Ospedale e università: super-microscopi e AI per la cura e la Ricerca
Humanitas inaugura CLEM: un laboratorio che integra tecnologie di microscopia ottica, elettronica e criogenica all’elaborazione dei dati con l’Intelligenza Artificiale. L’infrastruttura permette di esplorare tutte le scale di grandezza, dai tessuti fino alle strutture sub cellulari e molecolari, ottenendo immagini 3D ad alta definizione. Una sorta di “TAC cellulare”, per la prima volta in Italia a disposizione di un ospedale di Ricerca.
Inaugurata nel campus di Humanitas University, a poche decine di metri dai laboratori e dai reparti ospedalieri di IRCCS Istituto Clinico Humanitas, una nuova piattaforma di imaging avanzata che unisce la visione della microscopia ottica alla potenza di ingrandimento della microscopia elettronica: la cosiddetta Correlative Light-Electron Microscopy (CLEM).
Il laboratorio, situato all’interno del Roberto Rocca Innovation Building, è tra i primi in Europa a essere istallato all’interno di ospedale di Ricerca. L’obiettivo è applicare la potenza tecnologica di del CLEM – nata nel mondo delle scienze dei materiali e dello studio della struttura chimico-fisica delle molecole – alla Ricerca per la cura delle malattie.
Un approccio innovativo per trovare risposte alla complessità delle domande che arrivano dai reparti ospedalieri e dai laboratori di Ricerca. Alla base, la consapevolezza che ciò che accade nel micro – a livello subcellulare all’interno di tessuti – ha effetti sul macro: i sintomi della malattia.
A guidare questa trasformazione ambiziosa, in collaborazione con i medici e ricercatori di Humanitas, c’è Edoardo D’Imprima, rientrato dall’European Molecular Biology Laboratory (EMBL) di Heidelberg proprio per avviare il nuovo laboratorio CLEM di Humanitas.
«Humanitas ha una missione chiara: sviluppare soluzioni diagnostiche e terapeutiche per migliorare la vita dei pazienti – afferma il prof. Luigi Maria Terracciano, Direttore Scientifico di IRCCS Istituto Clinico Humanitas e Rettore di Humanitas University –. Unire l’esperienza dei nostri medici ricercatori con tecnologie avanzate rappresenta il modo migliore per raggiungere questo obiettivo.
La piattaforma CLEM, insieme alle tecnologie ed expertise già presenti – come la proteomica, la metabolomica e la biologia computazionale – ci permetterà di esplorare in modo approfondito le strutture e i meccanismi biologici alla base delle malattie. Rappresenta dunque una risorsa trasversale per la Ricerca d’avanguardia».
La tecnologia CLEM per lo studio dei processi biologici in 4 dimensioni
La CLEM (Correlative Light and Electron Microscopy) è una tecnologia che nasce con l’obiettivo di unire due approcci complementari allo studio della biologia: da un lato, la microscopia ottica a fluorescenza, che permette di osservare eventi dinamici in tessuti vivi; dall’altro, la microscopia elettronica, che offre una risoluzione nanometrica per analizzare la struttura delle componenti cellulari.
Qui risiede un altro carattere di novità del progetto Humanitas: la microscopia elettronica tradizionale guarda immagini in 2D; il laboratorio di Pieve Emanuele utilizza una tecnologia – detta Volume EM – che permette di guardare dati in 3 dimensioni a risoluzione nanometrica (un nanometro è un milionesimo di millimetro). Come osservare una via cittadina passando dalla prospettiva di una mappa stradale – piatta e dall’alto – al punto di vista di un pedone che cammina in quella strada: visione tridimensionale, iperdettagliata.
Un altro elemento chiave è stato l’introduzione delle tecniche di crio-microscopia, che si basano sul “congelamento” istantaneo dei campioni biologici tramite azoto liquido ad alta pressione, che evita la formazione in ghiaccio e ne preserva così l’integrità strutturale. Grazie a questa combinazione, oggi è possibile osservare un evento biologico in diretta, localizzarlo con precisione e poi bloccarlo nel tempo per analizzarlo nei minimi dettagli e in 3D. Una sorta di TAC cellulare in quattro dimensioni, contando anche quella temporale.
