1.1 INTRODUCCIÓN A LA
FISIOLOGÍA
La fisiología humana es el estudio de
cómo funciona el cuerpo humano, con énfasis en los mecanismos específicos de
causa y efecto. El conocimiento de estos mecanismos se ha obtenido
experimentalmente por medio de aplicaciones del método científico.
La fisiología (del griego physis, “naturaleza”; logos, “estudio”) es el estudio
de la función biológica —cómo funciona el cuerpo, desde los mecanismos
moleculares dentro de las células hasta las acciones de tejidos, órganos y
sistemas, y cómo el organismo en conjunto lleva a cabo tareas particulares
esenciales para la vida—. En el estudio de la fisiología se hace hincapié en
los mecanismos —con preguntas que empiezan con la palabra cómo, y respuestas que
comprenden secuencias de causa y efecto—. Tales secuencias pueden entrelazarse
hacia historias cada vez más grandes que incluyen descripciones de las estructuras
implicadas (anatomía) y que se superponen con las ciencias de la química y la
física.
Los
hechos y relaciones separados de estas secuencias de causa y efecto derivan de
manera empírica de evidencia experimental. Las explicaciones que parecen
lógicas no necesariamente son verdaderas; sólo son tan válidas como los datos
en los cuales se basan y suelen cambiar a medida que se crean
nuevas técnicas y se efectúan más experimentos. El objetivo final de la
investigación fisiológica es entender el funcionamiento normal de células,
órganos y sistemas. Una ciencia relaciona da —la fisiopatología— estudia
cómo se alteran los procesos fisiológicos en presencia de enfermedad o lesión.
La
fisiopatología y el estudio de la fisiología normal se complementan entre sí;
por ejemplo, una técnica estándar para investigar el funcionamiento de un
órgano es observar lo que sucede cuando el órgano se extirpa quirúrgicamente de
un animal de experimentación o cuando su función se altera de una manera específica.
Este estudio a menudo es auxiliado por “experimentos de la Naturaleza”
—enfermedades— que comprenden daño específico del funcionamiento de un órgano.
De este modo, el estudio de procesos morbosos ha ayudado a entender el
funcionamiento normal y el estudio de la fisiología normal ha proporcionado
gran parte de la base científica de la medicina moderna. Esta relación es
reconocida por el comité del premio Nobel, cuyos miembros otorgan premios en la
categoría de “Fisiología o Medicina”.
La
fisiología de invertebrados y de diferentes grupos de vertebrados se estudia en
la ciencia de la fisiología comparada. Gran parte del conocimiento que se obtiene a partir de la
fisiología comparada ha logrado beneficiar el estudio de la fisiología humana,
lo cual ocurre porque los animales, incluyendo a los humanos, tienen más
similitudes que diferencias. Esto es en especial cierto cuando se compara a las
personas con otros mamíferos. Las pequeñas diferencias de la fisiología entre humanos
y otros mamíferos pueden tener importancia crucial en la creación de fármacos
(aspecto que se comenta más adelante en esta sección), pero tales diferencias son
relativamente menores en el estudio general de la fisiología.
Método
científico
Toda la
información que aparece en este texto ha sido obtenida de personas que aplican
el método científico. Aunque
la aplicación de dicho método comprende técnicas diferentes, todas comparten
tres atributos: 1) confianza en que el mundo natural, incluso los humanos, es
explicable en términos entendibles; 2) descripciones y explicaciones del mundo
natural que se basan en observaciones y que podrían ser modificadas o refutadas
por otras observaciones, y 3) humildad, o la disposición a aceptar errores. Si
el estudio adicional diera conclusiones que refutaran toda una idea o parte de
la misma, la idea tendría que modificarse en consecuencia. En resumen, el
método científico se basa en una confianza en la capacidad racional, honestidad
y humildad. Los científicos en ejercicio profesional quizá no siempre muestren
estos atributos, pero la validez de la gran cantidad de conocimiento científico
que se ha acumulado —según se muestra por las aplicaciones tecnológicas y el
valor predictivo de hipótesis científicas— son un amplio testimonio de que el
método científico funciona.
