Vol. 22, núm. 2 marzo-abril 2021

Física aplicada: apoyo al combate de la pandemia COVID-19

Héctor Hugo Cerecedo Núñez y Patricia Padilla Sosa Cita

Resumen

La física se basa en dos pilares fundamentales para su ejercicio, la teoría y la experimentación, ambas son complementarias. En la experimentación física se descubren nuevos fenómenos; en ella, también se comprueban los resultados que la teoría indica o predice.
Actualmente, el mundo entero vive una contingencia sanitaria por el surgimiento del virus sars-CoV-2, causante de la enfermedad covid-19. Por ello, se busca comprender su origen, composición o estructura, las formas de contagio o de propagación, así como tener un control de su mecanismo, y encontrar una posible cura.
La física aplicada, con sus resultados, pruebas experimentales, aplicación de métodos y conceptos, están apoyando el entendimiento de este virus y el combate en su contra.
Palabras clave: física aplicada, biofísica, virus, sars-CoV-2, covid-19.

Applied Physics: support for fighting the covid-19 pandemic

Abstract

Physics is based on two fundamental pillars for its exercise, theory, and experimentation, both are complementary. New phenomena are discovered in physical experimentation; in it, the results that theory indicates or predicts are also verified.
Currently, the whole world is experiencing a health emergency due to the appearance of sars-CoV-2 virus, which causes covid-19 disease. Therefore, we seek to understand his origin, composition or structure, ways of contagion and spread, as well as having control of its mechanism and find a possible cure.
Applied physics, with its results, experimental tests, application of methods and concepts, is supporting the understanding of this virus and the fight against it.
Keywords: applied physics, biophysics, virus, sars-CoV-2, covid-19.

Introducción

La física es una rama esencial de las ciencias, que estudia los componentes fundamentales del universo. Comprende el estudio de la materia, la energía, el espacio-tiempo, las interacciones fundamentales; sus leyes y la relación en entre todo ello, así como sus aplicaciones en la humanidad (lo que denominamos física aplicada).

La física aplicada, al igual que otras muchas disciplinas importantes, está contribuyendo directa o indirectamente en la solución y entendimiento de la emergencia sanitaria del virus sars-CoV-2, causante de la enfermedad covid-19 (Velavan y Meyer, 2020).

Imagen 1. Estructura de sars-CoV-2. Modificada de cdc, Eckert y Higgins (2020).

La física en general se ocupa de innumerables fenómenos naturales. Por ello es conveniente mencionar que, para su estudio, compresión o entendimiento, se intenta identificar esos fenómenos de acuerdo con divisiones, ramas o teorías. Así, por un lado, las divisiones de la física son la física teórica, que se apoya de fundamentos matemáticos para explicar, con leyes y teorías, el comportamiento de la naturaleza; la física computacional, que con el apoyo de la programación y algoritmos computacionales modela la naturaleza física; y física experimental y aplicada, que basa las investigaciones en el desarrollo de experimentos, pruebas y prototipos, con un enfoque útil o práctico.

Por otro lado, las ramas de la física son la física clásica, basada en conceptos y teorías desarrollados hasta el siglo xix; la física moderna, que parte de la postulación de la cuantización de la energía, a inicios del siglo xx; la física contemporánea, que considera conceptos y teorías actuales, que, incluso, inciden en otras áreas como biología, medicina, ingenierías, etcétera, y que también podríamos considerar como física multidisciplinaria. Además, para la física, las teorías que rigen la naturaleza se encuentran en la mecánica clásica, electromagnetismo, termodinámica y mecánica estadística, mecánica cuántica y relatividad; en las cuales, se incluyen innumerables fenómenos y conceptos.

Durante la descripción de este trabajo haremos referencia a algunas de esas teorías, fenómenos y conceptos, con la finalidad de que el lector identifique esas ramas de la física con el problema que se está analizando. De este modo, explicaremos, con investigación documentada, la relación existente con la estructura del virus, la detección indirecta o su monitoreo, la propagación, la forma de controlarlo o evitarlo, así como algunas formas de erradicarlo.

El virus y la física moderna

Un virus, como el sarscov2, presenta una estructura molecular mucho más pequeña que una célula (ver imagen 1). Los virus tienen un diámetro aproximado entre 50 a 200 nm (un nanómetro —nm— equivale a una mil millonésima parte de un metro: 1 nm = 10−9m). Por esa razón, no es posible visualizarlo con un microscopio convencional, que emplea luz y fotones. Para ello, se requiere un equipo más poderoso; en este caso un microscopio de transmisión de electrones (tem: Transmission Electron Microscopy; Winey et al., 2014). Un instrumento de este tipo emplea un haz de electrones, que se concentra en un área muy pequeña (se enfoca), e incide sobre la muestra y la atraviesa (ver imagen 2).

Imagen 2. Microscopio de transmisión de electrones (Ortisa, 2010).

Además de lograr ver al virus, podemos conocer partes de su estructura interna y externa, con apoyo de técnicas similares a tem (ver imagen 3), como la microscopía criogénica de electrones (cryo-em: Cryogenic Electron Microscopy), en la que la muestra se coloca a muy bajas temperaturas. También existe la microscopía de escaneo de electrones (sem: Scanning Electron Microscope), la cual es una técnica de monitoreo superficial. Los microscopios de electrones actuales son el resultado de los estudios de los físicos sobre los electrones y su comportamiento con la materia. Estos conocimientos ahora son esenciales en la física moderna y contemporánea.

Imagen 3. Partículas virales de sars-CoV-2 que emergen de cultivos celulares. Obtenida con un microscopio de transmisión de electrones (niaid, 2020).

La detección y la óptica

El procedimiento estándar para el diagnóstico del virus se realiza por medio del método de reacción de cadena de polimerasa (pcr, Polymerase Chain Reaction). En él, la muestra a investigar —saliva, por ejemplo— pasa a través de varios ciclos químicos y en la última etapa se emplea un arreglo óptico, que determina si la muestra es positiva o no al virus. Así, la muestra ya procesada, se coloca en ese instrumento óptico, y se realiza una medición de emisión de radiación fluorescente para el diagnóstico final. El arreglo óptico que se emplea consiste en una lámpara de tungsteno (como los focos convencionales), filtros de color, espejos y una cámara digital para el procesamiento de la intensidad de la luz (Sreejith et al., 2018). Las áreas de la física moderna (física contemporánea) y la óptica, proporcionan los conocimientos físicos para comprender cómo se lleva a cabo el diagnóstico.

Monitoreo del virus, física del estado sólido y la luz

Aunque no existe una forma directa de monitorear la presencia de un virus, para el caso del sars-CoV-2 y su enfermedad covid-19, esto se puede realizar de una forma indirecta, apoyándonos de algunos instrumentos. Entre ellos se encuentran los termómetros de radiación infrarroja y los oxímetros portátiles. Ambos instrumentos operan con principios de la física del estado sólido, relacionado con la física de los materiales, y del espectro electromagnético, vinculados con la radiación infrarroja, o sea, la energía calorífica que se encuentra entre los 800nm a 1mm.

Por ejemplo, el termómetro de pistola es un sensor puntual, que tiene un detector semiconductor 1 de radiación infrarroja, calibrado para los rangos de temperatura humana. También cuenta con un apuntador láser, pero eso únicamente sirve para indicar el punto donde se medirá la temperatura. Este tipo de termómetros sólo permite conocer la temperatura de una persona, cuyo rango normal va de 36.1 a 37.2 °C (U.S. National Library of Medicine, 2020); e informa si el individuo se encuentra fuera de lo normal (arriba de 38 °C), lo cual puede ser un indicador de la presencia de algún virus o infección, dentro de su cuerpo. Por cierto, este tipo de termómetros no daña la salud, su radiación es completamente segura (en los puntos indicados) para el ser humano.

En el caso del oxímetro, éste funciona con la ayuda de un detector semiconductor de radiación y una fuente de emisión de luz infrarrojos (por ejemplo, un diodo láser, led). La luz debe atravesar un dedo de la mano y con ello se miden las variaciones de esta radiación, la cual esta calibrada para conocer la oxigenación y el pulso del paciente. En el caso de la pandemia que nos atañe, es útil para el monitoreo de la irrigación de oxígeno dentro de nuestro cuerpo, ya que ello es un parámetro determinante de la evaluación de la enfermedad.

La propagación del virus y la luz

Aun que el virus es muy pequeño (ya hemos mencionado que no lo podemos ver a simple vista o con algún instrumento óptico convencional), es posible “visualizar” indirectamente, o al menos tener una idea, cómo se propaga por contacto o a través del aire.

La luz resulta una herramienta útil para comprender la amplia y rápida propagación de secreciones, en este caso, por gotas de saliva, que contienen virus. Existen experimentos en los que se ha empleado luz ultravioleta para visualizar la propagación por contacto; así como arreglos ópticos clásicos con luz convencional y arreglos láseres para visualizar la propagación de gotas de saliva de tamaño microscópico en el aire, conocidas como gotículas o microgotas, que son pequeñas gotas de saliva de tamaño microscópico.

Se han reportado experimentos cualitativos que permiten visualizar indirectamente la propagación del virus, a través de la diseminación por contacto (Rober, 2020; nhk WORLD-JAPAN, 2020c). En ellos se emplean polvos y pinturas fluorescentes, que son incoloros a simple vista, como el virus, y se aplican a una o a varias personas, para observar su propagación. En ambos casos, un solo individuo toma un poco de pintura fluorescente y la frota en sus manos. Posteriormente, se le ingresa a un cuarto con iluminación convencional, en el que hay un grupo de personas (15 aproximadamente). Después de un determinado tiempo (en promedio 30 minutos), tras llevar a cabo actividades normales, se realiza una inspección con iluminación ultravioleta. El resultado revela la propagación de los polvos o la pintura fluorescente hacia los integrantes del convivio y su presencia en los diversos objetos e instrumentos que se tocaron.

