I modelli possono essere utilizzati per pianificare interventi chirurgici e, in futuro, potrebbero essere impiegati per la sperimentazione di nuovi farmaci.
Un cuore sano batte a un ritmo costante, tra le 60 e le 100 volte al minuto. Non è così per tutti, mi viene in mente, mentre guardo all’interno di una scatola di cartone contenente circa 20 cuori di plastica, ognuno dei quali è una replica di un cuore umano vero.
I cuori, che in precedenza giacevano su uno scaffale in un laboratorio di Londra Ovest, sono stati generati da scansioni MRI e CT di persone in cura per patologie cardiache presso l’ospedale di Hammersmith, lì vicino. Steven Niederer, ingegnere biomedico dell’Alan Turing Institute e dell’Imperial College di Londra, li ha creati con una stampante 3D nel suo ufficio.
Uno dei cuori, stampato in plastica riciclata rossa, ha l’aspetto che mi immagino di un cuore. Mi sta quasi in mano e le camere hanno le stesse dimensioni di quelle che si possono vedere in un libro di testo. Forse il fatto che sia rosso aiuta.
Gli altri mi sembrano enormi. Uno in particolare, stampato in plastica nera, sembra più del doppio di quello rosso. Come scoprirò in seguito, la persona che aveva il cuore su cui è stato modellato ha sofferto di insufficienza cardiaca.
Gli organi di plastica sono solo a scopo didattico. Niederer è più interessato a creare repliche dettagliate del cuore delle persone utilizzando il computer. Questi “gemelli digitali” hanno la stessa dimensione e forma di quelli veri. Funzionano allo stesso modo. Ma esistono solo virtualmente. Gli scienziati possono eseguire interventi chirurgici virtuali su questi cuori virtuali, individuando la migliore linea d’azione per le condizioni del paziente. Dopo decenni di ricerca, modelli come questi sono ora in fase di sperimentazione clinica e iniziano a essere utilizzati per la cura dei pazienti. Si stanno sviluppando anche repliche virtuali di molti altri organi. Gli ingegneri stanno lavorando su gemelli digitali di cervello, intestino, fegato, sistema nervoso e altro ancora. Stanno creando repliche virtuali dei volti delle persone, che potrebbero essere utilizzate per provare interventi chirurgici o analizzare i tratti del viso, e stanno testando farmaci su tumori digitali. L’obiettivo finale è quello di creare versioni digitali dei nostri corpi, copie computerizzate che possano aiutare i ricercatori e i medici a capire il nostro rischio di sviluppare varie malattie e a determinare quali trattamenti potrebbero funzionare meglio. Sarebbero le nostre cavie personali per testare i farmaci prima di sottoporli al nostro corpo reale.
Per ingegneri come Niederer, si tratta di una prospettiva allettante e a portata di mano. Sono stati completati diversi studi pilota e sono in corso prove più ampie. Gli addetti ai lavori prevedono che i gemelli digitali basati sugli organi entreranno a far parte delle cure cliniche nei prossimi 5-10 anni, aiutando la diagnosi e il processo decisionale chirurgico. Più avanti, saremo persino in grado di eseguire test clinici su pazienti sintetici – corpi virtuali creati utilizzando dati reali.
Ma questa tecnologia in erba dovrà essere sviluppata con attenzione. Alcuni si preoccupano di chi sarà il proprietario di questi dati altamente personalizzati e di come potrebbero essere utilizzati. Altri temono per l’autonomia dei pazienti: con una cartella clinica virtuale non complicata da consultare, i medici finiranno per scavalcare i pazienti stessi? E alcuni provano semplicemente una repulsione viscerale all’idea di tentare di ricreare gli esseri umani in silico. “Le persone dicono: “Non voglio che mi copiate””, dice Wahbi El-Bouri, che sta lavorando sulle tecnologie dei gemelli digitali. “Sentono che hai preso una parte di loro“.
Diventare digitali
I gemelli digitali sono ben consolidati in altri ambiti dell’ingegneria; ad esempio, sono stati a lungo utilizzati per modellare macchinari e infrastrutture. Il termine può essere diventato ultimamente una parola d’ordine del marketing, ma per chi lavora sulle applicazioni sanitarie ha un significato molto specifico.
Possiamo pensare che un gemello digitale abbia tre componenti distinte, afferma El-Bouri, ingegnere biomedico dell’Università di Liverpool nel Regno Unito. Il primo è l’oggetto da modellare. Potrebbe essere un motore a reazione o un ponte, oppure il cuore di una persona. In sostanza, è ciò che vogliamo testare o studiare.
