dna, IA e medicina di precisione

Dalla genetica avanzata all’intelligenza artificiale, passando per tecniche avanzate di analisi delle immagini diagnostiche e la sperimentazione di nuove terapie: oggi l’innovazione nel campo delle malattie rare passa da qui. E l’Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri lavora su questo fronte per identificare le varianti genetiche responsabili di malattie rare ancora senza diagnosi e valutare l’efficacia di nuovi farmaci e migliorare gli standard di cura.

L’IRCCS è tra i partner di Anthem, progetto nato per accelerare lo sviluppo di nuove tecnologie e terapie per patologie ancora prive di cure efficaci, nell’ambito del Piano Nazionale Complementare al PNRR, che si concluderà a novembre (ne abbiamo parlato qui).

Tra gli obiettivi, una maggiore condivisione di dati e conoscenze – fondamentale nelle malattie rare, che interessano un numero limitato di persone – e la possibilità di riunire in un unico percorso l’intero iter della ricerca: dalla diagnosi genetica alla comprensione dei meccanismi della malattia, fino alla sperimentazione di possibili nuove terapie.

Ne abbiamo parlato con Marina Noris, direttrice del Laboratorio di Genetica umana dell’Istituto, e con Ariela Benigni, coordinatrice delle attività di ricerca delle sedi di Bergamo e Ranica.

L’odissea diagnostica

Nel campo delle malattie rare il ritardo diagnostico continua a rappresentare una delle principali criticità.

«Il problema principale resta il tempo medio che intercorre tra i primi sintomi e la diagnosi» racconta Benigni. «In Europa è di almeno cinque anni e non avere un nome per la propria malattia è davvero qualcosa di molto difficile da accettare».

Si parla in gergo di “odissea diagnostica”, per il percorso lungo e la difficoltà di arrivare a una diagnosi accurata.

Anche se in questi anni l’Italia ha fatto importanti passi avanti: come rilevato dal rapporto Monitorare, infatti, il nostro Paese è primo in Europa per lo screening neonatale esteso e dispone del 95% dei farmaci approvati dall’Agenzia europea per i medicinali (EMA). Ma permangono ancora criticità legate, per esempio, all’accesso uniforme alle cure, con molti pazienti costretti a spostarsi al nord per raggiungere centri specializzati.

«La diagnosi non cancella la malattia, però orienta un percorso clinico e permette di capire se esistono già studi che ne abbiano chiarito la causa o consente di indagare una possibile causa genetica» puntualizza Benigni, ricordando che lo studio delle malattie rare è una priorità di sanità pubblica e che grazie al progetto Anthem sono state messe insieme le conoscenze tradizionali e le tecnologie più sofisticate.

Dare un nome alla malattia

Proprio grazie alle tecnologie acquisite con il progetto Anthem, il primo step è stato completare il sequenziamento genetico avanzato in tutti i pazienti affetti da malattie rare senza una diagnosi riferiti al centro, 30 persone in totale.

«Il percorso parte dal DNA, quindi dal sangue, dal classico test dell’esoma, che analizza tutta la porzione codificante del nostro DNA – spiega Noris -. Questo approccio viene poi integrato con altri strumenti che permettono di rilevare anche alterazioni più complesse all’interno del DNA, come riarrangiamenti tra un gene e l’altro o delezioni, cioè la perdita di una parte di un gene».

In circa il 50% dei casi è stato possibile dare un nome alla malattia.

Andare oltre l’assenza di diagnosi

Per i restanti pazienti senza una diagnosi definitiva, è stato utilizzato un approccio innovativo che si basa su una biopsia cutanea, per prelevare e analizzare cellule in possesso di specifiche mutazioni del DNA implicate nella malattia.

«Questo ci ha consentito di aumentare ulteriormente la nostra capacità di identificare anomalie genetiche, riuscendo a ottenere un incremento del 20-30%».

Oltre al DNA, il team ha sequenziato anche tutti gli RNA presenti nelle cellule, ovvero la molecola utilizzata come stampo del DNA e utilizzata in seguito come modello per la produzione delle proteine.

«In questo modo possiamo capire se un paziente, in cui non abbiamo trovato alterazioni entro il 2% del DNA che conosciamo meglio, presenta anomalie in altre regioni meno conosciute che hanno però un effetto proprio sull’RNA». Un passaggio fondamentale che permette di interpretare meglio le varianti genetiche e di studiarne le alterazioni.

Dopo RNA e DNA, spiega Noris, «la seconda tappa è stata l’analisi proteica attraverso saggi in vitro: coltiviamo cioè cellule in presenza di proteine che portano l’alterazione genetica per capire se presentano anche un’alterazione funzionale».

Quando la malattia prende forma

Il core della ricerca è rappresentato dalla spatial transcriptomics, una tecnologia fondamentale che permette di collegare il dato molecolare alla sua precisa localizzazione cellulare e istologica.

«Si tratta di uno strumento che permette di osservare il profilo genetico e quello proteico direttamente all’interno di un tessuto, confrontandolo con quello di un soggetto sano oppure di un paziente affetto da un’altra malattia. Si chiama “spatial” proprio perché permette di osservare come queste alterazioni siano distribuite nello spazio all’interno del tessuto».

Un’informazione preziosa per comprendere l’intero percorso che porta all’insorgenza della malattia.