Para estudiar la manera en que los virus pueden propagarse en el aire, se visualiza el flujo de gas que expulsa nuestro cuerpo (lo que incluye las gotículas), bajo diferentes condiciones, al toser. Con ello se comprueba la efectividad del uso de mascarillas. El experimento fue realizado en la Bauhaus-Universität Weimar de Alemania. En él, se emplea un arreglo óptico clásico, conocido como sistema de contraste de fase, para visualizar cambios de densidad del aire (también es conocido como sistema Schlieren o sistema de shadowgraphy). Dicho arreglo utiliza un espejo cóncavo circular, iluminación láser y una cámara digital (Settles et al., 1995; Völker, 2020). Cabe destacar que estas pruebas están relacionadas también con conceptos de la física de los fluidos.

En otro caso muy similar al anterior, se observa la transmisión y el alcance de las gotículas de saliva, transportadoras de virus, a través del aire y en ambientes cerrados, al momento de hablar o estornudar. Estos estudios se apoyan de la implementación de una hoja de luz láser, que son planos de luz formados con uno o varios haces de luz láser, y una cámara de alta sensibilidad (Ala Bouhanguel, 2011; nhk WORLD-JAPAN, 2020a). En un cuarto de laboratorio acondicionado, se realizan varias pruebas, haciendo que una persona estornude y que, posteriormente, se encuentre en una situación de plática con otra. El ambiente alrededor está iluminado adecuadamente con la luz láser, lo cual permite visualizar las microgotas de saliva (que se encuentran entre un milímetro y 0.1 micrómetros de diámetro) y con ello determinar su alcance. Con estos datos y ayuda de la física computacional también se pueden realizar simulaciones que predicen la propagación y el alcance de las gotículas en diferentes ambientes o espacios (ver video 1).



Video 1. Experimento sobre la manera en la que el sars-CoV-2 se propaga al hablar (CNN Chile, 2020).


Como se puede observar de los casos anteriores, los conocimientos de fluorescencia, láseres y óptica son fundamentales para platear y comprender este tipo de fénomenos. Los conceptos necesarios los proporciona la física clásica y la física moderna.

También queda claro que, empleando conceptos fundamentales de mecánica clásica, como la distancia y el tiempo, y apoyados con cultivos bacteriales, es posible conocer las diferentes dosis de bacterias (y en este caso de virus) que una persona puede expulsar al toser o estornudar (cbs 8 San Diego, 2020; Youtube pidc, 2020). Ello se logra con una especie de experimentos de alcance por tiro parabólico, como los que se estudian en la mecánica clásica. Para este caso, se coloca a una persona y se le pide que estornude, que hable o que tosa. Los fluidos que salgan de su boca serán los proyectiles. En frente de esa persona se colocan cajas de Petri (para cultivo), preparadas para recibir las gotículas expulsadas. Así, es posible estudiar la cinemática de las partículas a partir de la trayectoria parabólica que siguen. Dicho conocimiento es útil para tomar medidas de prevención.

Cómo evitar al virus mediante la física

Mucho se ha comentado que el lavado de manos con jabón es muy importante para evitar el contagio por contacto, al igual que el uso de gel antibacterial (con contenido de alcohol). En el caso del lavado con agua y jabón, la física también ha contribuido en el desarrollo y entendimiento de ello. Aquí, la explicación entra en el ámbito de la fisicoquímica, que explica el mecanismo de operación de la aniquilación del virus. Para ello existen experimentos cualitativos y demostrativos (rcsbProteinDataBank, 2020; Vox, 2020). En ellos, se resume y explica un experimento sencillo entre agua, jabón y aceite. Lo primero que debemos saber es que las moléculas de jabón y aceite (que equivale a la emulación de un virus) son distintas, y cuentan con cargas (polaridades) diferentes, cargas positivas (+) y negativas (-). De esta manera, un extremo de las moléculas de jabón, con cargas positivas, se adhiere a las moléculas que conforman el virus. El otro extremo, con cargas negativas, se adhiere a las moléculas de agua. Ésta juega un papel importante, pues sus moléculas ayudan en la destrucción del virus (ver video 2). Como se ha indicado, todo ello tiene lugar debido a las distintas cargas y a la atracción electrostática que presentan las diferentes moléculas en cuestión. Estos conceptos son fundamentales en electrostática, teoría electromagnética, fisicoquímica, entro otros.



Video 2. ¿Cómo destruye el lavado de manos a los virus? (Imagen Noticias, 2020).


Recientemente, en México, surgió una manera ingeniosa de evitar el contacto directo en pequeñas tiendas de productos básicos. Para ello se echa mano de conceptos básicos de la mecánica clásica (Milenio Noticias, 2020). Aprovechando la atracción gravitacional y conceptos fundamentales de mecánica, se han elaborado mecanismos simples para trasportar productos y dinero; por ejemplo, en una tortillería, se colocó una rampa de madera (de más de un metro de largo) para entregar los kilogramos de tortilla. En esa misma tortillería, se colocaron dos rampas de tubos de plástico (pvc) cortados a lo largo, uno para la entrega del dinero de compra y la otra para entregar el cambio del dinero. De esa forma, se espera reducir el contagio por contacto directo.

Respecto al comportamiento de los flujos de aire, con gotículas portadora de virus, también existen arreglos y experimentos ópticos, que emplean planos u hojas de luz láser, que se forman a partir de un láser y se visualizan con hielo seco 2 (nhk WORLD-JAPAN, 2020b). En esos experimentos, se emplean los planos de luz láser para “iluminar” el flujo de aire dentro de una habitación ventilada o no, y observar cómo se mueven, lo que permite concluir la importancia de contar con espacios ventilados. Esos experimentos y pruebas también son útiles para el desarrollo de simulaciones computacionales físicas, ya que con ellos se pueden validar modelos físicos teóricos y realizar predicciones del comportamiento de los gases en espacios cerrados o ventilados. Esto, a la vez, nos permite conocer la posición adecuada de los flujos de aire con micropartículas (gotículas). En este caso, los conceptos en láseres, fluidos y óptica son fundamentales.

Acabar con el virus y la radiación electromagnética

Por el momento no existe una manera efectiva de combatir la enfermedad una vez que se contrae, aunque ya hay vacunas de distribución limitada y algunos tratamientos y medicamentos de prueba. Por ello, sigue siendo importante mantener desinfectados los objetos, instrumentos y áreas comunes de trabajo. Una de las opciones para alcanzar dicho objetivo tiene que ver con el empleo de radiación ultravioleta (en este caso, luz ultravioleta del tipo uv-C, del orden de 200 nm de longitud de onda), que actúa como germicida desinfectante. La radiación ultravioleta que se emplea daña la estructura interna de los virus (a un nivel molecular, dentro de su envoltura) y de esa forma “los elimina” (ver imagen 4).

Imagen 4. Longitud de onda de la luz UV apropiada para desinfección (La imagen corresponde a una adaptación de la referencia de acceso público: Light Progress, UV-C SOURCES, https://www.lightprogress.it/en/blog/uv-c-sources_1.html, consultado el 15 de febrero de 2021.).

Dicha modalidad es muy bien aceptada en hospitales, para desinfectar superficies e instrumentos (no a los humanos o animales). La radiación ultravioleta que se emplea surge de lámparas, que, con el apoyo de robots, ingresan a las áreas a desinfectar y permanecen encendidas por un corto tiempo (cnbc, 2020). Este tipo de desinfección es muy segura para el ser humano porque no utiliza químicos y reduce el costo laboral. Esta forma de eliminar gérmenes también está siendo utilizada en el interior de aviones comerciales, exterior de autobuses de transporte público y sanitización en hoteles. El futuro de este método de desinfección es muy prometedor. En este caso, conocimientos sobre la interacción de radiación y materia, el espectro electromagnético, luz ultravioleta, entre otros comprendidos en la física moderna, son importantes para el desarrollo de esta aplicación.

Comentario final

Al cierre de esta investigación bibliográfica debemos observar que existen muchas otras áreas de la física que también contribuyen en el estudio y comprensión de este virus y su enfermedad, tales como las teorías de redes complejas, estudios de propagación y percolación de la enfermedad, estudios sobre efectos de la movilidad humana, etcétera. (Contoyiannis et al., 2020; Mittal, Ni y Seo, 2020; Ingersoll, 2021; Kaitlynn Snyder et al., 2021; Klanecek, 2021). Sin embargo, por el momento no nos es posible mencionarlos todos.

Conclusiones

A primera vista, uno podría pensar que la física no es una rama de la ciencia que aporta en el conocimiento y apoyo para la erradicación de una enfermedad como la que estamos viviendo. Sin embargo, hemos podido observar con ejemplos, la forma en que la física fundamental y aplicada contribuye, como una disciplina importante, en el conocimiento y comprensión de padecimientos de salud. Podemos ver cómo las distintas ramas de la física proporcionan conocimientos sobre la propagación, prevención, evasión y erradicación del virus sars-CoV-2. Así, no debemos perder de vista que tanto la física aplicada junto con otras áreas de las ciencias y tecnología están contribuyendo al combate de este tipo de emergencias médicas.

Referencias

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Recepción: 8/09/2020. Aprobación: 25/01/2021.

Vol. 22, núm. 2 marzo-abril 2021

¿Héroes o villanos? Azúcares en la salud y la enfermedad

Ángela Ávila Fernández, Sandra del Moral y Maria Elena Ortiz-Soto Cita

Resumen

Cuando escuchamos hablar de azúcares, generalmente los asociamos con postres y golosinas, y en un segundo plano con enfermedades como caries, diabetes y obesidad. En redes sociales, blogs y revistas, se refuerza frecuentemente la idea de que los azúcares son nocivos para nuestra salud y por tanto hay que evitarlos. Así pues, el carácter “virtuoso” de los azúcares es inseparable en el imaginario colectivo de su contraparte “malvada”. Además de los relacionados con la dieta, existen otros azúcares con gran diversidad funcional, cuyo papel es fundamental en varios eventos fisiológicos y patológicos. Aquí te explicamos algunos de los asombrosos procesos que son dirigidos, regulados o acompañados por estos azúcares, y analizamos sus efectos en la salud y la enfermedad.
Palabras clave: azúcares, glicoconjugados, infección, interacciones humano-patógeno, prebióticos.