Il secondo componente è la replica digitale dell’oggetto, che può essere creata prendendo molte misure dall’oggetto reale e inserendole in un computer. Nel caso di un cuore, ciò potrebbe significare registrazioni della pressione sanguigna e scansioni MRI e CT. Il terzo è costituito dai nuovi dati che vengono inseriti nel modello. Un vero gemello digitale dovrebbe essere aggiornato in tempo reale, ad esempio con le informazioni raccolte da sensori indossabili, se si tratta di un modello del cuore di una persona.
Misurare aerei e ponti è una cosa. È molto più difficile ottenere un flusso continuo di dati da una persona, soprattutto quando servono dettagli sulle funzioni interne del cuore o del cervello.
Il trasferimento di informazioni dovrebbe avvenire in entrambe le direzioni. Così come i sensori possono fornire dati dal cuore di una persona, il computer può modellare i potenziali risultati per fare previsioni e trasmetterle al paziente o all’operatore sanitario. Un’équipe medica potrebbe voler prevedere la risposta di una persona a un farmaco, ad esempio, o testare varie procedure chirurgiche su un modello digitale prima di operare nella vita reale.
Secondo questa definizione, praticamente qualsiasi dispositivo intelligente che tenga traccia di qualche aspetto della salute potrebbe essere considerato una sorta di gemello digitale rudimentale. “Si potrebbe dire che un Apple Watch soddisfa la definizione di gemello digitale in modo non entusiasmante”, dice Niederer. “Ti dice se sei in fibrillazione atriale o no”.
Ma il tipo di gemello digitale a cui stanno lavorando ricercatori come Niederer è molto più complesso e dettagliato. Potrebbe fornire indicazioni specifiche sui rischi di malattia che una persona corre, sui farmaci più efficaci o su come procedere con gli interventi chirurgici.
Non ci siamo ancora arrivati. Misurare aerei e ponti è una cosa. È molto più difficile ottenere un flusso continuo di dati da una persona, soprattutto quando servono dettagli sulle funzioni interne del cuore o del cervello, dice Niederer. Allo stato attuale, gli ingegneri stanno tecnicamente creando “modelli specifici per il paziente” basati su dati ospedalieri e di ricerca raccolti in precedenza, che non vengono aggiornati continuamente.
I gemelli digitali medici più avanzati sono quelli costruiti per riprodurre i cuori umani. Questi sono stati i primi a essere tentati, in parte perché il cuore è essenzialmente una pompa, un dispositivo familiare agli ingegneri, e in parte perché le malattie cardiache sono responsabili di molte malattie e morti, dice El-Bouri. Ora, i progressi nella tecnologia di imaging e nella potenza di elaborazione dei computer consentono ai ricercatori di imitare l’organo con il livello di fedeltà richiesto dalle applicazioni cliniche.
Costruire un cuore
Il primo passo per costruire un cuore digitale è raccogliere immagini del cuore reale. Ogni team avrà un approccio leggermente diverso, ma in genere tutti iniziano con scansioni MRI e TC del cuore di una persona. Queste possono essere inserite in un software per creare un filmato 3D. Alcune scansioni evidenzieranno anche eventuali aree di tessuto danneggiato, che potrebbero disturbare il modo in cui gli impulsi elettrici che controllano la contrazione del muscolo cardiaco viaggiano attraverso l’organo.
Il passo successivo consiste nel suddividere questo modello 3D in piccoli pezzi. Gli ingegneri usano il termine “maglia computazionale” per descrivere il risultato; può sembrare un’immagine del cuore composta da migliaia di pezzi 3D. Ogni segmento rappresenta una piccola collezione di cellule, alle quali possono essere assegnate proprietà in base alla loro capacità di propagare un impulso elettrico. “Sono tutte equazioni”, spiega Natalia Trayanova, docente di ingegneria biomedica presso la Johns Hopkins University di Baltimora, Maryland.
Allo stato attuale, queste proprietà comportano una certa approssimazione. Gli ingegneri ipotizzano il funzionamento di ogni pezzo di cuore estrapolandolo da studi precedenti su cuori umani o da ricerche passate sulla malattia della persona. Il risultato finale è un modello che batte e pompa di un cuore reale. “Quando abbiamo questo modello, possiamo punzecchiarlo e vedere in quali circostanze accadrà qualcosa”, dice Trayanova.
I suoi gemelli digitali sono già in fase di sperimentazione per aiutare le persone affette da fibrillazione atriale, una condizione piuttosto comune che può innescare un battito cardiaco irregolare, troppo veloce o irregolare. Un’opzione terapeutica consiste nel bruciare i pezzi di tessuto cardiaco responsabili del ritmo irregolare. Di solito è un’équipe chirurgica a stabilire quali parti colpire.
