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Storie di successo dei progetti - Modellazione multiscala nella sanità

Il lavoro di un progetto europeo che sta aiutando scienziati e ricercatori a comprendere meglio una grave malattia coronarica ha spianato la strada per una modellazione multiscala in una serie di discipline biomediche.
Storie di successo dei progetti - Modellazione multiscala nella sanità
La formazione di placche nell'arteria coronaria potrebbe essere un sintomo che il cuore non riceve abbastanza ossigeno e che vi è quindi il rischio di un'arteria bloccata, che può causare un attacco cardiaco.

La procedura standard per gestire questa condizione è l'angioplastica, che prevede un allargamento meccanico di un vaso sanguigno ristretto o ostruito. I dottori poi spaccano questa placca per ripristinare il flusso di sangue, ma spesso l'arteria liberata non è abbastanza forte da rimanere aperta senza un supporto. Viene inserito uno stent, che rimane nell'arteria per garantire che rimanga aperta.

Il paziente ha poi una ferita all'interno dell'arteria che ha bisogno di tempo per guarire. Nella maggior parte dei casi il tessuto cresce attorno allo stent e il paziente può condurre una vita sana. Tuttavia, all'incirca nel 10% di tali casi la situazione peggiora quando del tessuto indesiderato si forma all'interno dell'arteria.

Questa condizione si chiama ristenosi in-stent (ISR): lo sviluppo di tessuto neointimale che può potenzialmente bloccare l'arteria. Se si verifica, potrebbe essere necessario un trattamento ulteriore.

Risolvere questo problema è stato l'obiettivo del progetto Coast (Complex automata simulation), un progetto finanziato dall'UE per costruire un ambiente per simulazioni multiscala e multiscienza.

Lo scopo del progetto non era migliorare la cura medica in sé, ma sviluppare un'automazione complessa (CxA) in grado di simulare e sintetizzare complessi modelli matematici in un'ampia serie di scale, da "molecola a uomo".

"Il progetto Coast si occupa di modellazione multiscala, o MSM," afferma Alfons Hoekstra, professore di scienza computazionale dell'Università di Amsterdam e coordinatore del progetto Coast.

"Circa 10 anni fa ci siamo accorti che in scienza, biologia e sanità studiavamo i sistemi in una determinata scala, diciamo a un determinato ingrandimento dei nostri microscopi. Facciamo lo zoom per vedere organi, tessuti, cellule e cerchiamo di capire i nostri corpi su scale separate. Dalla scoperta del genoma umano, siamo riusciti a effettuare analisi dal livello molecolare fino al livello dell'uomo; si tratta di processi complessi che si verificano in scale diverse" spiega.

Lo studio per comprendere la ISR e per trovare un trattamento migliore è stato usato come esempio di una complessa applicazione biomedica multiscala per capire se sarebbe possibile ottenere un ambiente per simulazioni multiscala e multiscienza. "L'intero progetto Coast si basa sulla ISR," afferma Hoekstra. "Si tratta di un'applicazione molto complessa. Comprende tutte le diverse varianti degli accoppiamenti multiscala immaginabili."

Per studiare l'esatto funzionamento del corpo gli scienziati potrebbero provare a simulare ogni cellula del corpo e tutte le proteine nelle cellule per scoprire cosa accade. Il problema è che nessun computer al mondo è in grado di raggiungere questo obiettivo. Pertanto, una soluzione è trattare le cose su scala più grossolana, diciamo in blocchi più grandi. Ma i ricercatori non otterrebbero tutte le informazioni necessarie per analizzare un processo.

L'idea alla base di Coast era creare simulazioni sia su larga scala che su piccola scala che funzionano contemporaneamente e accoppiarle in qualche modo. Raggiungere questo obiettivo era fondamentale per il progetto finanziato dall'UE.

Quindi mentre Coast aveva un obiettivo specifico legato alla ISR, ha anche cercato di rispondere alla domanda più generica: è possibile usare un modello per simulare diverse parti del corpo e consentire una cooperazione interdisciplinare?