Heroes or villains? Sugars in health and disease

Abstract

Whenever we hear the world sugar, sweets and desserts come to our minds, followed by thoughts of diseases such as cavities, diabetes and obesity. Information in social networks, blogs, and magazines often reinforces the misconception that sugars are always unhealthy and should therefore be avoided by all means. The virtuous attributes of sugars are thus permanently entangled with its evil counterpart. Sugars are molecules of great structural and functional diversity, which makes them essential in various physiological and pathological events, beyond their dietary-related role. Here we describe some amazing processes in which sugars are instrumental, and we analyze their effects on health and disease.
Keywords: sugars, glycoconjugates, infection, human-pathogen interaction, prebiotics.

Introducción

Si has leído el libro o visto la película El extraño caso del Dr. Jekyll y Mr. Hyde, probablemente recuerdes el profundo conflicto entre el bien y el mal que atormentaba al Dr. Henry Jekyll y a su amigo Edward Hyde. Esta dualidad intrínseca entre conceptos opuestos es un elemento muy explotado en la literatura y en el cine. La sacarosa o azúcar de mesa, la glucosa y la fructosa serían este tipo de personajes en un bestseller con marcados claroscuros. Todos conocemos a estos protagonistas y, aunque a muchos les encantan y a más de uno le causan pesadillas, son absolutamente esenciales para el funcionamiento celular. Asimismo, hay otros azúcares no tan presentes en nuestras conversaciones que cumplen funciones menos evidentes, más allá de servir como edulcorantes o como fuentes de energía, y que son parte de historias igual o más emocionantes. A continuación, revisaremos la importancia de los azúcares menos conocidos en eventos biológicos, como el reconocimiento celular, el establecimiento y progreso de infecciones microbianas, la activación de la respuesta inmune, y la comunicación microbiota-intestino-cerebro.

La personalidad múltiple de los azúcares

Los azúcares son moléculas complejas en términos estructurales y químicos. Existen en forma de mono-, oligo- o polisacáridos, 1 donde la configuración y la posición de su enlace con otros azúcares es un factor más de diversificación. Al arreglo estructural de los azúcares que decoran proteínas y lípidos de la superficie celular se le denomina perfil o patrón de glicosilación, y está determinado por su origen celular.

El perfil de glicosilación de bacterias, levaduras y células de mamífero difiere en su complejidad estructural y en la variabilidad de los azúcares que lo componen. Los glicolípidos y las glicoproteínas —lípidos y proteínas unidos a cadenas de azúcares— se conocen colectivamente como glicoconjugados, y su patrón de glicosilación determina de forma muy específica algunos de los procesos fisiológicos o infecciosos en los que la célula participa (Schjoldager et al., 2020; Varki, 2017; ver figura 1). Se podría decir que en él radican las múltiples personalidades de los azúcares, aunque afortunadamente su estructura nos permite conocer, en muchos casos, cuál de ellas ha tomado el control.

Figura 1. Estructura y función de algunos azúcares que decoran la superficie celular.
Elaboración: Maria Elena Ortiz-Soto; la figura incluye elementos de Smart servier medical art y de la plataforma GlycoGlyph.

Los azúcares como herramientas moleculares en infecciones microbianas

¿Qué personaje de ficción viene a tu mente si hablamos de maestros del disfraz? Probablemente Sherlock Holmes, el hábil detective capaz de desenmascarar villanos haciéndose pasar en ocasiones por alguien diferente. Pero hasta el genio analítico de Sherlock podría ser superado si sus antagonistas se disfrazaran mejor que él, como Neisseria meningitidis o Trypanosoma cruzi. La primera es una bacteria que puede causar meningitis y sepsis con consecuencias fatales. T. cruzi es el parásito causante de la enfermedad de Chagas, un padecimiento endémico en varios estados de México. El arma secreta de ambos patógenos son los azúcares que cubren su superficie, con los que evaden las defensas del hospedero.

Entre los azúcares más comunes en la superficie celular de mamíferos se encuentran los ácidos siálicos (as), que funcionan como receptores para un gran número de funciones vitales y participan en procesos como la reproducción o el desarrollo y función neuronal (Schjoldager et al., 2020). Sin embargo, también son utilizados por virus, bacterias y parásitos para lograr el inicio y establecimiento de infecciones. Como toda una profesional de la imitación, N. meningitidis sintetiza y decora sus glicoconjugados con as. De esta forma, el sistema inmunitario de los mamíferos que infecta (el Sherlock en este ejemplo) no puede identificar al patógeno como un agente extraño, lo que contribuye a la supervivencia y virulencia de esta bacteria. En el mismo sentido, el parásito T. cruzi es también un maestro, pero del atraco. Como no es capaz de sintetizar sus propios as, los roba del hospedero (ver figura 2). Su estrategia para sobrevivir en la célula es usar armas enzimáticas muy potentes —las trans-sialidasas—, para unirse a los as del hospedero y transferirlos después hacia las mucinas que abundan en su superficie (da Fonseca et al., 2019). Las mucinas son proteínas hiperglicosiladas que protegen al parásito de cualquier ataque por parte del vector y del hospedero que infectan (ver figura 2).

Figura 2. Trypanosoma cruzi “roba” moléculas de ácido siálico de los glicoconjugados del hospedero y los transfiere a las mucinas de su superficie.
Elaboración: Maria Elena Ortiz-Soto.

Otro elemento importante en el arsenal molecular de los microorganismos son las proteínas de unión a azúcares, que se localizan en su superficie celular o son parte de sus apéndices motores. Estas proteínas (lectinas) reconocen los azúcares del hospedero de forma sumamente específica, de manera que un patógeno sólo puede infectar el tipo de tejido que muestre determinado patrón de glicosilación, lo que se conoce como tropismo tisular. Bacterias patógenas comunes como estreptococos y estafilococos se unen a los as de los tejidos que colonizan, y pueden usarlos como fuente de carbono y nitrógeno. Los as también son los favoritos de Helicobacter pylori —una bacteria que está presente en 50% de la población mundial y que puede ser causante de cáncer de estómago—, ya que le ayudan a unirse a la mucosa gástrica y la protegen de ser capturada y digerida por células del sistema inmunitario. (Poole et al., 2018).

¿Y los virus? ¿Qué sucede con los villanos de moda? Pues sí, adivinaste, ellos también despliegan proteínas o azúcares que permiten su anclaje al hospedero y les gusta modificar o camuflarse con azúcares. Los exhiben en las proteínas de la envoltura (membrana lipídica externa) o de la cápside (cubierta proteíca que protege al material genético) presente en algunos virus. Un ejemplo serían las glicoproteínas a manera de espículas (proteína S, de spike) que forman la corona del sars-CoV-2, el terrible virus causante de la actual pandemia que, según la oms, hasta el momento ha provocado a nivel mundial más de 2 millones de muertes (who, 2021). La infección inicia cuando la proteína S ayuda al virus a unirse a la enzima convertidora de angiotensina 2 (ace2, por sus siglas en inglés), que se encuentra en varios tipos de células. Para complicar más las cosas, los azúcares de la proteína S ayudan a evadir al sistema inmunitario del hospedero, al formar alrededor del virus una especie de capa de invisibilidad que dificulta su detección (ver figura 3). En la búsqueda de medidas de prevención y terapia contra sars-CoV-2, equipos multidisciplinarios de científicos buscan desenmascarar y exponer sus debilidades, así como descubrir en qué medida sus azúcares contribuyen a la infección.

Figura 3. Los azúcares que decoran la proteína S del virus SARS-CoV-2 dificultan su detección por el sistema inmunitario.
Elaboración: Maria Elena Ortiz-Soto. La figura incluye algunos elementos de Smart servier medical art.

Los azúcares como medio de reconocimiento y desarrollo de terapias

¿Y qué pasa cuando tenemos al enemigo en casa? En algunas enfermedades crónicas autoinmunes, como la artritis reumatoide, algunos de nuestros anticuerpos, 2 conocidos como IgG presentan una glicosilación incompleta, lo que prende la alarma del sistema inmunológico que “piensa” que hay un extraño en casa y moviliza un ataque en contra de sus propias células. Este “fuego amigo” permanente provoca graves daños a la salud; el Dr. Jekyll se transforma en el malvado Mr. Hyde, generando una terrible destrucción a su paso.

En este sentido, cambios mínimos como la presencia o eliminación de un azúcar externo pueden generar reacciones negativas en la respuesta inmune del paciente, como sucede en la incompatibilidad sanguínea, la cual está basada en la información que los eritrocitos 3 presentan en su superficie. Los estudios del inmunólogo austriaco Karl Landsteiner dieron lugar, hace más de un siglo, a la clasificación de los cuatro grupos sanguíneos: A, B, AB y O.

En los eritrocitos con glicoconjugados del grupo A y B, los azúcares terminales corresponden a N-acetilgalactosamina y galactosa, respectivamente. Las glicoconjugados del grupo AB contienen ambos azúcares terminales y en los del grupo O ninguno de estos azúcares ocupa las posiciones más externas (ver figura 4). Si una transfusión sanguínea se hace con sangre no compatible, los anticuerpos presentes en el plasma identificarán a los glóbulos rojos transfundidos mediante sus azúcares superficiales y se encargarán de destruirlos, al considerarlos como agentes invasores.

Dado que la diferencia en los tipos sanguíneos se debe a sus azúcares externos, ¿habrá alguna manera de convertir células de un tipo sanguíneo en otro, para evitar la incompatibilidad? Un grupo de científicos canadienses modificó una galactosidasa de Streptococcus pneumoniae para poder eliminar la galactosa externa del tipo sanguíneo B y así convertirlo en el tipo O negativo, conocido también como tipo donante universal (ver figura 4; Kwan et al., 2015). El mismo grupo descubrió que Flavonifractor plautii, una bacteria anaerobia que forma parte de la microbiota intestinal, produce enzimas que pueden eliminar la N-acetilgalactosamina del tipo sanguíneo A (Rahfeld et al., 2019). Los estudios sobre el control del perfil de glicosilación tienen un gran alcance, no sólo para la conversión de sangre sino para el desarrollo de nuevas herramientas que contribuyan a evitar el rechazo en trasplantes de órganos (Rahfeld et al., 2019). La correcta glicosilación es tan importante que debe vigilarse de cerca en la producción de diversos tipos de péptidos y proteínas con actividad terapéutica (biofármacos), que se utilizan para contender con ciertas enfermedades crónicas y virales (Smith y Bertozzi, 2021).