Per Trayanova, le scansioni e i pungoli sono progettati per aiutare i chirurghi a prendere questa decisione. Le scansioni possono evidenziare alcune regioni di tessuto danneggiato o cicatrizzato. Il suo team può quindi costruire un gemello digitale per aiutare a localizzare la fonte sottostante del danno. In totale, lo strumento suggerirà probabilmente due o tre regioni da distruggere, anche se in rari casi ne ha mostrate molte di più, dice Trayanova: “Devono solo fidarsi di noi”. Finora, 59 persone hanno partecipato alla sperimentazione. Ne sono previste altre.
In casi come questi, i modelli non hanno sempre bisogno di essere aggiornati continuamente, dice Trayanova. Un cardiochirurgo potrebbe aver bisogno di eseguire simulazioni solo per sapere dove impiantare un dispositivo, ad esempio. Una volta terminata l’operazione, i dati potrebbero non essere più necessari.
Quasi pazienti
Nel suo laboratorio nel campus dell’Hammersmith Hospital di Londra, Niederer ha anche costruito cuori virtuali. Sta valutando se i suoi modelli possano essere usati per trovare il posto migliore per impiantare pacemaker. Il suo approccio è simile a quello di Trayanova, ma i suoi modelli incorporano anche i dati ECG dei pazienti. Queste registrazioni danno un’idea di come gli impulsi elettrici passano attraverso il tessuto cardiaco.
Finora, Niederer e i suoi colleghi hanno pubblicato un piccolo studio in cui i modelli del cuore di 10 pazienti sono stati valutati dai medici, ma non sono stati utilizzati per prendere decisioni chirurgiche. Tuttavia, Niederer sta già ricevendo richieste dai produttori di dispositivi per eseguire test virtuali dei loro prodotti. Un paio gli hanno chiesto di scegliere i punti in cui i loro pacemaker a batteria possono essere posizionati senza urtare il tessuto cardiaco. Non solo Niederer e i suoi colleghi sono in grado di eseguire questo test virtualmente, ma possono farlo per cuori di varie dimensioni. Il team può testare il dispositivo in centinaia di posizioni potenziali, all’interno di centinaia di cuori virtuali diversi. “E possiamo farlo in una settimana”, aggiunge.
Questo è un esempio di ciò che gli scienziati chiamano “prove in silico”, ovvero prove cliniche eseguite al computer. In alcuni casi, non sono solo gli studi a essere digitali. Anche i volontari lo sono.
El-Bouri e i suoi colleghi stanno lavorando per creare partecipanti “sintetici” per i loro studi clinici. Il team parte dai dati raccolti da persone reali e li utilizza per creare nuovi organi digitali con un mix di caratteristiche dei volontari reali.
Questi studi in silico potrebbero essere particolarmente utili per aiutarci a capire quali sono i migliori trattamenti per le persone in gravidanza, un gruppo notoriamente escluso da molti studi clinici.
In particolare, uno degli interessi di El-Bouri è l’ictus, un’emergenza medica in cui coaguli o emorragie impediscono il flusso sanguigno in parti del cervello. Per la loro ricerca, lui e i suoi colleghi modellano il cervello, insieme ai vasi sanguigni che lo alimentano. “Si possono creare moltissimi cervelli di forme e dimensioni diverse in base ai dati dei pazienti”, spiega El-Bouri. Una volta creato un gruppo di cervelli sintetici di pazienti, i ricercatori possono verificare come questi coaguli possano modificare il flusso di sangue o di ossigeno, o come e dove il tessuto cerebrale venga colpito. Potranno verificare l’impatto di alcuni farmaci o vedere cosa potrebbe accadere se si utilizzasse uno stent per rimuovere l’ostruzione.
Per un altro progetto, El-Bouri sta creando retine sintetiche. Da un punto di partenza di circa 100 scansioni retiniche di persone reali, il suo team può generare 200 o più occhi sintetici, “proprio così”, dice. Il trucco consiste nel capire la matematica della distribuzione dei vasi sanguigni e ricrearla attraverso una serie di algoritmi. Ora spera di poter utilizzare questi occhi sintetici in sperimentazioni farmacologiche, tra l’altro per trovare le dosi migliori di trattamento per le persone affette da degenerazione maculare senile, una condizione comune che può portare alla cecità.