Studiare il sistema circolatorio in miniatura

Ma al Mario Negri sono andati oltre e hanno sviluppato una sorta di sistema sperimentale rapido in grado di riprodurre la malattia. «Si tratta di un elemento fondamentale soprattutto nel caso di malattie molto rare o non ancora diagnosticate – chiarisce Noris -, perché permette di verificare se potenziali farmaci possano essere efficaci e testarli in vitro prima di arrivare al paziente. Tutto questo è stato possibile grazie a uno strumento molto sofisticato, Venaflux, che consente di far scorrere il sangue su cellule che riproducono i vasi della nostra circolazione, cioè vene, arterie e altri vasi sanguigni».

Attraverso questo sistema è possibile osservare, per esempio, se facendo scorrere il sangue di un paziente, rispetto a quello di un soggetto sano, si verificano alterazioni a livello delle cellule dei vasi.

«Per esempio, in una malattia caratterizzata dalla formazione di trombi piastrinici nella microcircolazione, abbiamo osservato questo processo direttamente nei piccoli canali del dispositivo, riproducendo ciò che accade nell’organismo. Abbiamo quindi testato diversi composti e alcuni si sono dimostrati efficaci, offrendo ottime prospettive per un futuro impiego nei pazienti».

Le applicazioni non si fermano a una sola patologia

Pochi mesi fa, su Kidney International, l’Istituto ha pubblicato lo studio internazionale DECODE. Lo scopo: approfondire l’eziopatologia di un’altra malattia rara complessa, la glomerulonefrite membranoproliferativa primaria (MPGN). Si tratta di una forma autoimmune, in cui il sistema immunitario non riconosce più le cellule sane e le attacca predisponendo, in questo caso, all’insorgenza di insufficienza renale cronica.

«Fino a uno o due anni fa questa patologia non aveva una terapia specifica. Grazie agli studi condotti negli ultimi anni sono stati sviluppati nuovi principi attivi. Studiare in maniera più approfondita cosa accade nel tessuto prima e dopo il trattamento ci permetterà di individuare il farmaco più adatto per ciascun paziente».

Un esempio emblematico, che ci ricorda, ancora una volta, l’importanza della medicina personalizzata: «non tutti rispondono nello stesso modo alla medesima terapia, che è così eterogenea che ogni paziente è quasi come se avesse una malattia diversa».

Per comprendere i meccanismi alla base della malattia, Noris e colleghi stanno analizzando il tessuto residuo della biopsia diagnostica con la spatial transcriptomics.

«È un’altra delle apparecchiature acquisite grazie ad Anthem che permette di analizzare con estrema precisione le proteine e soprattutto l’interazione tra proteine e anticorpi. In questo momento stiamo caratterizzando una particolare forma della malattia, una variante autoimmune causata da specifici anticorpi che alterano il funzionamento di un importante meccanismo immunitario, il sistema del complemento, che finisce per attaccare gli stessi organi dell’organismo».

Tecnologie al servizio della diagnosi

Ma la forza di Anthem sta anche nella convergenza tra scienze biomediche e nuove tecnologie, un binomio ormai fondamentale per guidare anche l’innovazione nella pratica clinica.

«Abbiamo affrontato diversi aspetti dell’intelligenza artificiale – spiega Ariela Benigni – definendo meglio alcune alterazioni presenti in malattie rare, in particolare nel rene policistico. L’abbiamo applicata al medical imaging, in particolare alle immagini di risonanza magnetica».

Uno degli sforzi principali è stato individuare i confini della malattia e quali alterazioni si manifestino nel corso della sua evoluzione.

«Nel rene policistico si formano numerose cisti che possono interessare il rene in maniera diversa da paziente a paziente e la cui distribuzione consente di capire se la malattia stia progredendo più o meno rapidamente. Inoltre, utilizzando modelli sperimentali, possiamo verificare se determinati trattamenti riducano il numero o la dimensione delle cisti».

Per analizzare l’elevato numero di immagini, l’Istituto si avvale di algoritmi di machine learning, «addestrati a riconoscere le cisti, misurarne le dimensioni, seguirne l’evoluzione nel tempo e confrontare le immagini prima e dopo un trattamento. L’analisi automatizzata produce dati più precisi, riproducibili e confrontabili rispetto alla sola valutazione visiva, accelerando la ricerca e offrendo al clinico un importante supporto interpretativo».

Il futuro è nella multidisciplinarietà

In medicina, più che mai nell’ambito di malattie che interessano numeri ristretti di persone, la ricerca non può prescindere dalla condivisione delle conoscenze.

«Il problema è che un singolo medico potrebbe vedere un solo paziente affetto da una determinata patologia nell’arco della propria carriera. Mettere in comune dati, strumenti ed esperienze attraverso piattaforme aperte permette di accelerare la ricerca, migliorare la diagnosi e favorire lo sviluppo di nuove terapie».

Un approccio multidisciplinare e integrato è ormai indispensabile e i risultati ottenuti dall’Istituto ne sono la dimostrazione.

«Con Anthem abbiamo cambiato il modo di affrontare la diagnostica delle malattie rare» conclude Noris. «Non ci siamo limitati a identificarne la causa genetica, ma abbiamo voluto comprendere qual è la relazione tra quella alterazione e la malattia, riprodurre la malattia in laboratorio e testare nuovi farmaci. Per fare questo bisogna affrontare ulteriori tappe, che noi abbiamo paragonato a una sorta di metropolitana, dove ogni fermata permette di raggiungere un risultato in più. Riunire tutte queste competenze in un unico centro ci permette di accompagnare il paziente in un percorso che parte dal non sapere nulla e che, per un numero sempre maggiore di persone, speriamo possa arrivare al nostro vero obiettivo: la cura».

Il nome Anthem, ricorda Benigni, richiama proprio un coro: «solo facendo dialogare competenze diverse è possibile dare risposte concrete a malattie che, ancora oggi, ne hanno troppo poche».