Figura 4. Conversión de los tipos sanguíneos A y B al grupo O mediante enzimas de F. plautii y S. pneumoniae.
Elaboración: Sandra del Moral.

Los azúcares en la conexión microbiota-intestino-cerebro

A propósito de la microbiota intestinal, ¿qué pensarías si te dijera que algunos azúcares —cuál espinaca en la tira cómica de Popeye el marino— actúan dando fuerza a ciertas bacterias, que se convierten en verdaderos ejércitos en pro de la salud humana? Suena increíble, ¿no? Algunos polisacáridos pueden llegar al intestino grueso intactos y ahí ser metabolizados por la microbiota intestinal. El tipo de enlace que une sus monosacáridos no puede ser hidrolizado por la acidez del estómago o las enzimas de nuestro sistema digestivo, pero las enzimas de los microorganismos que habitan nuestro intestino grueso sí poseen las enzimas adecuadas para hacerlo. Estos azúcares, conocidos como prebióticos, se caracterizan por estimular en forma selectiva el crecimiento de las bacterias benéficas de nuestro intestino, entre ellas, las bifidobacterias y las lactobacterias. 4

De esta forma, la ingesta de azúcares prebióticos trae como consecuencia un aumento en la población de bacterias benéficas que, como en un juego de estrategia, invaden el territorio y obligan al ejército de microorganismos patógenos, incluidos Clostridium y Klebsiella a replegarse. Algunos ejemplos de azúcares prebióticos son los polímeros de fructosa, como inulina y fructooligosacáridos, y los polímeros de glucosa no digeribles por el humano, conocidos como almidón resistente.

Como habrás notado, la glucosa y fructosa —el dolor de cabeza de muchos a la hora de contar calorías— pueden adoptar formas complejas que les confieren una personalidad completamente diferente y bajo estas formas actúan para nuestro beneficio. Los prebióticos se encuentran en diferentes fuentes vegetales, por lo que una dieta adecuada puede provocar cambios en la composición de nuestra microbiota intestinal y promover un buen estado de salud. Cuando el equilibrio de la microbiota se rompe, se genera una condición llamada disbiosis, en la que proliferan microorganismos patógenos y se desencadenan trastornos importantes a la salud. Esta disbiosis ha sido asociada con diversas patologías como alergias, trastornos intestinales inflamatorios y funcionales y comorbilidades psiquiátricas (Bercik et al., 2011).

Y a todo esto, ¿como hace la microbiota intestinal para ayudarnos o perjudicarnos? Pues, cual novela gótica, detrás de esta relación microorganismo-humano se oculta un secreto que los científicos empiezan a develar. La microbiota intestinal, como voces interiores hablándonos al oído, envía mensajes en forma de compuestos químicos a nuestro cerebro y de esta forma manipula nuestro funcionamiento y comportamiento (ver figura 5). Esta comunicación entre la microbiota y el cerebro se realiza por dos vías. En la primera, la microbiota libera ciertos compuestos químicos que llegan al cerebro por medio de la sangre. En la segunda, otros compuestos químicos activan las terminales nerviosas en la mucosa intestinal y llevan información al cerebro a través del nervio vago.

Figura 5. La comunicación entre los microorganismos y el ser humano influye en su estado de salud.
Elaboración: Ángela Ávila Fernández.

Por ambas vías de modulación de la función cerebral, se provocan cambios que afectan todo el cuerpo y que influyen en aspectos sociales de nuestra personalidad. Por ejemplo, cuando la población de microorganismos patógenos aumenta, el mensaje que se envía al cerebro es negativo y se manifiestan afectaciones a nivel de sistema digestivo y problemas de sistema nervioso, como ansiedad, depresión y mala memoria, lo que evidencia el lado oscuro de la relación microorganismo-humano. Además, una microbiota sana ha sido asociada con una mejor memoria y aprendizaje y, debido a que parece haber una relación bidireccional entre la neuroinflamación y la depresión, el incremento de probióticos se asocia con efectos antidepresivos (Valles-Colomer et al., 2019).

Así, la microbiota intestinal provoca que el ser humano viva en el continuo e inherente conflicto entre salud y enfermedad, de la misma forma que el Dr. Jekyll y Mr. Hyde se debaten entre el bien y el mal. Y uno de los ingredientes de la poción mágica que contribuye a transmutarnos de un estado a otro es, sin duda, una alimentación provista de azúcares prebióticos. Entonces, la próxima vez que el comportamiento errático de algún amigo te sorprenda, esboza una sonrisa compasiva mientras piensas: ¡no eres tú, son tus microorganismos!

Conclusiones

¿Héroes o villanos? Aunque son elementos atractivos para amenizar historias, en sentido estricto, los azúcares no poseen atributos de maldad o de bondad, ya que sólo cumplen funciones biológicas seleccionadas a través de muchos años de evolución. Al igual que sucede con el material genético, la glicosilación es la forma de la célula de generar diversidad estructural y funcional a partir de un conjunto limitado de monómeros. Los azúcares están presentes en todo tipo de células y son en gran medida responsables del reconocimiento molecular, por lo que cumplen funciones variadas que no siempre nos benefician. Al tiempo que dirigen el control de calidad de glicoproteínas, actúan como reguladores inmunológicos y garantizan la integridad celular, también funcionan como puerta de entrada para patógenos y son marcadores moleculares en enfermedades autoinmunes o en diferentes tipos de cáncer. En estos y en muchos otros procesos que por falta de espacio no pudieron ser revisados en este artículo, los azúcares tienen un papel protagónico, pero esas son historias para otra ocasión.

Referencias

  • Bercik, P., Denou, E., Collins, J., Jackson, W., Lu, J., Jury, J., Deng, Y., Blennerhassett, P., Macri, J., McCoy, K. D., Verdu, E. F., y Collins, S. M. (2011). The intestinal microbiota affect central levels of brain-derived neurotropic factor and behavior in mice. Gastroenterology, 141(2), 599-609, 609 e591-593. doi: https://doi.org/10.1053/j.gastro.2011.04.052.
  • da Fonseca, L. M., da Costa, K. M., Chaves, V. S., Freire-de-Lima, C. G., Morrot, A., Mendonca-Previato, L., Previato, J. O. y Freire-de-Lima, L. (2019). Theft and Reception of Host Cell’s Sialic Acid: Dynamics of Trypanosoma Cruzi Trans-sialidases and Mucin-Like Molecules on Chagas’ Disease Immunomodulation. Front Immunol, 10, 164. doi: https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.00164.
  • Kwan, D. H., Constantinescu, I., Chapanian, R., Higgins, M. A., Kotzler, M. P., Samain, E., Boraston, A. B., Kizhakkedathu, J. N. y Withers, S. G. (2015). Toward Efficient Enzymes for the Generation of Universal Blood through Structure-Guided Directed Evolution. J Am Chem Soc, 137(17), 5695-5705. doi: https://doi.org/10.1021/ja5116088.
  • Poole, J., Day, C. J., von Itzstein, M., Paton, J. C. y Jennings, M. P. (2018). Glycointeractions in bacterial pathogenesis. Nat Rev Microbiol, 16(7), 440-452. doi: https://doi.org/10.1038/s41579-018-0007-2.
  • Rahfeld, P., Sim, L., Moon, H., Constantinescu, I., Morgan-Lang, C., Hallam, S. J., Kizhakkedathu, J. N. y Withers, S. G. (2019). An enzymatic pathway in the human gut microbiome that converts A to universal O type blood. Nat Microbiol, 4(9), 1475-1485. doi: https://doi.org/10.1038/s41564-019-0469-7.
  • Schjoldager, K. T., Narimatsu, Y., Joshi, H. J. y Clausen, H. (2020). Global view of human protein glycosylation pathways and functions. Nat Rev Mol Cell Biol, 21(12), 729-749. doi: https://doi.org/10.1038/s41580-020-00294-x.
  • Smith, B. A. H. y Bertozzi, C. R. (2021). The clinical impact of glycobiology: targeting selectins, Siglecs and mammalian glycans. Nat Rev Drug Discov. doi: https://doi.org/10.1038/s41573-020-00093-1.
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Recepción: 12/09/2020. Aprobación: 19/01/2021.

Vol. 22, núm. 2 marzo-abril 2021

¿Hacia una nueva “tabla periódica”?

Iván de Jesús Arellano Palma Cita

Resumen

En 2019 se celebraron los 150 años de la creación de la tabla periódica por el químico ruso Mendeléiev. En ese siglo y medio, pocos son los cambios que ha sufrido la tabla periódica —el más importante es pasar del acomodo de los elementos de acuerdo con la masa atómica, al del número atómico, que propuso el físico Henry Moseley—, lo que demuestra la validez y el valor del trabajo del químico ruso. Pero ¿algún día existirá un reemplazo a esta tabla periódica? Y si lo tuviera, ¿cuáles serían las razones para ello?
Palabras clave: nuevas tablas periódicas, universalidad química, nuevos elementos, Mendeléiev.

A new “periodic table”?

Abstract

In 2019, the 150th anniversary of the creation of the periodic table by the Russian chemist Mendeleyev was celebrated. In that century and a half, few have been the changes in the periodic table —the most important is the switch from the arrangement of elements according to atomic mass, to the arrangement by atomic number, proposed by physicist Henry Moseley—, which demonstrates the validity and worth of the Russian chemist’s work. But then, will there ever be a replacement for this periodic table? And if it did, what would be the reasons for it?
Keywords: new periodic tables, chemical universality, new elements, Mendeleyev.

El corazón de la química

Una de las imágenes científicas más conocidas es la de la tabla periódica. Su poder de síntesis del conocimiento químico es enorme. Basta saber unos pocos conceptos relacionados con esta ciencia para poder predecir el comportamiento de los elementos químicos; por ejemplo, qué elementos —un elemento es materia constituida por átomos de su misma clase— pueden reaccionar entre sí más fácilmente. Tras 150 años de permanecer casi invariante 1 a como la propuso Mendeléiev, un cambio radical parece imposible. ¿Será así?

¿Es universal la tabla periódica?