Questi studi in silico potrebbero essere particolarmente utili per aiutarci a capire quali sono i trattamenti migliori per le persone in gravidanza, un gruppo che notoriamente è escluso da molti studi clinici. Questo per paura che un trattamento sperimentale possa danneggiare il feto, spiega Michelle Oyen, docente di ingegneria biomedica alla Wayne State University di Detroit.
Oyen sta creando gemelli digitali della gravidanza. È una sfida ottenere le informazioni necessarie per alimentare i modelli; durante la gravidanza, alle persone viene generalmente consigliato di evitare scansioni o indagini invasive di cui non hanno bisogno. “Siamo molto più limitati in termini di dati che possiamo ottenere”, afferma l’esperta. Il suo team si avvale di immagini a ultrasuoni, compresa una forma di ecografia che consente di misurare il flusso sanguigno. Da queste immagini si può vedere come il flusso sanguigno nell’utero e nella placenta, l’organo che sostiene il feto, possa essere collegato alla crescita e allo sviluppo del feto, ad esempio.
Per ora, Oyen e i suoi colleghi non stanno creando modelli dei feti stessi, ma si stanno concentrando sull’ambiente fetale, che comprende la placenta e l’utero. Il bambino ha bisogno di una placenta sana e funzionante per sopravvivere; se l’organo inizia a cedere, il risultato tragico può essere un parto morto.
Oyen sta lavorando su come monitorare la placenta in tempo reale durante la gravidanza. Queste letture potrebbero essere trasmesse a un gemello digitale. Se riuscisse a trovare un modo per capire quando la placenta sta cedendo, i medici potrebbero intervenire per salvare il bambino. “Penso che questo sia un cambiamento per la ricerca in gravidanza”, aggiunge la ricercatrice, “perché in pratica ci dà la possibilità di fare ricerca in gravidanza con un rischio minimo di danni al feto o alla madre”.
In un altro progetto, il team sta esaminando l’impatto delle cicatrici da taglio cesareo sulle gravidanze. Quando un bambino viene fatto nascere con un taglio cesareo, i chirurghi tagliano diversi strati di tessuto nell’addome, compreso l’utero. Le cicatrici che non guariscono bene diventano punti deboli dell’utero, causando potenzialmente problemi per le gravidanze future. Modellando queste cicatrici in gemelli digitali, Oyen spera di essere in grado di simulare l’andamento delle gravidanze future e di determinare se e quando sarà necessario ricorrere a cure specialistiche.
Alla fine, Oyen vuole creare una replica virtuale completa dell’utero gravido, feto e tutto il resto. “Ma non siamo ancora arrivati a questo punto: siamo indietro di decenni rispetto alle persone che si occupano di cardiovascolare”, dice. “Questa è la ricerca sulla gravidanza in poche parole”, aggiunge. “Siamo sempre indietro di decenni”.
Gemellaggio
Va bene generare parti del corpo virtuali, ma il corpo umano funziona come un tutt’uno. Ecco perché il grande progetto dei gemelli digitali prevede la riproduzione di intere persone. “A lungo termine, l’intero corpo sarebbe fantastico”, afferma El-Bouri.
E potrebbe anche non essere così lontano. Diversi gruppi di ricerca stanno già costruendo modelli di cuore, cervello, polmoni, reni, fegato, sistema muscolo-scheletrico, vasi sanguigni, sistema immunitario, occhi, orecchie e altro ancora. “Se prendessimo tutti i gruppi di ricerca che attualmente lavorano sui gemelli digitali in tutto il mondo, penso che si potrebbe mettere insieme [un corpo]”, dice El-Bouri. “Credo che ci sia persino qualcuno che sta lavorando sulla lingua”, aggiunge.
La sfida consiste nel mettere insieme tutti i vari ricercatori, con i diversi approcci e i diversi codici coinvolti nella creazione e nell’utilizzo dei loro modelli, dice El-Bouri. “Tutto esiste”, dice. “Il problema è solo metterlo insieme”.
In teoria, questi gemelli integrali potrebbero rivoluzionare l’assistenza sanitaria. Trayanova immagina un futuro in cui un gemello digitale sia solo un’altra parte della cartella clinica di una persona, che il medico può usare per decidere un trattamento.
“Tecnicamente, se qualcuno si sforzasse molto, potrebbe essere in grado di ricostruire l’identità di una persona attraverso scansioni e gemelli di organi”.
Wahbi El-Bouri
Ma El-Bouri dice di aver ricevuto reazioni contrastanti all’idea. Alcuni pensano che sia “molto eccitante e molto bello”, dice. Ma ha anche incontrato persone che si oppongono fermamente all’idea di avere una copia virtuale di se stessi su un computer da qualche parte: “Non ne vogliono sapere”. I ricercatori devono impegnarsi di più per coinvolgere il pubblico e scoprire cosa pensano le persone di questa tecnologia.
