Se un tumore è riuscito a stabilirsi nel cervello di un essere vivente, ha agito in modo particolarmente astuto dal proprio punto di vista. Si è infatti nascosto dietro una delle barriere più poderose con cui il corpo protegge i suoi organi più importanti: la barriera emato-encefalica, un filtro molto selettivo che permette il passaggio solo di sostanze selezionate. La maggior parte dei farmaci non è in grado di farlo. Per la medicina, trovare una chemioterapia efficace contro i tumori cerebrali è quindi una grande sfida.
Negli ultimi anni, la ricerca medica ha trovato un alleato promettente: la nanotecnologia. I materiali a livello nanometrico possono, in senso figurato, assumere il ruolo di postini che consegnano i principi attivi all'indirizzo desiderato. Poiché le nanoparticelle sono incredibilmente piccole, circa 500 volte più piccole del diametro di un capello umano, alcune riescono a attraversare le barriere protettive del corpo senza danneggiarle. Restando sull'esempio dei tumori cerebrali, le nanoparticelle potrebbero quindi trasportare agenti chemioterapici oltre la barriera emato- encefalica nel cervello, dove potrebbero combattere il tumore cerebrale.
Ricerca del
nanomateriale adeguato
Tuttavia, le nanoparticelle devono possedere proprietà molto specifiche a seconda del compito che
devono svolgere: a seconda della forma, della composizione del materiale e delle dimensioni, si
distribuiscono diversamente nel corpo e si accumulano in altri organi. È necessario scoprire quali
particelle possono svolgere il loro compito nel miglior modo possibile senza causare danni. Finora, i
ricercatori hanno utilizzato modelli animali, principalmente topi, per rispondere a queste domande:
hanno somministrato ai topi diversi nanomateriali e poi studiato come si siano distribuiti nel corpo dei
topi e quali effetti collaterali abbiano avuto. Questi studi sugli animali non sono solo laboriosi, lunghi e
costosi, ma anche problematici dal punto di vista etico. Non a caso, la legge svizzera sulla protezione
degli animali richiede di limitare al minimo necessario il numero di esperimenti sugli animali utilizzati.
Topo IA con un vantaggio decisivo
La ricercatrice dell'Empa Jimeng Wu, dottoranda nelle divisioni «Nanomaterials in Health» e
«Technology and Society», ha quindi sviluppato un topo virtuale su cui è possibile eseguire questi test
in modo molto più rapido grazie all'IA. Per questo cosiddetto modello farmacocinetico basato su
fisiologia (modello PBPK), Wu ha utilizzato 18 studi su topi come base, quindi dati di esperimenti di
diversi team di ricerca su topi «reali». Inoltre, ha integrato nel suo modello un metodo statistico,
l'analisi bayesiana con simulazioni di catena di Markov Monte Carlo.
Il risultato è un topo virtuale a cui si possono somministrare nanoparticelle - anche virtuali. Il modello calcola quindi la loro distribuzione nel corpo del topo in base alle loro proprietà come dimensioni, rivestimento e carica della superficie. Rispetto a un modello PBPK tradizionale, che è calibrato solo per una singola sostanza, il topo IA di Wu ha un vantaggio decisivo: «Il modello può adattare i suoi parametri alle proprietà misurabili della nanoparticella corrispondente», spiega Jimeng Wu. Questa capacità è dovuta allo strumento del «modello di regressione lineare multivariata», un approccio all'apprendimento automatico.
Contributo a «Sicuro e sostenibile per design» «Questo strumento di screening supportato da IA permette ai ricercatori di testare virtualmente quale tipo di nanoparticelle è più adatto per un determinato compito, prima ancora di produrre queste particelle», spiega Jimeng Wu. Ciò non solo risparmia tempo, ma anche costi, poiché fornisce un aiuto decisionale prima di avviare uno studio clinico costoso.
«Così, il modello contribuisce al concetto di «Sicuro e sostenibile per design» (SSbD),» aggiunge Peter Wick, che accompagna Jimeng Wu nel suo dottorato insieme al suo collega Bernd Nowack. Infatti, il topo virtuale aumenta la sicurezza dei nuovi materiali o terapie già prima del loro sviluppo. Tuttavia, il ricercatore dell'Empa avverte che il set di dati con cui il modello è stato finora addestrato è ancora molto piccolo: finora sono stati trovati solo 18 «Articoli sottoposti a revisione paritaria» la cui qualità dei dati era sufficiente. «In molti studi, le proprietà delle nanoparticelle utilizzate non sono sufficientemente descritte», sottolinea. Ora è necessario alimentare il topo virtuale con dati di studio aggiuntivi e verificarlo per aumentare ulteriormente l'affidabilità delle previsioni. «Il nostro obiettivo a lungo termine è ridurre il processo di sviluppo dei materiali nanomedicinali fino all'applicazione come farmaco sulla paziente o sul paziente, evitando il più possibile esperimenti sugli animali,» sottolinea.
Rendere il
modello utilizzabile per la ricerca umana
Il futuro lavoro di ricerca di Jimeng Wu si concentrerà inoltre su una cosiddetta «strategia di
collegamento» per trasferire il principio del suo modello in silico alla ricerca umana. Prevede di
incorporare i principi del topo virtuale in un modello PBPK umano. Al contrario del suo topo IA, che
calcola solo la distribuzione delle nanoparticelle nel fegato, nei reni, nei polmoni e nella milza, un
modello in silico umano potrebbe essere utilizzato anche per lo studio di organi sensibili target – ad
esempio, per investigare in quale misura determinate nanoparticelle possono superare la barriera
emato-encefalica. Anche il tumore cerebrale menzionato all'inizio non dovrebbe più sentirsi al sicuro
dietro questa barriera – le nanoparticelle potrebbero portargli un pacchetto con una dose mirata di
chemioterapia nel ruolo di «postino».