina de Sant Petersburg porta el nom de l’acadèmic IP Pavlov.
Al final de la seva residència mèdica, va treballar en hospitals a la regió de Moscou de 2007 a 2009, al capdavant del departament especialitzat. Va estudiar “Cirurgia amb l’evolució de la microcirurgia plàstica i reconstructiva” a l’Institut Estatal d’Estudis Mèdics Avançats del Ministeri de Defensa de la Federació de Rússia el 2008.
Avui parlem amb Alexey Kirichenko sobre el futur de l’enginyeria mèdica i la relació entre les matemàtiques i la medicina:
Quines preguntes plantejarà l’enginyeria mèdica en el futur?
Primer, revelarà als “pacients vius”: com, per què i en quines circumstàncies de l’evolució arribaran a la naturalesa algunes solucions d’enginyeria? Les respostes a aquestes preguntes brinden grans oportunitats: dispositius tècnics, o mecanismes o sistemes d’intel·ligència artificial. Ser “biològicament semblant” promet proporcionar estalvis significatius en material i energia, per augmentar la precisió i la durabilitat de les obres, perquè el desenvolupament d’aquestes propietats és l’artèria principal de l’evolució.
El nostre treball s’enfoca en revelar l’essència física dels processos que tenen lloc en els sistemes vius. L’aproximació a l’organització biològica, la universalitat de les lleis de la física a la natura animada i inanimada, un alt grau d’integració dels sistemes vius sovint ens donen sorpreses. Estudiem la dinàmica de la fricció del cartílag articular i vam descobrir la llei de la contracció muscular, estudiem l’elasticitat dels marcs biològics i rastregem la superfície multidimensional sense vores, i així successivament.
Vostè és un cirurgià actiu que ha tornat a la geometria i sistemes d’equacions diferencials de Riemann. Com ho va fer?
Una vegada que vaig acumular l’experiència clínica d’ortopèdia i l’experiència mèdica és el principal rang d’informació per a la predicció i la presa de decisions, vaig haver de formalitzar-la. La realitat era que en la patogènia de les malalties i lesions, les desviacions dels ossos petits (que no es descriuen en els estudis ortopèdics i biomecànics clàssics) van ser de gran interès. Vaig començar a estudiar biomecànica però no vaig poder trobar una resposta convincent a la meva pregunta. Una cosa faltava en els llibres, una cosa important que no em va faltar formular. Llavors va quedar clar que necessitava un mestre i un conseller, perquè el front dels problemes emergents va començar a desaparèixer ràpidament a l’horitzó.
Va ser llavors quan va conèixer al professor Sergey Valentinovich Petukhov?
Absolutament, té raó. Vaig demanar ajuda al Laboratori d’Estudis de Sistemes Biomecàniques de l’Institut Blagecraft d’Enginyeria Mecànica de l’Acadèmia de Ciències de Rússia. Així doncs, Sergey Valentinovich em va presentar un dels seus llibres. Mentre ho llegia, els meus interessos variats es connectaven a un nou sistema de coneixement holístic, que combinava perfectament l’anatomia i la física, la genètica i la mecànica, la biologia evolutiva i les disciplines clíniques. Les matemàtiques les van unir sorprenentment d’una manera precisa i consistent.
Per exemple, va quedar clar que en descriure la geometria dels sistemes vius, la geometria euclidiana tradicional “roba” diversos paràmetres i transforma el curs d’un complex helicoïdal en un tipus pla a redreçar la important “irregularitat” de les superfícies vives, o els processos i estructures caòtiques en la naturalesa viva. Caos significa desordre en la comprensió quotidiana, però el caos al món gran és una “hiper-homogeneïtat desordenada”, que és un fenomen molt important i ordenat.
La medicina s’està acostant cada vegada més a la implementació de la regeneració tissular controlada i la biofabricació (bio-impressió). Quins beneficis veu allà com teories axiomàtiques?
De fet, encara hi ha treballs en cirurgia reconstructiva, incloent traumatologia i ortopèdia, que encara no tenen solucions completes -aquest és l’exemple de compensació per defectes complexos- les condicions en què hem de recuperar l’os, els músculs i els nervis amb gots sanguinis i, en alguns casos, cal reemplaçar els òrgans interns afectats.