Enorme fue mi sorpresa al enterarme que en Costa Rica no sólo se utiliza la tabla periódica “clásica”. En ese país centroamericano también se usa la tabla de Gil Chaverri, que fue un químico y físico tico (Mora, 2019). Esa tabla periódica ordena a partir de la estructura electrónica 2 a los elementos químicos. Pero ¿por qué utilizar una tabla periódica diferente? Nos enseñaron, al menos así ocurrió conmigo, que la tabla periódica era la mejor forma de acomodar los elementos. ¿Será cierto? ¿O habrá dudas sobre si esa es la mejor configuración posible?

La química es un juego de electrones

Algunos químicos consideran que la tabla periódica, en su configuración actual, no es la mejor forma de acomodar la mayoría de los elementos. Es decir, piensan que algunos deberían ser reubicados. Para ponernos en contexto sobre la tabla periódica y comprenderla necesitamos saber dos cosas. Primera, los elementos de la tabla “desean” parecerse a los que están en el lado derecho de ésta —anteriormente llamados gases nobles, ahora, gases inertes—. En esta familia encontramos al helio, neón, argón, radón, kriptón, xenón y el sintético organesón. Segunda, para llegar a “parecerse” a los gases inertes, los elementos de la tabla periódica ceden, ganan y/o comparte electrones.

Francisco Rebolledo es un químico y literato mexicano, interesado en la divulgación de la ciencia. En sus textos “De palabras y elementos” y “Carbono”, que se encuentran en los libros La ciencia nuestra de cada día, volumen i y ii, respectivamente, Rebolledo compara los comportamientos de los elementos con los seres humanos —más preciso sería llamarlos personalidades—, para entender mejor las propiedades de los elementos químicos.

Por ejemplo, Rebolledo compara al sodio (Na, un alcalino) “con un chico pelirrojo, hiperactivo y siempre ávido por ceder al vecino la canica que no cabe en sus bolsillos” (Rebolledo, 2010, 114). Al estar en la familia i —así se comportan la mayoría de los elementos de esta familia—, al sodio le “sobra un electrón” —la canica—, por lo que siempre desea desprenderse de él. En palabras de Rebolledo “sólo logra quedarse tranquilo cuando se le extrae el trauma que pesa en su conciencia” (Rebolledo, 2010, 114). Por otra parte, al radón —un gas inerte— lo compara “con un venerable anciano, un verdadero budista, que reposa en el nirvana indiferente a los deseos que acosan a casi todos los demás elementos”. Esto se puede entender al saber que el radón es un gas noble que se encuentra casi al final de la tabla periódica; por ende, rarísima vez reacciona con otros elementos, pues no necesita más electrones. Por último, al carbono lo imagina “como una mujer joven y serena, precozmente sabia y equilibrada, con una capacidad infinita de compartir sus bienes” (Rebolledo, 2012, p. 107).

Pero, como ya mencionamos, no todos los químicos están conformes con la ubicación actual de todos los elementos de la tabla periódica.

Reacomodando elementos químicos

Hablemos del hidrógeno (H), que es el elemento más abundante en el universo. Parece ser un paria. Está colocado en la familia i —llamados alcalinos—, pero todos los elementos de ahí son metales —a excepción del H que es un gas—. Requiere de un solo electrón para alcanzar la estabilidad de los gases inertes, por lo que, quizá, sea mejor acomodarlo en la familia xvii, donde se encuentran el flúor o el cloro, que son igual de reactivos que el H.

Otro elemento “rebelde” es el mercurio (Hg). Éste es un metal líquido a temperatura ambiente, caso contrario a los demás miembros de su familia que son metales sólidos. Otros parias son el escandio (Sc) y el itrio (Y), que parecen no encontrar su sitio adecuado en la tabla. Dependiendo de que característica fisicoquímica —como la configuración electrónica, radio atómico o punto de fusión— se tenga como primordial para su acomodo, los elementos de la familia iii —donde se encuentra el Sc y el Y— pueden estar en uno u otro lado de la tabla.

Por estos y otros motivos, en el año 2015, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (iupac) publicó un proyecto, liderado por Eric Scerri —químico maltés y filósofo de esta disciplina—, para un posible reacomodo de la familia 3 de la tabla periódica. Todas estas críticas han hecho pensar que la tabla periódica necesita más que un simple reacomodo de los elementos químicos. Pero no parece haber un acuerdo. Veamos algunas propuestas.

De árboles, flores, torres y grafos

Las críticas anteriores han convencido a algunos químicos de que se necesita encontrar una nueva configuración para el acomodo de los elementos en una “tabla periódica”. Afortunadamente no hay escasez de ideas. Por ejemplo, las configuraciones en tres dimensiones representan mejor el acomodo de los elementos. La propuesta del químico canadiense Fernando Dufour, que tiene forma de árbol de navidad, es un nuevo intento para rediseñar el acomodo de los elementos químicos. Esta configuración tiene un tronco alrededor del cual los elementos químicos dan giros, haciéndose más ancha llegando al tronco del árbol. Esta nueva configuración deja ver mejor la continuidad donde termina una fila en la tabla periódica actual.

Otra tabla es la de Paul Giguère, llamada Flor en 3D (ver figura 1). Cada “pétalo” representa algo distinto. Por ejemplo, el primero de éstos —verde azulado— contiene a todos los metales alcalinos y en la parte posterior de este mismo pétalo los metales alcalinotérreos —familias i y ii—. El resto de los pétalos contiene los otros elementos químicos.

Figura 1. Flor en 3D del químico Paul Giguere, desarrollada en 1965.
Fuente: Тимохова Ольга, 2009.

Por otra parte, Theodor Benfey desarrolló otra configuración llamada tabla en espiral (ver figura 2), que incluso deja espacios vacíos para colocar los elementos del octavo período y para unos elementos nuevos que llamó superactínidos. 3 Éstas no son las únicas configuraciones nuevas, las hay en forma de óvalos, circulares, semicirculares, lazos arcoíris, con muchos colores, etcétera.

Figura 2. Tabla en espiral del químico Theodor Benfey. Se publicó por primera vez en “The pictorial Periodic Table”.
Fuente: DePiep, 2013a.

No todas las configuraciones desechan el arreglo de la tabla actual como el mejor acomodo de los elementos. Una tabla no tan “radical” la propone el ya citado químico Eric Scerri. Su tabla de forma alargada es más simétrica que la tradicional. En esta configuración el H y el He están uno junto al otro, y los actínidos y lantínidos —los elementos “raros” que están hasta abajo de la tabla periódica y que algunos llevan nombre de científicos, por ejemplo, einstenio, nobelio, etcétera— ya están junto a los otros elementos químicos (ver figura 3). Esta tabla es más simétrica, pues Scerri buscaba maximizar el número de tríadas, los conjuntos de tres elementos químicos que están muy relacionados por sus propiedades fisicoquímicas y sus masas atómicas.



Figura 3. Tabla “alargada” similar a la propuesta por el químico Eric Scerri.
Fuente: Sandbh, 2015.

Por su parte, Valery Tsimmerman en 2006 desarrolló una torre, en la que acomoda los elementos, y no por sus números atómicos. A esta torre la llamó adomah y su configuración organiza a los elementos químicos de acuerdo con los cuatro números cuánticos 4 que gobiernan la organización de la tabla periódica. No fue la única configuración propuesta de Tsimmerman, también tiene otra en forma de tetraedro.

Figura 4. Organización de los elementos en forma de torre (adomah ) de Valery Tsimmerman.
Fuente: DePiep, 2013b.

Por si fuera poco, los matemáticos no han quedado fuera, y también han propuesto una nueva configuración de la tabla periódica. A mediados del año pasado, los investigadores Wilmer Leal y Guillermo Restepo (2019), de los institutos Max Planck, diseñaron una tabla, basada en el orden y la similitud, en forma de hipergrafo, que publicaron en la revista Proceedings of the Royal Society, en abril 2019. Esta nueva configuración adopta diferentes maneras de acomodar los elementos dejando de lado la utopía de que existe una configuración verdadera y única. Esta característica de flexibilidad la hace, para mí, la más atractiva. Y a ti, ¿cuál te parece más adecuada?

Hemos visto que los criterios para aspirar a una nueva configuración en la tabla periódica se deben a desacuerdos de su acomodo, debido a las propiedades fisicoquímicas de los elementos. Pero ¿tendríamos una nueva configuración en la tabla debido al descubrimiento de nuevos elementos? Es decir, ¿faltan muchos elementos por descubrir qué hagan que la tabla periódica mude de forma?

¿Cuál será el último elemento de la tabla periódica?

Era el año 2010 y el período 7 de la tabla periódica fue completado (aunque no fue hasta 2016 que la iupac aceptó ese cambio). Ese año se completó el descubrimiento del elemento 117 llamado teneso (Ts) —anteriormente ununseptio—, por medio de una colaboración entre científicos rusos y estadounidenses en Dubna, Rusia. Si se lograra sintetizar un nuevo elemento químico se debería agregar una nueva fila o período a nuestra actual tabla periódica. Esto suscita preguntas interesantes, por ejemplo: ¿cuándo se descubrirá el elemento 119 llamado provisionalmente unonenio?, ¿quedan muchos elementos químicos por descubrir? y ¿existe un límite o son “infinitos” los elementos químicos?

Al momento de escribir este artículo el elemento más grande es el 118. De estos 118, 91 son encontrados “fácilmente”, ya que son encontrados de forma natural —incluso el tecnecio que fue el primer elemento químico sintetizado y que se creía no se encontraba de manera natural—. A partir de del uranio, los demás elementos químicos han sido sintetizados artificialmente como el neptunio, americio, einstenio, fermio, etcétera. Aunque parece que algunos de éstos pueden ser encontrados naturalmente en minerales como la uraninita. En conclusión, tenemos 98 elementos que se han encontrado en la naturaleza —aunque sea en trazas— y 118 elementos totales.


Figura 5. Ecuación de química nuclear que explica la formación de nuevos elementos químicos.

Los restantes 20 han sido sintetizados en dispositivos que aceleran partículas a altas velocidades para hacerlas colisionar. En resumen, lo que se hace es “disparar” elementos pesados (como el oro) con proyectiles de elementos ligeros (el hidrógeno). Así fueron obtenidos, por ejemplo, los elementos 114 a 118, entre 1999 y 2010. Allí el “proyectil” lanzado era el calcio que bombardeaba a los actínidos pesados.