Ci sono anche preoccupazioni riguardo all’autonomia del paziente. Se un medico ha accesso al gemello digitale di un paziente e può usarlo per guidare le decisioni sulle cure mediche, dove entra in gioco il contributo del paziente stesso? Alcuni di coloro che lavorano alla creazione di gemelli digitali sottolineano che i modelli potrebbero rivelare se i pazienti hanno preso le medicine quotidiane o cosa hanno mangiato durante la settimana. Alla fine i medici considereranno i gemelli digitali come una fonte di informazioni più affidabile rispetto all’autodichiarazione delle persone?
I medici non dovrebbero essere autorizzati a scavalcare i pazienti e limitarsi a “chiedere alla macchina”, sostiene Matthias Braun, etico sociale dell’Università di Bonn in Germania. “Non ci sarebbe alcun consenso informato, il che violerebbe l’autonomia e forse causerebbe danni”, afferma. Dopo tutto, non siamo macchine con parti rotte. Due individui con la stessa diagnosi possono avere esperienze molto diverse e condurre vite molto diverse.
Tuttavia, ci sono casi in cui i pazienti non sono in grado di prendere decisioni sulle proprie cure, ad esempio quando non sono coscienti. In questi casi, i medici cercano di trovare una persona autorizzata a prendere decisioni per conto del paziente. A un gemello digitale psicologico potrebbe potenzialmente fungere da surrogato migliore rispetto, ad esempio, a un parente che non conosce le preferenze della persona.
Se l’uso dei gemelli digitali nella cura dei pazienti è problematico, anche le sperimentazioni in silico possono sollevare questioni. Jantina de Vries, etica dell’Università di Città del Capo, sottolinea che i dati utilizzati per creare gemelli digitali e “quasi pazienti” sintetici proverranno da persone che possono essere scansionate, misurate e monitorate. È improbabile che questo gruppo comprenda molti degli abitanti del continente africano, che non avranno accesso immediato a queste tecnologie. “Il problema della scarsità di dati si traduce direttamente in tecnologie che… non sono orientate a pensare a corpi diversi”, afferma l’autrice.
De Vries ritiene che i dati debbano appartenere al pubblico per garantire che il maggior numero possibile di persone tragga vantaggio dalle tecnologie dei gemelli digitali. Ogni record dovrebbe essere reso anonimo e conservato all’interno di un database pubblico a cui i ricercatori di tutto il mondo possano accedere e fare uso.
Le persone che partecipano agli studi di Trayanova “mi danno esplicitamente il consenso a conoscere i loro dati e a sapere chi sono… [tutto] su di loro”, dice l’autrice.
Le persone che partecipano alla ricerca di Niederer forniscono anche il consenso all’utilizzo dei loro dati da parte dei team medici e di ricerca. Ma mentre i medici hanno accesso a tutti i dati medici, i ricercatori hanno accesso solo ai dati anonimizzati o pseudonimizzati, dice Niederer.
In alcuni casi, i ricercatori chiedono ai partecipanti di acconsentire alla condivisione dei loro dati completamente anonimizzati in archivi pubblici. Questi sono gli unici dati a cui le aziende possono accedere, aggiunge: “Non condividiamo i [nostri] set di dati al di fuori dei team di ricerca o medici, e non li condividiamo con le aziende”.
El-Bouri ritiene che i pazienti dovrebbero ricevere una forma di compenso in cambio della condivisione dei loro dati sanitari. Forse dovrebbero ottenere un accesso preferenziale ai farmaci e ai dispositivi basati su quei dati, suggerisce. In ogni caso, “l’anonimizzazione completa è difficile, soprattutto se si prendono le scansioni dei pazienti per sviluppare i gemelli”, dice. “Tecnicamente, se qualcuno si impegnasse a fondo, potrebbe essere in grado di ricostruire l’identità di una persona attraverso scansioni e gemelli di organi”.
Quando guardavo quegli anonimi cuori di plastica, conservati in una scatola di cartone nascosta su uno scaffale in un angolo dell’ufficio, mi sembrava che fossero completamente lontani dalle persone su cui erano modellati i cuori reali e pulsanti. Ma i gemelli digitali sembrano in qualche modo diversi. Sono repliche animate, copie digitali che sembrano avere una sorta di vita.
“La gente spesso pensa: “Oh, questa è solo una simulazione“”, dice El-Bouri. “Ma è una rappresentazione digitale di un individuo”.