Usare i muscoli

Per gestire tutti questi accoppiamenti multiscala, l'equipe del progetto ha sviluppato uno strumento computazionale chiamato Muscle (libreria e ambiente per accoppiamenti multiscala) per la simulazione di modelli multiscala. E per studiare la ISR l'equipe ha identificato e costruito modelli individuali su singola scala dei sottoprocessi biologici e fisici coinvolti. Muscle poi integra queste interazioni complesse in base alla loro specifica scala spaziale e temporale.

"Su tutte queste MSM normalmente si hanno a disposizione modelli su singola scala," afferma Hoekstra. "Sono lì. Se si desidera incollarli insieme, Muscle fornisce la colla. Poi la mappa di separazione su scala offre una dimostrazione illustrata per aiutare i biologi a organizzare le proprie conoscenze e con questa organizzazione Coast diventa anche uno strumento di modellazione qualitativa."

Muscle è anche un progetto open source ed è a disposizione dei ricercatori.

L'ambiente sviluppato dal progetto Coast è stato usato per cercare di ottenere più informazioni sulla ISR. "Le nostre simulazioni ora ci consentono di testare le ipotesi legate a semplici domande, come "perché la ISR si verifica e come si arresta?"', afferma Hoekstra. Questa analisi delle ipotesi offre poi informazioni ai biologi per condurre nuovi esperimenti. Tale sperimentazione guidata dalle simulazioni dovrebbe consentire di comprendere meglio la ISR.

L'uomo fisiologico virtuale

Lo studio della ISR da parte di Coast si collega a un obiettivo di ricerca molto più generico: lo sviluppo di un modello di uomo fisiologico virtuale (VPH). Questo concetto sta attualmente ricevendo molti finanziamenti TIC ed è già stata sviluppata una vasta rete di eccellenza. Con l'aiuto dei finanziamenti dell'UE, l'Europa ha sviluppato una comunità VPH molto forte.

VPH è un ambiente metodologico e tecnologico che consentirà lo studio collaborativo del corpo umano come singolo sistema complesso. VPH sarà costituito da modelli informatici integrati delle funzioni meccaniche, fisiche e biomediche di un corpo umano vivente.

"L'intero concetto VPH è molto complesso dal punto di vista TIC," afferma Hoekstra. "É qui che entra in gioco la ISR, come applicazione VPH. La comunità VPH sta promuovendo queste idee. Ritengo che VPH faccia parte di questa "idea di salute per TIC" e stiamo iniziando a vedere una fusione di questi gruppi."

Hoekstra stima che ci siano circa 15 progetti VPH finanziati dall'UE attualmente attivi. "Vi è molto interesse nei confronti di questo argomento per creare modelli che aiutino a capire la fisiologia umana e a migliorare la salute umana" afferma. "Si può riassumere con due frasi: da molecola a uomo o da DNA a malattia."

È nella comunità VPH che il lavoro preparatorio di Coast può essere sfruttato al meglio. È qui che è stata assorbita veramente la ricerca TIC. "Il fatto è che i modelli sono stati convalidati," afferma Hoekstra. "Coast è terminato, ma ci sono altri progetti. Il progetto Meddica (progettazione di dispositivi medici nelle applicazioni cardiovascolari), ad esempio, si occupa del miglioramento dei dispositivi medici: valvole cardiache artificiali, stent, ecc.'

Il futuro

Hoekstra ritiene che il progetto Coast abbia portato i ricercatori a poter realmente iniziare a fare la differenza nella modellazione multiscala e nelle applicazioni sulla salute umana.

"È arrivato il momento di usare l'applicazione anche su altri sistemi, non solo nelle coronarie" afferma. "Coast non è stato discusso con le aziende, al contrario di quanto avverrà con Meddica. Siamo ora in grado di incontrare le aziende per discutere i risultati ottenuti. In precedenza non eravamo ancora pronti."

Un nuovo progetto, il cui inizio è previsto per ottobre 2010 e che si prevede finirà nel 2013, punta a trovare i migliori computer su cui eseguire i modelli multiscala usando i paradigmi sviluppati da Coast. Comprenderà l'accoppiamento di computer in Europa e l'unione di discipline diverse, come i ricercatori che si occupano di fusione, quelli che studiano i nanomateriali, gli idrologi e il VPH.

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