El método
científico comprende pasos específicos. Después de que se hacen ciertas
observaciones respecto al mundo natural, se formula una hipótesis. Para que esta
hipótesis sea científica, debe prevalecer tras ser puesta a prueba mediante experimentos
u otras observaciones del mundo natural. Así, podría elaborarse la hipótesis de
que las personas que hacen ejercicio con regularidad tienen una frecuencia del
pulso en reposo más baja que otras personas. Se realizan experimentos u otras
observaciones y se analizan los resultados. A
continuación
se emiten conclusiones respecto a si los nuevos datos refutan la hipótesis o la
apoyan. Si la hipótesis sobrevive a esas pruebas, quizá entonces se le
incorpore en una teoría más general. Así, las teorías científicas no son tan sólo
conjeturas, sino declaraciones acerca del mundo natural que incorporan varias
hipótesis probadas. Sirven como un marco lógico mediante el cual estas
hipótesis pueden interrelacionarse y proporcionan la base para predicciones que
tal vez hasta entonces no se hayan probado.
La
hipótesis en el ejemplo anterior es científica porque es comprobable; podría
medirse el pulso de 100 atletas y 100 personas sedentarias, por ejemplo, para
ver si hay diferencias estadísticamente significativas. Si las hubiera, la
declaración de que los atletas, en promedio, tienen frecuencia del pulso en
reposo más baja que otras personas, estaría justificada con base en estos datos. Aun así,
es necesario estar abierto al hecho de que esta conclusión podría ser errónea.
Antes de que el descubrimiento pudiera aceptarse como un hecho, otros
científicos tendrían que replicar de manera consistente los resultados. Las teorías
científicas se basan en datos reproducibles.
Es muy
posible que cuando otros intenten replicar el experimento, sus resultados sean un
tanto diferentes. Entonces cabe la posibilidad de que elaboren hipótesis
científicas de que las diferencias de la frecuencia del pulso en reposo también
dependen de otros factores, como la naturaleza del ejercicio efectuado. Cuando
los científicos intenten probarlas quizá encuentren nuevos problemas que
requieran nuevas hipótesis explicativas y entonces deben ser probadas mediante
experimentos adicionales.
Así, se
acumula poco a poco gran cantidad de información muy especializada y puede
formularse una explicación más generalizada (una teoría científica). Esta
explicación casi siempre será diferente de nociones preconcebidas. Quienes
siguen el método científico modificarán entonces de manera apropiada sus conceptos,
al percatarse de que sus nuevas ideas tal vez tendrán que cambiarse de nuevo en
el futuro a medida que se realicen más experimentos.
Mediciones,
controles y estadísticas
Si se
desea probar la hipótesis de que un programa de ejercicio regular proporciona
una frecuencia cardiaca en reposo más baja, en primer lugar se tendría que
determinar la naturaleza del programa de ejercicio. A continuación, decidir
cómo se mediría la frecuencia cardiaca (o la frecuencia del pulso); se trata de
un problema típico en la investigación sobre fisiología porque las pruebas de
casi todas las hipótesis fisiológicas requieren mediciones cuantitativas.
El grupo
que está sujeto a la condición de prueba —en este caso, el ejercicio— se conoce
como grupo experimental. Una medición
de su frecuencia cardiaca sólo sería significativa si se contrasta con la de
otro conjunto de personas, el grupo
control. ¿Cómo debe elegirse a este último?
Quizá los sujetos podrían servir como sus propios testigos, es decir, la
frecuencia cardiaca en reposo de una persona podría medirse antes y después del
régimen de ejercicio. Si esto no es posible, un grupo control podría estar
conformado por personas que no siguen el programa de ejercicio. La elección de grupos
control a menudo es un aspecto controvertido de los estudios sobre fisiología.
