Development of an analytical tool to characterize the dynamics of biological systems using electrophysiological traces

Resumen

Las respuestas celulares a estímulos críticos para su función están organizadas en forma de redes que integran múltiples procesos más sencillos. Las técnicas experimentales actuales únicamente nos permiten visualizar y medir estos procesos a nivel molecular en algunos casos extremadamente favorables. Por tanto, y para el avance de nuestro entendimiento de las respuestas fisiológicas, es crucial el desarrollo de herramientas y métodos que nos permitan extraer a partir de la respuesta celular global (macroscópica) que podemos medir, la dinámica de los distintos procesos a nivel molecular (microscópicos) así como la relación entre los mismos. En esta tesis se presenta el desarrollo de un método híbrido computacional/analático para realizar dicha tarea: la herramienta SYSMOLE (SYStems-based MOLecular kinetic scheme Extractor). SYSMOLE utiliza teoría de identificación de sistemas con el fin de obtener una función de transferencia entre el estímulo (entrada) y la respuesta global de la célula (salida) en el dominio transformado de Laplace. Una vez caracterizada dicha función de transferencia, SYSMOLE obtiene una cadena de Markov o modelo cinético molecular asociado a la misma utilizando un proceso de clasificación e imponiendo ciertas restricciones biológicas para condicionar el problema. Primero utilizamos trazas sintéticas para evaluar las prestaciones de SYSMOLE en términos de velocidad de convergencia, obtención del modelo cinético molecular correcto, y robustez frente al ruido. Después examinamos el funcionamiento de SYSMOLE en su aplicación al análisis de trazas electrofisiológicas de canales de calcio activados durante la despolarización de la membrana, y mostramos que SYSMOLE no sólo obtiene el modelo cinético molecular que describe la activación e inactivación de dichos canales, sino que también identifica correctamente el mecanismo de acción de la nifedipina, un bloqueador de canales de calcio utilizado clínicamente para tratar enfermedades cardiovasculares. Finalmente, presentamos la aplicación de SYSMOLE al estudio de la farmacología y señalización de una nueva clase de fármacos antipsicóticos cuya diana es un complejo heteromérico de receptores acoplados a proteínas G. Los resultados indican que la herramienta desarrollada en esta tesis es capaz de obtener modelos cinéticos moleculares relevantes a partir de trazas electrofisiológicas y que puede ser de utilidad para el estudio de una amplia gama de sistemas biológicos.