Storie di successo dei progetti - La medicina in silico raggiunge l'ospedale

In silico è il termine usato dagli scienziati per descrivere la modellizazione, la simulazione e la visualizzazione di processi biologici e medici nei computer. La comparsa della medicina in silico è frutto dei progressi dell'informatica medica negli ultimi 20 anni.

"In silico si riferisce a qualsiasi applicazione di tecnologie basate su computer – algoritmi, sistemi e data mining o analisi," secondo il professor Norbert Graf, Direttore della Clinica di oncologia e ematologia pediatrica presso l'ospedale universitario di Saarland e ricercatore anziano per il progetto "Advanced clinico-genomic trials on cancer" (ACGT).

Fin dall'inizio della corsa per mappare il genoma umano, l'informatica ha cominciato ad avere un ruolo molto maggiore nelle scienze mediche. Questa combinazione di informatica e statistica, chiamata bioinformatica, interessa quasi tutti i campi della medicina moderna e della biologia molecolare: sequenziamento, annotazione genica, biologia evolutiva, analisi della mutazione, analisi di immagini ad alta velocità di elaborazione e molti altri.

Una delle più interessanti discipline bioinformatiche emergenti è però la modellizazione, la simulazione e la visualizzazione. La modellizazione mappa gli elementi di un sistema biologico, la simulazione cerca di mostrare realisticamente come tale sistema si evolve nel tempo con dati stimoli e la visualizzazione presenta le previsioni in forma grafica.

È un paradigma veramente notevole: processi biologici reali simulati accuratamente in un ambiente virtuale. Questo settore è ancora agli inizi ma gli scienziati hanno già fatto enormi progressi, soprattutto nell'ambito del progetto ACGT finanziato dall'UE.

ACGT mira a fornire alla comunità della ricerca sul cancro un'infrastruttura TIC all'avanguardia in modo da rendere possibile l'uso della genomica applicata in campo clinico per la cura del cancro. La genomica applicata personalizza la cura al profilo genetico individuale di un particolare tumore e di un particolare paziente e ACGT fornisce una serie di strumenti per facilitare questa attività.

L'oncosimulator: cancro in silico

Lo strumento più innovativo e avanzato di ACGT è l'oconsimulator, un software di modellizazione, simulazione e visualizzazione matematica e una piattaforma sperimentale in silico.

L' In Silico Oncology Group sta sviluppando questa piattaforma in collaborazione con diversi centri di ricerca in Europa e Giappone sotto la guida del professore ricercatore Georgios Stamatakos dell'Institute of Communication and Computer Systems (ICCS) presso la National Technical University of Athens (NTUA).

"L'oncosimulator è un sistema di software integrato che simula in vivo la risposta dei tumori alle cure in un ambiente di test clinici," spiega il prof. Graf. "Il suo scopo è quello di supportare il processo decisionale clinico per singoli pazienti. L'ottimizzazione della cura del cancro è l'obiettivo principale del sistema."

Questi esperimenti in silico possono aiutare a formare e informare dottori, scienziati, ricercatori e pazienti mostrando la probabile risposta del tumore a diversi regimi terapeutici. La tecnologia non è ancora pronta per gli ospedali, ma il progetto ACGT ha fatto un grandissimo passo avanti in tale direzione.

Nel progetto ACGT il team si è occupato in particolare del neuroblastoma pediatrico, un tipo di cancro ai reni infantile, e specificamente di un esperimento condotto dalla SIOP, la Società internazionale di oncologia pediatrica.

Grazie a questo esperimento, i ricercatori di ACGT sono stati in grado di usare dati reali resi anonimi riguardanti il prima e il dopo il trattamento chemioterapico e questi dati hanno fornito una maniera di adattare il software a condizioni cliniche reali e, allo stesso tempo, validare il software usando risultati veri.

"Usando dati medici reali riguardanti il neuroblastoma per un singolo paziente in associazione a valori plausibili per i parametri del modello … basati sulla letteratura disponibile, è stato possibile fare una previsione ragionevole del reale rimpicciolimento del volume del tumore," dice il prof. Graf.

Il lavoro sulla simulazione coinvolgeva le più avanzate scienze mediche matematiche, come automi cellulari stocastici, simulazione a eventi discreti, ipermatrici e operatori discreti.

Il professor Graf dice che usando questi metodi è possibile anche studiare l'instabilità genetica, o mutazione, e la mutagenesi, ed esaminare la complessità delle interazioni tra il sistema immunitario e il tumore.

Un quadro dettagliato

ACGT ha seguito il solido modello top-down per sviluppare la simulazione. Il metodo top-down usa osservazioni cliniche e quello che si conosce sul comportamento del cancro. Questo metodo usa informazioni fisiologiche e biologiche per costruire un quadro molto dettagliato dell'evoluzione del cancro e un processo interattivo aggiorna costantemente sia la simulazione che il modello alla sua base.

La gamma di dati usata dal simulatore ACGT è impressionante. Dalla letteratura, i fattori sistemici nella farmacocinetica dei farmaci, le dinamiche di interazione tra farmaci e specifici tipi di tumore. Ha anche usato parametri radiobiologici per la radioterapia e i dati molecolari. Comprende inoltre tutti i dati clinici come età, peso, anamnesi familiare eccetera e dati di imaging di tomografia computerizzata (TC), risonanza magnetica (MRI) e ultrasuoni, o qualsiasi combinazione di essi.

I dati molecolari provengono dal profiling degli anticorpi, una stima della composizione della cellula del tumore e stime della reattività del tumore ai possibili farmaci. Tutte queste informazioni sono associate ai dettagli dei protocolli standard di trattamento.

Al momento questa è l'avanguardia, ma l'oncosimulator spera di andare oltre con il tempo.

"Ovviamente man mano che si sfruttano più dati medici, l'affidabilità della regolazione del modello dovrebbe aumentare," dice il prof. Graf. "Il successo del funzionamento della piattaforma dell'oncosimulator di ACGT iniziale, sebbene utilizzabile al momento solo come test di principio, è stato un passo particolarmente incoraggiante verso la traduzione clinica del sistema, il primo al mondo di questo tipo."

Il team ha ottenuto una vera e propria rivoluzione dimostrando con i dati della SIOP che il modello era in grado di produrre in generale previsioni ragionevoli. È comunque necessario lavorare ancora. L'oncosimulator deve essere sottoposto a un completo processo di convalida, adattamento e ottimizzazione prima di poter entrare nella pratica clinica di routine come strumento decisionale.

Inoltre i ricercatori devono testare e integrare i metodi di estrazione molecolare dell'importante costituzione istologica, o cellulare, del tumore. Questo lavoro è in corso, ma la rivoluzione di ACGT è di mostrare che tale prova di principio è solida.

Il progetto ACGT ha ricevuto finanziamenti dalla linea "Tecnologie della società dell'informazione" del Sesto programma quadro (6° PQ) per la ricerca. Per maggiori informazioni sul lavoro di ACGT 'Applied genomics moves from the lab to the clinic' .