«La CLEM rappresenta una nuova frontiera per la Biologia e la Medicina, perché consente di collegare funzione e struttura, macro e micro – spiega Edoardo D’Imprima –. In un’epoca in cui la Medicina di precisione richiede una comprensione sempre più profonda e dettagliata dei processi biologici, che sono altamente complessi, la CLEM unisce “il film” della dinamica cellulare con l’istantanea del dettaglio molecolare delle strutture coinvolte. Il tutto in tre dimensioni e tradotto in numeri, grazie all’Intelligenza Artificiale e alla potenza di calcolo, per fornire ai medici dati, una risposta quantitativa, e non solo immagini».
L’applicazione della tecnologia CLEM su larga scala comporta infatti un’altra sfida fondamentale: la gestione dell’enorme mole di dati generata dagli strumenti. Per affrontare questa necessità, Humanitas University ha potenziato il suo centro di calcolo ad alte prestazioni (il cosiddetto HPC, high performance computing). Questo sistema avanzato non solo permette di stoccare i dati raccolti, ma anche di analizzarli in tempo reale per estrarre informazioni quantitative, cruciali per supportare il lavoro dei gruppi di Ricerca clinica e traslazionale di Humanitas.
Alcuni esempi di Ricerca già in corso: Neuroscienze, batteri e lotta alle infezioni
Tra i primi ricercatori che hanno avviato collaborazioni con il nuovo laboratorio CLEM, Roberto Rusconi – professore associato di Humanitas University e responsabile del Laboratorio di Biofisica Applicata – che studia come diverse tipologie di superfici possono cambiare l’adesione batterica e il rischio di infezione nelle protesi mediche, senza l’utilizzo di antibiotici.
A seguire, anche altri ricercatori e ricercatrici hanno iniziato ad esplorare le potenzialità di questa tecnologia. Tra questi, Davide Pozzi – professore associato di Humanitas University – parte del programma di Neuroscienze diretto dalla prof.ssa Michela Matteoli, vuole utilizzare i nuovi microscopi per osservare se e come l’infiammazione è in grado di alterare la struttura delle sinapsi, i punti di connessione tra i neuroni che rappresentano un nodo cruciale all’origine delle malattie neurodegenerative; Sara Carloni – Assistant Professor of Microbiology and Clinical Microbiology di Humanitas University e ricercatrice presso il laboratorio diretto dalla prof.ssa Maria Rescigno – studia gli strumenti molecolari con cui i batteri del microbiota comunicano con l’ospite e tra loro, scambiandosi informazioni e capacità, tra cui la resistenza agli antibiotici.
Le altre tecnologie al servizio della Ricerca
Il CLEM si somma alle tecnologie già presenti nell’Innovation Building di Humanitas University, tra cui il 3D Innovation Lab, una piattaforma clinica che unisce modellazione 3D, stampa e biofabbricazione. A questo si aggiunge l’introduzione di nuove tecnologie di imaging clinico – tra cui la TAC a conteggio di fotoni e una RMN a 3 Tesla di ultima generazione – che permettono una comprensione senza precedenti delle patologie cardiologiche, neurologiche, oncologiche e polmonari. Entrambe le strumentazioni segnano un progresso da record: se la prima macchina è la terza di questo tipo a essere installata in Italia, la Risonanza Magnetica è un primato assoluto negli ospedali Italiani, con poche altre installazioni in corso nel mondo. Acquistate da Humanitas University grazie ai fondi del Progetto Anthem – finanziato con il Piano Nazionale Complementare al PNRR dal Ministero dell’Università e della Ricerca – le due macchine saranno interamente dedicate ai progetti di Ricerca clinica di frontiera promossi da Anthem.
In questo ecosistema interdisciplinare, Humanitas si propone come un polo di attrazione per ricercatori, medici e ingegneri da tutto il mondo, con l’obiettivo di sviluppare una Medicina sempre più precisa, predittiva e personalizzata.