Meno esperimenti sugli animali grazie al mouse virtuale

Quando un tumore riesce ad annidarsi nel cervello di un essere vivente, ha fatto - dal punto di vista del tumore - qualcosa di particolarmente intelligente. Si è nascosto dietro una delle barriere più potenti con cui il corpo protegge i suoi organi più importanti: la barriera emato-encefalica, un filtro altamente selettivo che permette il passaggio solo di alcune sostanze. La maggior parte dei farmaci, però, non è tra queste. Trovare una chemioterapia efficace per i tumori cerebrali è quindi una sfida importante per la ricerca biomedica.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno trovato un alleato promettente: le nanotecnologie. I materiali su scala nanometrica possono, in senso figurato, assumere il ruolo di postini che consegnano i principi attivi all'indirizzo giusto. Poiché le nanoparticelle sono incredibilmente piccole - circa 500 volte più piccole del diametro di un capello umano medio - alcune riescono a passare attraverso le barriere protettive dell'organismo senza danneggiarlo. Per restare all'esempio dei tumori cerebrali, le nanoparticelle potrebbero trasportare i farmaci chemioterapici attraverso la barriera emato-encefalica, dove possono combattere il tumore cerebrale.

Alla ricerca del nanomateriale giusto

Tuttavia, a seconda del compito che devono svolgere, le nanoparticelle devono avere proprietà molto specifiche: A seconda della loro forma, della composizione del materiale e delle dimensioni, si distribuiscono in modo molto diverso nell'organismo e si accumulano in diversi organi. È quindi importante scoprire quali particelle svolgono al meglio il loro compito e causano il minor numero possibile di danni. Finora i ricercatori hanno utilizzato principalmente modelli murini per rispondere a queste domande: Hanno somministrato vari tipi di nanomateriali ai topi e poi hanno esaminato come si sono distribuiti nel corpo del topo e quali effetti collaterali hanno causato. Tuttavia, questi studi sugli animali non solo sono complessi, lunghi e costosi, ma sollevano anche questioni etiche. Non a caso, la legislazione svizzera sulla protezione degli animali richiede che il numero di esperimenti sugli animali sia ridotto al minimo indispensabile.

Un topo AI con un vantaggio decisivo

Il ricercatore dell'Empa Jimeng Wu, dottorando nei laboratori "Nanomateriali nella salute" e "Tecnologia e società" dell'Empa, ha quindi sviluppato un topo virtuale che utilizza l'intelligenza artificiale per eseguire questi test in modo molto più efficiente in termini di tempo. Wu ha basato il cosiddetto modello farmacocinetico basato sulla fisiologia (modello PBPK) su 18 studi sui topi: dati provenienti da esperimenti condotti da vari gruppi di ricerca su topi vivi. Ha inoltre integrato nel suo modello un metodo statistico, l'analisi bayesiana con simulazioni Markov chain Monte Carlo.

Il risultato è un topo virtuale a cui possono essere somministrate nanoparticelle, anch'esse virtuali. Il modello calcola quindi la loro distribuzione nell'organismo del topo in base a proprietà come le dimensioni, il rivestimento e la carica superficiale. Rispetto a un modello PBPK tradizionale, che viene calibrato per una singola sostanza alla volta, il topo AI di Wu ha un vantaggio decisivo: "Il modello può adattare i suoi parametri alle proprietà misurabili della rispettiva nanoparticella", spiega Jimeng Wu. Lo strumento deve questa capacità al modello di regressione lineare multivariata, un approccio di apprendimento automatico.

Contributo alla progettazione sicura e sostenibile

Questo strumento di screening supportato dall'intelligenza artificiale consente ai ricercatori di testare virtualmente quale tipo di nanoparticelle sia più adatto a un compito specifico prima ancora di produrle", spiega Jimeng Wu. Questo non solo fa risparmiare tempo, ma anche costi, perché fornisce un aiuto decisionale prima di avviare una costosa sperimentazione clinica.

Il modello contribuisce quindi al concetto di Safe and Sustainable by Design (SSbD)", aggiunge Peter Wick, che supervisiona la tesi di dottorato di Jimeng Wu insieme al collega Bernd Nowack. Questo perché il mouse virtuale aumenta la sicurezza di nuovi materiali o terapie ancora prima che vengano sviluppati". Tuttavia, sottolinea che l'insieme dei dati utilizzati per addestrare il modello è ancora molto limitato: Finora sono stati trovati solo 18 articoli sottoposti a revisione paritaria con una qualità dei dati sufficiente. In molti studi, le proprietà delle nanoparticelle utilizzate non sono descritte in modo sufficientemente dettagliato", osserva. Il compito è ora quello di alimentare il topo virtuale con ulteriori dati di studio e verificarli per aumentare ulteriormente l'affidabilità delle previsioni. Il nostro obiettivo a lungo termine è quello di abbreviare il processo di sviluppo dei materiali per la nanomedicina fino al loro utilizzo come farmaci nei pazienti, riuscendo idealmente a evitare la sperimentazione animale", sottolinea.

Adattare il modello alle malattie umane

La ricerca futura di Jimeng Wu si concentrerà anche su una cosiddetta "strategia ponte" per trasferire il principio del suo modello in silico alla ricerca umana. A tal fine, intende incorporare i principi del topo virtuale in un modello PBPK umano. A differenza del topo simulato, 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 studiare organi bersaglio sensibili, ad esempio per studiare in che misura certe nanoparticelle possono attraversare la barriera emato-encefalica. Anche il tumore al cervello menzionato all'inizio non si sentirebbe più al sicuro dietro questa barriera: le nanoparticelle potrebbero agire come "postini" e consegnare un pacchetto contenente una dose mirata di chemioterapia.