La bio-impressió és un mètode per construir teixit a partir de cèl·lules que estan molt poc diferenciades. Ràpidament vam descobrir que les cèl·lules mare no tenen prou informació «d’auto-identificació» i, a més, de diferenciació. Les cèl·lules reben aquesta informació durant el desenvolupament embrionari i l’ontogènia, a partir de la informació continguda en el codi genètic. La informació genètica es pot usar per a moure ràpidament l’etapa d’embrió i tenir èxit en l’estat d’una unitat madura de teixit «imprès».
Per això és necessari identificar els paràmetres del sistema, prendre en compte la interacció d’absolutament tots els paràmetres en el temps, descobrir els tipus de canvis i crear un esbós de l’objecte biològic en construcció. La geometria i la topologia, la combinatòria, la teoria de grups, la teoria de control i la teoria dels sistemes dinàmics no lineals són potser el començament de l’enfocament de la comprensió estricta de la morfologia.
Fins i tot si encara no estem a prop de solucions completes, formalitzar aquest tipus de treball de manera matemàtica ja és un avanç important. Això demostra, per exemple, el concepte de «l’entorn mecànic de la morfogènesi». El punt és, per descomptat, no només en l’efecte mecànic sinó en els processos oscil·latoris en general, per a la descripció hi ha teories matemàtiques i físiques ordenades.
Per exemple, els vasos sanguinis creixen al voltant de les línies de força d’un camp electromagnètic altern generat pels primers leiomiocitos. Els precursors de les cèl·lules sanguínies migren cap als vasos sanguinis embrionaris sota la influència de les oscil·lacions ultrasòniques del gènere, les cèl·lules musculars es diferencien en condicions de vibració mecànica d’una freqüència de 100 a 150 Hz. Les oscil·lacions en les concentracions de substàncies actives i metabòlits biològics, estats de fase de fluids biològics i altres també són molt importants.
Vostè ha parlat de la variació en la matèria viva com un fenomen físic, i quin és el paper de la teoria de la geometria i els números units en la biomedicina?
L’acadèmic Konstantin Vasiljevich Frolov va formular de manera exhaustiva la relació entre l’àlgebra i la medicina el 1969. Les matemàtiques són un instrument d’identificació de sistemes vius, és a dir, que li permet comprendre l’essència. De la matèria viva i del concepte d’evolució, que la va originar.
La geometria i la topologia són de gran interès des del punt de vista de les tecnologies biomòrfiques de baixa energia i les tecnologies de processament de materials. Els descobriments matemàtics de les últimes dècades, per exemple, alguns espais multidimensionals vinculats topològicament, aixequen el vel del secret de la diversitat biològica i ajuden a organitzar els signes de personificació de cada criatura vivent. També coneixem la influència de la geometria dels marcs biològics en les cèl·lules que hi viuen.
Les propietats dels nombres en la línia numèrica, la seva densitat, distribució, divisibilitat, reprodueixen miraculosament les propietats dels processos i les estructures biològiques. Per exemple, la distribució i la mida de les cèl·lules en els teixits, la possible forma d’activitat cel·lular, la naturalesa de l’ordre observat en els sistemes vius, etc.
Quines són les perspectives de la “algebrització” de la medicina?
En la cirurgia reconstructiva, aquests són sistemes automatitzats per al cultiu de grups de teixits complexos per reemplaçar defectes, el “cultiu” d’òrgans artificials. Per exemple, el concepte d’un robot antropomòrfic com bioreactor ja s’ha desenvolupat. Els autors creuen, i no s’equivoquen, que les condicions de creixement seran més adequades en aquest cas.
En resum, podem dir que les conseqüències d’una lesió o destrucció d’una part del cos són ben conegudes en cirurgia. No obstant això, ningú coneix encara les “condicions tècniques del disseny i la construcció” d’elements més o menys complexos dels organismes vius.
Entrevista: Ivan Stepanyan