Lo que se intenta hacer en estos experimentos es que los neutrones de los elementos hagan surgir nuevos elementos químicos (ver imagen 5). Esto conlleva una dificultad técnica considerable y la mayoría de los elementos creados viven sólo milisegundos, por lo que es difícil saber sus propiedades fisicoquímicas. Parecería ser una cuestión de no contar con la tecnología adecuada, incluso si la tuviéramos, ¿encontraremos más elementos?

Las estimaciones sobre cuán grande puede llegar a ser la tabla periódica vienen de una rama de la química apoyada en la física moderna; se le llama química cuántica relativista. 5 El brillante físico Richard Feynman, apoyado en la teoría de relatividad de Einstein, predijo que el elemento 137 era el límite para el último elemento de la tabla periódica. Feinmanium es el apodo de este hipotético elemento. Pero ¿qué tiene que ver la teoría de relatividad con la tabla periódica? Pues bien, cuando los núcleos atómicos son cada vez más grandes los electrones deben aumentar su velocidad; por ende, los cálculos de la química cuántica relativista afirman que llegando a un límite los electrones tendrían que ir más rápido que la velocidad de la luz. Imposible.

Posteriormente otros químicos y físicos teóricos han afinado los cálculos para proyectar que el 137 no es el elemento límite. Por ejemplo, Pekka Pyykoo, químico teórico finlandés, experto en química cuántica numérica, ha propuesto un modelo informático-químico para establecer los períodos ocho y nueve de la tabla periódica —hoy son siete—. Además, proyectó que deberían existir 54 elementos más. Es decir, si Pekka tiene razón, la tabla periódica podría albergar hasta un elemento 172, que va mucho más allá de los 118 actuales y el hipotético feinmanium. Esto, sin duda, cambiaría la actual configuración de la tabla periódica.

El fin del reinado de Mendeléiev

“La mitad de la química aún está aún por descubrir: no sabemos cómo y ese es precisamente el reto”

Pekka Pyykko, químico teórico finlandés

La tabla periódica de Mendeléiev ha sido (y seguirá siendo) una herramienta de trabajo invaluable para todo químico. Pero, debido a sus inconsistencias y ciertas limitaciones, es seguro que más temprano que tarde tengamos una nueva configuración, que acomode de mejor manera a los elementos químicos. Entonces, la respuesta a la pregunta con la que abrimos este artículo es sí, seguramente existirá un reemplazo para la tabla periódica. Así es la ciencia, se trata de un conocimiento humano que no es perfecto, pero sí es perfectible. ¿Cuánto tiempo durará la siguiente “tabla periódica”?

Referencias



Recepción: 19/06/2020. Aprobación: 22/01/2021.

Vol. 22, núm. 2 marzo-abril 2021

Cuevas volcánicas: entre la realidad y la ficción

Rafael Antonio López Martínez, Raquel Daza y Rocio Alcántara Cita

Resumen

El estudio de las cuevas volcánicas ha despertado el interés de los científicos de todo el mundo, debido a sus microorganismos únicos y a la posibilidad de su uso como análogos marcianos. Sin embargo, en México existen pocos estudios al respecto, pero una enorme cantidad de cuevas volcánicas por explorar y estudiar. El presente trabajo narra el proceso de investigación y los resultados obtenidos por un grupo de investigadores del Instituto de Geología de la Universidad Nacional Autónoma de México (unam) en el estudio del tubo de lava de Chimalacatepec, en México.
Palabras clave: tubos de lava, estromatolitos, cuevas.

Volcanic caves between the reality and fiction

Abstract

The study of volcanic caves is a topic of interest for scientists worldwide. This is due to the unique microorganisms they contain and its possible use as Martian analogs. Despite the high number of lava caves in Mexico, there are only few scientific studies. This article narrates the process and results of the investigations in Chimalacatepec lava caves conducted by researchers from the Institute of Geology of the National Autonomous University of Mexico (unam).
Keywords: lava tubes, stromatolites, caves.

“Desciende al cráter del Yocul de Sneffels que la sombra del Scartaris acaricia antes de las calendas de Julio, audaz viajero, y llegarás al centro de la tierra, como he llegado yo”

Julio Verne, Viaje al centro de la Tierra

Viaje al centro de la tierra

Habían pasado muchos años desde que el libro de Julio Verne (1828-1905) había estado en la cabecera de mi cama, pero la conversación entre el profesor Lidenbrock y Axel se repetía una y otra vez en mi cabeza. ¿Será acaso que las palabras de Arne Saknussemm sobre cómo penetrar a las entrañas de la tierra a través de un volcán de Islandia puedan guiarme en México? ¿Encontraremos también formaciones y criaturas maravillosas? Tal vez, sólo tal vez, me había convertido en verniano sin darme cuenta y en ese momento me encontraba conduciendo desde el Instituto de Geología de la unam hacia Tepoztlán en busca de mi propio Sneffels.

Recordaba perfectamente cómo el profesor describía la montaña de 5000 pies de altura (1524 metros sobre el nivel del mar) y no pude evitar sonreír, trasladarme a aquella sala y decirle:

—Profesor, voy rumbo al poblado de San Juan Tlacotenco, a más de 2400 metros de altura, con numerosos cuerpos volcánicos extintos y kilómetros de cuevas volcánicas mapeadas.

Evidentemente, nunca le hablé a mis compañeros de viaje sobre esta plática o me tildarían de loco o, al menos, de verniano.

Snæfellsjökull mexicano

Las cuevas volcánicas, también llamadas tubos de lava, se forman en complejos volcánicos activos, en los que la parte exterior del flujo se enfría y solidifica mientras que en el interior sigue fluyendo lava a través de conductos subterráneos (Detay y Hróarsson, ver figura 1).

Figura 1. Formación de los tubos de lava. A. El flujo de lava desciende por la ladera del volcán. La lava fundida tiende a canalizarse y, en contacto con el aire y la roca adyacente, se enfría muy rápido. Así, se forma una corteza más o menos endurecida por enfriamiento de la superficie de la colada y un aislamiento del flujo de lava líquida interior. B. La erupción volcánica cesa y se reducen las emisiones de lava. El nivel del flujo lávico interior decrece por lo que se forma un espacio vacio bajo la corteza. La lava sigue circulando por el tubo lávico. C. Cese total de la erupción y formación del tubo de lava o cueva volcánica. Aparecen colapsos parciales de techo a lo largo del tubo, debidos a la última fase de enfriamiento, estos agujeros se denominan ventanas o skylights en inglés. En fases posteriores ocurre la colonización de las entradas y alrededores por la vegetación. Diagrama elaborado por Raquel Daza.

Fue a través de estos conductos que Julio Verne imaginó un viaje hasta el centro de la Tierra, lleno de aventuras y criaturas extraordinarias. En México, existe un área llamada el Cinturón Volcánico Transmexicano que posee una gran variedad de tubos de lava y maravillas dignas de una novela de Verne.

Dentro de esta área hay una cueva muy especial llamada cueva de Chimalacatepec, mapeada por el Dr. Ramón Espinasa Pereña hace algunos ayeres. Esta cueva se encuentra en el interior de uno de los derrames de lava del volcán Suchiooc, en el estado de Morelos y tiene un poco más de 200 m de profundidad. Es decir, sería un poco más profunda que bajar la Torre Latinoamericana; claro está, desde la antena (ver figura 2).



Figura 2. Mapa de la cueva Chimalacatepec comparada con la Torre Latinoamericana. La topografía original de la cueva fue realizada por el Dr. Ramón Espinaza Pereña.

Para acceder a ella, es necesario usar técnicas de espeleología, pues inicia con una entrada de 15 m de profundidad. Una vez dentro, comenzamos a andar sumidos en la más profunda oscuridad —sólo alumbrados por las lámparas en nuestros cascos—, por un paisaje volcánico lleno de bloques tambaleantes y formaciones caprichosas producidas por la lava. Estas formaciones recuerdan a las estalactitas que tantas veces hemos visto en las cuevas, pero en este caso son de roca volcánica (basalto), formadas por el goteo de la roca derretida cuando la lava aún corría por el interior de estos túneles (ver figura 3). Una manera de imaginarnos cómo se originan, es ver detenidamente una vela encendida derritiéndose y goteando. Esta comparación pareciera muy básica, no obstante, es el método que ha permitido modelar la formación de estas estructuras tan interesantes, conocidas como estalactitas de lava o piro-estalactitas (Vela-Turcott, 2014).

Figura 3. Fotografías del tubo de lava Chimalacatepec. A. Entrada a la cueva de Chimalacatepec mediante el uso de técnicas verticales. B y C. Aspecto del tubo principal. D. Piroestalactitas o estalactitas de lava formadas por el goteo de la roca fundida dentro de la cueva.
Foto de Rafael López Martínez.

Sin embargo, hay algo que nos llama más la atención en la cueva de Chimalacatepec: la aparición de unas estructuras de colores claros, que evidentemente no estaban hechas por lava.

Los depósitos químicos de las cuevas son llamados espeleotemas. Por ejemplo, las estalactitas y las estalagmitas son tipos de espeleotemas, pero hay una enorme variedad de estos depósitos que no siempre son tan evidentes. Esas formas aplanadas que empezamos a ver dentro de la cueva tienen una composición silícea, en una variedad conocida como ópalo-A (SiO2 + nH2O), que no tiene cristales, como el cuarzo que todos conocemos, sino que es amorfa, como si se tratara de un gel endurecido (ver figura 4).

Figura 4. Formas de algunos espeleotemas encontrados en Chimalacatepec. En la izquierda se muestra un espeleotema en forma de “galleta” y a la derecha un conjunto de espeleotemas aplanados y botroidales.
Foto de Rafael López Martínez.

Pero algo parece estar mal. Todos conocemos las estalactitas y estalagmitas: las hemos visto en cuevas y documentales de todo el mundo y siempre hemos escuchado que están compuestas por carbonato de calcio (CaCO3). ¿Por qué, entonces, en los tubos de lava serían de sílice?

