Una diagnostica per immagini innovativa descrive l’impatto dell’invecchiamento e delle malattie sulle ossa
L’osteoporosi(si apre in una nuova finestra) è una patologia che rende le ossa più deboli e fragili a causa del deterioramento della loro struttura interna, e comporta un aumento del rischio di fratture ossee, anche a seguito di piccole cadute o movimenti quotidiani. «Sebbene sia spesso associata all’invecchiamento e ai cambiamenti ormonali, l’osteoporosi può anche essere causata da un’infiammazione cronica, che altera l’equilibrio tra la formazione e il riassorbimento dell’osso portando a un’accelerazione della perdita ossea», spiega Georg Schett, coordinatore del progetto 4-D nanoSCOPE(si apre in una nuova finestra), finanziato dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra). Questa forma di osteoporosi dovuta all’infiammazione è particolarmente importante per i pazienti con malattie infiammatorie croniche o malattie autoimmuni(si apre in una nuova finestra), ma spesso non viene riconosciuta a dovere. Il progetto 4-D nanoSCOPE si è proposto di risolvere il problema. Per farlo, si è prefissato di arricchire la base di conoscenze sull’influenza dell’infiammazione sulla struttura ossea in diverse scale spaziali e nel tempo, e su come questi cambiamenti strutturali si traducano in una riduzione della resistenza ossea. Il progetto ha raggiunto questo obiettivo grazie allo sviluppo di una nuova generazione di strumenti di diagnostica per immagini e di analisi. «Oltre a descrivere nel dettaglio e ad analizzare la struttura ossea su diverse scale, il nostro approccio permette di correlare le caratteristiche strutturali con i processi biologici e le proprietà meccaniche, fornendo informazioni sulla resistenza dell’osso e sull’influenza di malattie e trattamenti», osserva Schett, che lavora presso l’University Hospital Erlangen(si apre in una nuova finestra), che ha ospitato il progetto.
Lo sviluppo di un laboratorio di diagnostica per immagini integrata
Prima di nanoSCOPE 4-D, i metodi di imaging osseo esistenti avevano una risoluzione troppo limitata, erano utili solo per scale specifiche o non erano capaci di descrivere i cambiamenti dinamici nel tempo. Di conseguenza, non era possibile osservare la modellazione dell’osso veramente in 4D, ovvero in tre dimensioni spaziali più il tempo, soprattutto in condizioni biologiche realistiche. 4-D nanoSCOPE ha sviluppato una soluzione che combina la nanoscopia a raggi X(si apre in una nuova finestra) avanzata, metodi di diagnostica per immagini complementari e analisi dei dati basata sull’IA, in un unico flusso di lavoro integrato. Una volta generati i campioni ossei, questi vengono fotografati in 3D con la microscopia a raggi X e poi analizzati quantitativamente con strumenti di intelligenza artificiale. In tal modo, è possibile identificare le microstrutture quantificandone le proprietà per monitorare i cambiamenti nel tempo. A differenza dei metodi convenzionali che dipendono da apparecchiature di grandi dimensioni, questo sistema può essere usato in ambienti di laboratorio comuni e offre accesso alla diagnostica per immagini ad alta risoluzione. Il progetto ha anche introdotto altre innovazioni tecniche: un rivelatore ad alta velocità e ad alta sensibilità che consente un’acquisizione rapida delle immagini, riducendo l’esposizione alle radiazioni, e un supporto unito a protocolli di imaging per garantire che il posizionamento dei campioni e l’acquisizione delle immagini siano uniformi.
Sostegno alle priorità dell’UE in materia di salute e innovazione digitale
4-D nanoSCOPE ha condotto una serie di studi sperimentali e analisi computazionali. «I nostri risultati dimostrano che l’osso ora può essere studiato in modo più integrato, più quantitativo e a risoluzione temporale più alta rispetto al passato. Inoltre, abbiamo potuto confrontare diverse cause di perdita ossea, tra cui l’infiammazione, l’invecchiamento e i cambiamenti ormonali», spiega Schett. Migliorando la diagnosi, il progetto nanoSCOPIA 4-D intende raggiungere un futuro caratterizzato da strategie preventive e trattamenti più mirati, in cui la qualità della vita delle persone colpite sia migliore e i sistemi sanitari siano più sostenibili. I prossimi passi dell’équipe saranno lo sviluppo e l’applicazione ulteriori delle tecnologie e dei metodi elaborati nel progetto. «Puntiamo ad avvicinarci all’uso clinico, ad esempio integrando i nostri metodi nella ricerca che supporta la diagnosi, il monitoraggio del trattamento e lo sviluppo delle terapie», aggiunge Schett. Parallelamente, i flussi di lavoro e i set di dati del progetto saranno condivisi all’interno della comunità scientifica per consentire studi successivi e applicazioni più ampie, e per creare nuove opportunità di collaborazione interdisciplinare in campi come la ricerca muscoloscheletrica, la scienza dei materiali e l’ingegneria biomedica.