En este ejemplo, ¿las personas en el grupo control en realidad se abstuvieron
en absoluto de hacer ejercicio? ¿Fueron comparables a las personas que formaron
parte del grupo experimental respecto a edad, sexo, grupo étnico, peso
corporal, estado de salud, etc.? Tras considerar esto es evidente la dificultad
de obtener un grupo control que pudiera satisfacer cualquier crítica potencial.
Otra
crítica posible podría ser el sesgo en la manera en que los científicos
efectúan las mediciones, lo cual puede ser involuntario; después de todo los
científicos son humanos y quizá hayan invertido meses o años en este proyecto.
A fin de prevenir dicho sesgo a menudo quien realiza las mediciones desconoce a
qué grupo pertenece cada sujeto; a esto se le conoce como medición a ciegas.
Ahora
suponga que los datos han llegado y al parecer el grupo experimental en
realidad tiene una frecuencia cardiaca en reposo promedio más baja que el grupo
control. Sin embargo, hay superposición, esto es, algunas personas en el grupo control
tienen mediciones más bajas que las de algunas personas en el experimental. ¿La
diferencia de las mediciones promedio de los grupos se debe a una diferencia
fisiológica real o a variaciones al azar en las mediciones? Los científicos
intentan probar la hipótesis nula (la hipótesis de que la diferencia se debe al azar) con las
herramientas matemáticas de la estadística. Si los resultados estadísticos así lo aseguran, la hipótesis nula
se puede rechazar y cabe considerar que este estudio apoya la hipótesis
experimental.
La prueba
estadística elegida depende del diseño del experimento y también puede ser una
fuente de controversias entre científicos en la evaluación de la validez de los
resultados. Debido a la naturaleza del método científico, las “pruebas” en la
ciencia siempre son provisionales. Algunos otros investigadores, al emplear el
método científico de una manera diferente (con técnicas de medición, procesos
experimentales, elección de grupos control, pruebas estadísticas y otros
diferentes), quizá obtengan resultados distintos; por tanto, el método
científico es una empresa en curso.
Los
resultados de la empresa científica se escriben como artículos de investigación
y deben ser revisados por otros científicos que trabajen en el mismo campo antes
de publicarse en revistas revisadas por pares
(colegas). Casi siempre los revisores sugerirán
hacer ciertos cambios en los artículos antes de aceptarlos para publicación.
Los
ejemplos de esas revistas revisadas por pares que publican artículos en muchos
campos científicos son Science (www.sciencemag.org/), Nature (www.nature.com/nature/) y Proceedings of the National
Academy of Sciences (www.pnas. org/). Pueden encontrarse artículos de revisión sobre fisiología en Annual Review of Physiology (physiol.annualreviews.org/), Physiological Reviews (physrev.physiology.org/), y Physiology (physiologyonline.physiology.org). En revistas
de investigación médica, como el New
England Journal of Medicine (content. nejm.org/) y Nature Medicine (www.nature.com/nm/),
también se publican artículos de interés fisiológico. Asimismo, hay revistas de
especialidad en áreas de la fisiología, como neurofisiología, endocrinología y
fisiología cardiovascular.
Los
estudiantes que deseen buscar en línea artículos científicos publicados en
revistas revisadas por pares que se relacionen con un tema particular pueden
hacerlo en el sitio web de la National
Library of Medicine, PubMed (www.ncbi.nlm.nih.gov/
entrez/query.fcgi).