La respuesta a esa pregunta está en la disponibilidad de un elemento u otro. Por ejemplo, Chimalacatepec está formada en basaltos, roca compuesta por vidrio volcánico, aluminosilicatos y otros minerales. Todos ellos tienen en común una gran cantidad de silicio en su composición química, pero muy poco calcio. Cuando la roca se expone a agentes como la lluvia, la vegetación, el suelo y los microorganismos, estos minerales son transformados y la sílice se libera, por lo que viaja hacia el interior de la cueva a través de las grietas. Por tanto, la aparición de espeleotemas silíceos es poco común, pero posible en ambientes volcánicos como los tubos de lava que estudiamos, o en las rocas graníticas o las areniscas cuarcíferas conocidas en los Tepuis de Venezuela.

En ese momento, dentro de la cueva, hay más preguntas que respuestas. Así que esnecesario hacer lo que todo científico hace: tomar muestras del agua y de los espeleotemas, tratando de no dañar la cueva; medir parámetros de la atmósfera de la cueva, como la temperatura, humedad, CO2, e ir al laboratorio a analizar los datos.

En el laboratorio, ya sin casco, cambiamos la vestimenta de las cuevas por la bata blanca y comienza otra parte fascinante del trabajo del geólogo en su labor milenaria de hacer hablar a las rocas. Pero ellas guardan celosamente sus secretos y sólo los revelarán si hacemos las preguntas correctas.

Los espeleotemas cortados en secciones muy finas son vistos a través de diferentes microscopios. La primera revelación es que están compuestos por microcapas de ópalo-A, que se van acomodando una tras otra, pero de una forma muy particular que recuerda a las primeras estructuras en las que se originó la vida en la Tierra: los estromatolitos (ver figura 5A).

Figura 5. A. Vista al microscopio petrográfico de la laminación interna de los espeleotemas. B y C. Vista al Microscopio Electrónico de Barrido, donde se muestra el ópalo A y los tapetes microbianos fosilizados. D. Colonias microbianas actuales que cubren algunas secciones de las paredes de la cueva.
Foto de Rafael López Martínez.

Sin embargo, los estromatolitos —formas de vida que datan de hace 3500 millones de años— existen actualmente en muy pocos lugares del planeta, como en los lagos de Alchichica, Cuatro Ciénagas o Bacalar, en México, y en Bahamas y Australia, por nombrar algunos. Habitan dentro del agua y están expuestos a la luz del sol, características muy diferentes al ambiente oscuro de la cueva volcánica de Chimalacatepec. ¿Será posible que estos espeleotemas estén formados por microorganismos al igual que los estromatolitos?

El microscopio óptico que usamos no puede darnos esta respuesta. Para ello, debemos ir más a detalle, buscar estructuras más pequeñas -—de una milésima parte de un milímetro— dentro de la roca, con el Microscopio Electrónico de Barrido. A los varios minutos de inspección con este microscopio, comienzan a aparecer evidencias de que podríamos estar en lo cierto. Apreciamos atónitos moldes de bacterias fosilizadas dentro de las capas de ópalo-A (ver figuras 5B y 5C). Lo que observamos apunta a que estos espeleotemas están formados por comunidades de bacterias que como tapetes cubren algunas partes de las paredes de esta cueva (ver figura 5D).

En ese momento, al ver las evidencias de microorganismos fosilizados en el interior de los espeleotemas, pude escuchar en mi mente a Axel platicando con el profesor Lidenbrock en las profundidades del centro de la Tierra:

—Pero si en estas regiones subterráneas han vivido animales antediluvianos, ¿quién nos dice que algunos de estos monstruos no anden todavía errantes por estas selvas umbrosas o detrás de esas rocas escarpadas?

Y así, una vez más, siguiendo los pasos del profesor Lidenbrock, su pupilo Axel y su guía Hans, el grupo de científicos emprende la búsqueda de vida dentro de estas rocas en las cuevas volcánicas de México. De nuevo, nos encontramos poniendo cuerdas y equipo para descender a la cueva de la que hacía poco habíamos regresado. Pero ahora, nuestro objetivo es saber qué tipo de microorganismos vivían en estos espeleotemas y si eran capaces de crear estas formaciones tan particulares. Para ello, se usa el método de secuenciación de adn, técnica que nos permite saber si efectivamente los espeleotemas contienen microorganismos como bacterias y que, de alguna manera, pueden vivir en esas condiciones de oscuridad absoluta. Y si esos organismos tan pequeños, lentamente, capa a capa, han ido atrapando las aguas cargadas de gel de sílice y formando estas formaciones estromatolíticas tan particulares.

La tarea no es fácil: muestrear en estos ambientes es complicado, extraer adn en el laboratorio de ellos aún más. Pero los resultados son claros: existen microorganismos en los espeleotemas que son capaces de vivir en la oscuridad y atrapar la sílice en sus estructuras microbianas.

Estos microorganismos se alimentan de los escasos nutrientes y compuestos inorgánicos que vienen en el agua de goteo y de algunos minerales disueltos generados por el intemperismo de los basaltos. Además, por si esto fuera poco, el adn reveló que algunos de los microorganismos de Chimalacatepec son parientes de aquellos encontrados en los basaltos de Islandia, muy cerca de nuestro querido Sneffels.

Conclusiones

A pesar de los descubrimientos aquí narrados, aún falta mucho por entender sobre los microorganismos que viven dentro de estas cuevas y los tipos de espeleotemas que pueden formar. Estos tipos de estudios abren nuevas posibilidades para comprender más sobre el origen mismo de la vida o la posibilidad de comparar en un futuro formas de vida en otros planetas —como Marte—, donde las condiciones son extremas.

¿Acaso los tubos de lava podrían servir como refugio para la vida microbiana en otros planetas? ¿Estos tubos de lava serían similares a los encontrados en Marte o la Luna? Pero esto ya es harina de otro costal. De la Tierra a la Luna es otro magnífico libro de Julio Verne, pero lo dejaremos para futuras aventuras…

Referencias

Agradecimientos

Este artículo es un resultado directo del proyecto papiit in113020. Los autores agradecen la participación de los estudiantes de la asignatura Karstología del Posgrado en Ciencias de la Tierra, así como el apoyo brindado en las campañas de campo por Hugo Salgado Garrido, Salvador Trejo Pelayo, Ángeles Verdes, Ramsés Miranda y Nayeli Vargas. Agradecemos especialmente a las autoridades del municipio San Juan Tlacotenco que tan amablemente nos han acogido en la localidad.



Recepción: 13/06/2020. Aprobación: 27/01/2021.

Vol. 22, núm. 2 marzo-abril 2021

Disfunciones cognitivas en adultos mayores con depresión

Jorge Darío López Sánchez y Dora Elizabeth Granados Ramos Cita

Resumen

La depresión es uno de los trastornos mentales con mayor prevalencia a nivel mundial. Quien la padece ve afectada su funcionalidad diaria debido a la sintomatología negativa, aislamiento social y disminución de la actividad psicomotora. Si se presenta durante el envejecimiento, puede incapacitar a la persona cuando, además de los síntomas depresivos, existen alteraciones cognitivas significativas. El tratamiento usual para los trastornos depresivos son los Inhibidores Selectivos de la Recaptación de Serotonina (isrss), no obstante, en los adultos mayores que presentan disfunción ejecutiva, dicho tratamiento puede tener menor efectividad, por lo que se deben analizar otros fármacos y métodos psicoterapéuticos que mejoren la calidad de vida de las personas. Por lo anterior, el objetivo de este artículo fue proporcionar una descripción de las disfunciones cognitivas presentes en adultos mayores con depresión, así como brindar algunas pautas para su tratamiento.
Palabras clave: funciones ejecutivas, depresión, cognición, terapia.

Cognitive dysfunctions in older adults with depression

Abstract

Depression is one of the most prevalent mental disorders worldwide. The daily functionality of those who suffer from it is affected due to negative symptoms, social isolation, and decreased psychomotor activity. If it occurs in an elderly person, it can be incapacitating when, in addition to depressive symptoms, it is accompanied by cognitive disorders. The usual treatment for depressive disorders is Selective Serotonin Reuptake Inhibitors (ssris), however, in elderly adults with executive dysfunction, this treatment may be less effective, thus other psychotherapeutic drugs and methods should be analyzed to improve people’s quality of life. Therefore, the objective of this article is to provide a description of the cognitive dysfunctions present in older adults with depression, as well as some guidelines for their treatment.
Keywords: executive function, depression, cognition, therapy.

Introducción

La depresión es un trastorno mental común que se caracteriza por un estado anímico alterado, en el que el enfermo presenta tristeza, anhedonia, 1 sentimientos de culpa e inferioridad; también se ve afectado el apetito, el sueño, y la capacidad cognitiva (American Psychological Association [apa], 2020). En 2015, se estimó que más de 300 millones de personas padecen este trastorno y se considera que es una de las principales causas de discapacidad, a diferencia de la tristeza, el miedo o alguna otra emoción exacerbada. La depresión es una enfermedad que puede ser diagnosticada clínicamente y tratada con fármacos antidepresivos y psicoterapia. El riesgo de padecerla se incrementa por condiciones de pobreza, enfermedad, abuso de sustancias, desempleo, o por eventos de la vida adversos como el fallecimiento de algún familiar y la insatisfacción profesional (ver figura 1). Las mujeres tienen mayor prevalencia de depresión que los hombres (5.1% contra 3.6% a nivel mundial). Asimismo, las muertes por suicidio derivadas de una depresión se calculan en alrededor de 800 000 personas al año, por lo que es uno de los trastornos que los organismos de salud pública buscan prevenir e intervenir (World Health Orgnization [who], 2017; 2019).



Figura 1. Factores y síntomas asociados a la depresión en el envejecimiento.
Elaboración propia basada en: WHO, 2017; APA, 2020.

En reportes derivados de datos provenientes del Institute for Health Metrics and Evaluation (Ritchie y Roser, 2018), se describe la depresión como el segundo trastorno de salud mental de mayor prevalencia, con 3.4% a nivel mundial, únicamente sobrepasado por los trastornos de ansiedad cuya prevalencia es de 3.8%. En México, la prevalencia de la depresión es de 2.8%, que corresponde a 3.3 millones de mexicanos. Ésta incrementa en función de la edad, duplicándose a partir de los 50 años (6% de 50 a 69 años y 6.2% para los mayores de 70 años), de modo que es más frecuente en la población envejecida (Ritchie y Roser, 2018). Si el episodio depresivo se presenta por primera vez en este último rango de edad, se diagnostica como depresión tardía (late life depression) y, de no tratarse, puede incrementar la mortalidad al disminuir el autocuidado ante enfermedades crónicas como la diabetes o la hipertensión, y al aumentar la probabilidad de desarrollar demencia (Fischer et al., 2008; Weisenbach, Boore, y Kales, 2012; Brown et al., 2014; Ritchie y Roser, 2018).

Procesos cognitivos afectados en la depresión

Los trastornos depresivos, además de modificar el estado anímico, también afectan la forma en que la persona percibe los estímulos de su entorno: disminuyen las respuestas conductuales y cognitivas, se modifican negativamente los significados que se asignan a las experiencias personales y se deteriora el desempeño de procesos psicológicos como la memoria y la atención (Bogner et al., 2007; Donovan et al., 2017; Pantzar et al., 2017; Baune et al., 2018).

Las complicaciones cognitivas presentes en la depresión deben considerarse a profundidad, dado que dichas complicaciones van a decrementar la capacidad personal para interactuar socialmente, continuar actividades laborales, y apegarse a tratamientos farmacológicos y psicoterapéuticos (Pantzar et al., 2017; Weisenbach, Boore y Kales, 2012; Baune et al., 2018).

En adultos mayores, los procesos cognitivos más afectados en personas con depresión son la memoria, la atención, la velocidad de procesamiento de la información, las funciones ejecutivas y la fluidez verbal (Fischer et al., 2008; Crocco, Castro y Loewenstein, 2010; Weisenbach, Boore y Kales, 2012; Pantzar et al., 2017; Thomas y O’Brien, 2008). No obstante, dichos déficits pueden aminorarse después del tratamiento, a esto se le denomina reversibilidad del síntoma. Debido a ello, algunos investigadores consideran que los déficits en los procesos cognitivos, a excepción de los de velocidad de procesamiento, son un estado transitorio asociado con la depresión y no un rasgo característico del trastorno, de ahí la importancia de atenderlos (Pantzar et al., 2017).

Se han descrito tres subtipos de disfuncionalidad cognitiva, asociadas con depresión, en adultos mayores. El primer subtipo se caracteriza por presentar únicamente complicaciones en la memoria. Los otros dos presentan combinaciones de dificultades de memoria y funciones ejecutivas o de memoria y atención. Sin embargo, quienes presentan disfunciones ejecutivas tienden a ser los de mayor alteración funcional y, aún cuando la sintomatología depresiva disminuye, estos adultos mayores mantienen algunas complicaciones cognitivas, por lo que la identificación temprana permite implementar estrategias terapéuticas más adecuadas para ellos (Crocco, Castro y Loewenstein, 2010; Weisenbach, Boore y Kales, 2012).

De los procesos mencionados, la disfunción ejecutiva suele agravar la calidad de vida de las personas, esto se debe a que las funciones ejecutivas son responsables de la planificación conductual, la secuenciación de actividades y pensamientos, la abstracción y la integración emocional. Por esta razón, su deterioro afecta la capacidad de realizar las actividades de la vida diaria (avd), tales como bañarse, vestirse, alimentarse, movilizarse, usar el sanitario, y también impacta en las actividades instrumentales de la vida diaria (aivd), entre las que se incluyen el cuidado de otras personas o mascotas, uso de dinero, cuidado del hogar, preparación de los alimentos, o la adquisición de productos diversos (Alexopoulos, 2001; Weisenbach, Boore y Kales, 2012). Por otra parte, la velocidad de procesamiento (también afectada en la disfunción ejecutiva) permite mantener y manipular información para su uso posterior. Si dicha velocidad decrementa, afectará directamente el desempeño de los procesos de atención y memoria, por lo tanto, el adulto mayor tendrá dificultad para realizar las actividades que dependan de ellos (Thomas y O’Brien, 2008).

En las disfunciones ejecutivas existe un desempeño disminuido en tareas en las que se debe inhibir la respuesta, como la tarea stroop. En ella, se le presenta al evaluado nombres de colores (verde, rojo, azul o amarillo), impresos en tinta de un color que no concuerda con su nombre (palabra verde impresa en tinta azul), por lo que la persona debe leer las palabras e inhibir una de las dos características (generalmente el nombre) para responder a lo que el evaluador solicita. El desempeño disminuido en ésta y en otras pruebas enfocadas en la planeación conductual se ha asociado con efectos retardados del tratamiento farmacológico y a incrementos en la probabilidad de presentar otro episodio depresivo. Esto se debe a que dichos síntomas son característicos de la depresión isquémica subcortical, también llamada depresión vascular, condición que resulta en el endurecimiento de los vasos sanguíneos, lo que, en consecuencia, impide el flujo normal de la sangre al cerebro, afectando principalmente estructuras subcorticales y de proyecciones hacia la corteza prefrontal, que se encarga del procesamiento ejecutivo (Alexopoulos, 2001; Bogner, et al., 2007; Brown et al., 2014).

Se ha propuesto un modelo para explicar los déficits ejecutivos presentes en los trastornos depresivos, que se ha denominado disfunción ejecutiva depresiva, traducido de su nombre en inglés: depression-executive dysfunction (ded). Los que padecen ded presentan, además de alteraciones en funciones ejecutivas, retraso psicomotor, sintomatología depresiva limitada y dificultad para realizar actividades diarias (Alexopoulos, 2001).

Dicho modelo busca predecir la respuesta de las personas al tratamiento de la depresión con fármacos antidepresivos y considera que la sintomatología depresiva puede ser resultado de anormalidades neuroanatómicas en los circuitos fronto-límbico y fronto-estriado (Alexopoulos, 2001), que son responsables, entre otras funciones, de la regulación del estado anímico y del funcionamiento ejecutivo (ver figura 2). Además, las explicaciones de este modelo concuerdan con otras condiciones como la depresión vascular, descrita previamente (McLennan y Mathias, 2010).



Figura 2. Interacción entre estructuras subcorticales y la corteza prefrontal.
Elaboración propia basada en: Alexopoulos, 2001.

Actualmente, el abordaje farmacológico principal para el trastorno depresivo consiste en el tratamiento con Inhibidores Selectivos de la Recaptación de Serotonina (isrs), que, al bloquear el proceso recaptación de serotonina (5-HT) hacia la neurona presináptica, incrementan la cantidad de este neurotransmisor en la hendidura sináptica, favoreciendo así su disponibilidad para los receptores de la neurona postsináptica (ver figura 3). No obstante, los isrs tienen poco o nulo efecto sobre la concentración de otros neurotransmisores (Hiemke y Härtter, 2000).



Figura 3. Mecanismo de acción de los Inhibidores Selectivos de la Recaptación de Serotonina.
Elaboración propia basada en: Hiemke y Härtter, 2000.

Por su parte, el modelo ded se fundamenta en la alteración de los mecanismos de neurotransmisión necesarios para llevar a cabo las funciones ejecutivas, entre los que se encuentran la dopamina, la norepinefrina, la histamina, la acetilcolina y la serotonina, por lo que se propone que, en las personas con disfunción ejecutiva depresiva, la respuesta al tratamiento con isrs será menor (McLennan y Mathias, 2010). Derivado de lo anterior, si se detectan a las personas con disfunción ejecutiva y sintomatología depresiva, es posible establecer un plan de tratamiento adecuado para cada caso, que incluya fármacos distintos a los isrs para modificar las concentraciones de los demás neurotransmisores, y así se favorezca el funcionamiento ejecutivo y se disminuyan los síntomas depresivos. En este sentido, es importante que un equipo de psicólogos clínicos, neuropsicólogos y psiquiatras realicen una valoración exhaustiva e integral de las personas atendidas.

Conclusiones

Las complicaciones cognitivas comórbidas al trastorno depresivo en adultos mayores son numerosas. Se pueden observar desempeños bajos en tareas donde participan las funciones ejecutivas, la memoria, la atención y la velocidad de procesamiento. Dichas complicaciones deterioran aún más la calidad de vida del adulto mayor que padece depresión y, de la misma forma, dificultan su desenvolvimiento en actividades cotidianas, al modificar negativamente su autoconcepto y empeorar su sintomatología afectiva.

La evaluación y categorización de las dificultades cognitivas presentes en el trastorno depresivo en personas adultas mayores son herramientas que sirven de guía al profesional para establecer un diagnóstico diferencial entre el deterioro cognitivo comórbido y el trastorno afectivo, así como el que precede a una neuropatología. La identificación temprana de las complicaciones cognitivas permite a los especialistas en salud mental elaborar planes de tratamiento psicoterapéutico individualizados para mitigar los déficits que las personas adultas mayores presentan y establecer un tratamiento farmacológico más apropiado. Sin embargo, en México la prevalencia de enfermedades como obesidad, diabetes e hipertensión es elevada, y estas condiciones de salud también deterioran la función ejecutiva, por lo que son otros factores que considerar.

Es por esto que la valoración neuropsicológica es de suma importancia en el envejecimiento, ya que en los adultos mayores que presentan disfunción ejecutiva comórbida a la sintomatología depresiva, los isrs pueden tener un efecto reducido, por lo que se sugiere analizar el tratamiento con distintos fármacos. El enfoque que ha demostrado mayor efectividad para tratar la depresión es la terapia cognitivo conductual enfocada a resolución de problemas, que favorece el funcionamiento ejecutivo debido a que, durante el proceso psicoterapéutico, la persona identifica situaciones problemáticas, y planea, desarrolla y lleva a cabo estrategias cognitivas y afectivas para afrontarlas, estimulando así, procesos cognitivos y habilidades que mejorarán su calidad de vida. Este enfoque terapéutico es más efectivo si se acompaña de una intervención farmacológica adecuada.

Referencias

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  • World Health Organization [who]. (2019, December 19). Mental Health. https://www.who.int/health-topics/mental-health.

Material complementario

Si el lector desea conocer más, los autores recomiendan los libros: El cerebro ejecutivo por Elkhonon Goldberg, Neuropsicología de la corteza prefrontal y las funciones ejecutivas por Javier Tirapu Ustárroz, y Envejencimiento cognitivo por Denise Park y Norbert Schwarz.



Recepción: 08/06/2020. Aprobación: 18/01/2021.

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Revista Digital Universitaria Publicación bimestral Vol. 18, Núm. 6julio-agosto 2017 ISSN: 1607 - 6079