Desarrollo
de fármacos
El desarrollo
de nuevos medicamentos puede servir como un ejemplo de cómo se usa el método
científico en fisiología y sus aplicaciones en la salud. El proceso por lo
general empieza con investigación fisiológica básica, a menudo en los ámbitos
celular y molecular. Quizá se cree una nueva familia de fármacos usando células
en cultivo de tejido (in vitro o fuera del cuerpo). Por ejemplo, los fisiólogos celulares que
estudian el transporte de membrana tal vez descubran que una familia particular
de compuestos bloquea los canales de membrana para iones del calcio (Ca2+). Debido a su
conocimiento de fisiología, otros científicos pueden predecir que un
medicamento de esta naturaleza podría ser útil en el tratamiento de hipertensión
(presión arterial alta). Entonces es posible que ese fármaco sea puesto a prueba
en experimentos con animales.
Si un
medicamento es eficaz en concentraciones en extremo bajas in vitro (en células
cultivadas fuera del cuerpo), existe la posibilidad de que pueda funcionar in vivo (en el cuerpo) en concentraciones
tan bajas como para que no sean tóxicas (venenosas). Esta posibilidad debe
probarse de manera exhaustiva utilizando animales de experimentación, como
ratas y ratones. Más de 90% de los fármacos que se prueban en animales de
experimentación son demasiado tóxicos como para desarrollo adicional. Sólo en
los pocos casos en que la toxicidad es suficientemente baja, el desarrollo
puede progresar hacia estudios en humanos/clínicos.
La
investigación biomédica a menudo es auxiliada por modelos animales de
enfermedades particulares. Son cepas de ratas y ratones de laboratorio que
tienen susceptibilidad genética a enfermedades particulares que semejan
enfermedades de personas. La investigación con animales de laboratorio requiere
varios años y siempre precede a los estudios en humanos (clínicos) de fármacos
promisorios. Cabe hacer notar que este tiempo no incluye todos los años de
investigación fisiológica “básica” (que comprende animales de laboratorio) que
proporcionó el fundamento científico para la aplicación médica específica.
En estudios clínicos fase I, el
fármaco se administra a voluntarios humanos sanos, lo cual se hace para medir
la toxicidad del medicamento en personas y estudiar cómo lo “maneja” el
organismo: de qué manera lo metaboliza, con qué rapidez se elimina de la sangre
por el hígado y los riñones, cuál es la manera más eficaz de administrarlo y
otros aspectos. Si no se observan efectos tóxicos importantes, el fármaco puede
ir hacia la siguiente etapa. En los estudios
clínicos fase II el medicamento se prueba
en la población humana establecida como objetivo (p. ej., individuos con
hipertensión). Sólo en aquellos casos excepcionales en los cuales el fármaco
parece ser eficaz pero tiene toxicidad mínima, precede avanzar a la siguiente fase.
Los estudios clínicos fase III ocurren
en muchos centros de investigación a fin de maximizar el número de
participantes; en este punto, la población de prueba debe incluir un número suficiente
de sujetos de ambos sexos, así como personas de diferentes grupos étnicos.
También se pone a prueba en personas que sufren problemas de salud distintos al
que los investigadores tienen en mente y del cual creen que el fármaco resultará
beneficioso así que, por ejemplo, aquí se incluiría a personas que padecen
diabetes además de hipertensión. Si el medicamento pasa los estudios fase III,
se envía a la Food and Drug
Administration (FDA) —si el estudio se
realiza en EUA— para su aprobación. En los estudios
clínicos fase IV se ponen a prueba otros
usos potenciales del fármaco Menos de 10% de los fármacos puestos a prueba
recorre todo el camino por estudios clínicos hasta finalmente obtener aprobación
y ser comercializados. Este índice bajo de éxito no cuenta los que deben ser
desechados incluso después de su aprobación debido a alguna toxicidad
inesperada ni toma en cuenta la gran cantidad de medicamentos que fracasan en
etapas más tempranas de la investigación antes de que empiecen los estudios
clínicos. Note la función crucial de la investigación básica, usando animales
de experimentación, en este proceso. Casi todos los fármacos de venta con
receta que se encuentran en el mercado deben su existencia a este tipo de
investigación.
