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AstroPath: dall’astronomia un aiuto alla lotta contro i tumori

La piattaforma AstroPath consente di valutare il livello di espressione di un determinato marker su singole cellule, mantenendo le informazioni sulla loro posizione spaziale.

Categorie Biologia · Spazio

Una nuova piattaforma, chiamata AstroPath, unisce l’analisi e la mappatura delle immagini astronomiche con campioni di patologie per analizzare le immagini microscopiche dei tumori. Abbinando algoritmi di mappatura del cielo con l’imaging avanzato di immunofluorescenza di biopsie tumorali, i ricercatori del Mark Foundation Center for Advanced Genomics and Imaging della Johns Hopkins University e del Bloomberg Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy hanno sviluppato una solida piattaforma per guidare l’immunoterapia prevedendo quali tumori risponderanno a terapie specifiche mirate al sistema immunitario.

Lo studio sulle biopsie del melanoma

AstroPath: dall’astronomia un aiuto alla lotta contro i tumori. Credits: Julio C. Valencia
Cellule di melanoma. Credits: Julio C. Valencia

L’imaging immunofluorescente, utilizzando anticorpi con tag fluorescenti, ha consentito ai ricercatori di visualizzare più proteine ​​cellulari contemporaneamente e determinarne il modello e la forza di espressione. Applicando AstroPath, i ricercatori hanno studiato il melanoma, un tumore della pelle. Hanno caratterizzato il microambiente immunitario nelle biopsie di melanoma esaminando le cellule immunitarie dentro e intorno alle cellule tumorali e quindi hanno identificato un biomarcatore composito che include sei marcatori e che è altamente predittivo della risposta a un tipo specifico di immunoterapia chiamata anti-PD-1.

PD-1 (morte cellulare programmata 1) è una proteina presente nelle cellule T del sistema immunitario la quale, quando legata a un’altra proteina chiamata PD-L1 (ligando della morte programmata), aiuta le cellule tumorali a eludere l’attacco del sistema immunitario. I farmaci anti-PD-1 bloccano la proteina PD-1 e possono aiutare il sistema immunitario a vedere e uccidere le cellule tumorali.

Immunoterapia di precisione contro i tumori

AstroPath: dall’astronomia un aiuto alla lotta contro i tumori. Credits: Seyoun Park, Ph.D
Sezione di un tessuto di melanoma. In blu e in rosso l’espressione delle proteine PD-1 e PD-L1. Credits: Seyoun Park, Ph.D

Solo alcuni pazienti con melanoma rispondono alla terapia anti-PD-1 e la capacità di prevedere la risposta o la resistenza è fondamentale per scegliere i migliori trattamenti per il cancro di ciascun paziente, spiegano i ricercatori. La piattaforma AstroPath viene anche applicata allo studio del cancro del polmone e potenzialmente può fornire una guida terapeutica per molti altri tipi di cancro.

“Questa piattaforma ha il potenziale per trasformare il modo in cui gli oncologi forniranno l’immunoterapia contro il cancro”, afferma Drew Pardoll, direttore del Bloomberg Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy. “Negli ultimi 40 anni, l’analisi della patologia del cancro ha esaminato un marker alla volta, il che fornisce informazioni limitate. Sfruttando la nuova tecnologia, inclusa la strumentazione per visualizzare fino a 12 marker contemporaneamente, gli algoritmi di imaging AstroPath forniscono 1.000 volte il contenuto di informazioni da una singola biopsia rispetto a quello attualmente disponibile attraverso la patologia di routine. Ciò facilita l’immunoterapia del cancro di precisione, identificando le caratteristiche uniche del cancro di ciascun paziente per prevedere chi risponderà a una determinata immunoterapia, come l’anti-PD-1, e chi no.”

Cos’hanno in comune l’astronomia e le biopsie dei tumori?

AstroPath: dall’astronomia un aiuto alla lotta contro i tumori. Credits: Science
Forti parallelismi tra analisi multispettrali in astronomia e piattaforme di multiplexing emergenti per la patologia. Credits: Science

Alla base della piattaforma AstroPath ci sono le tecniche di analisi delle immagini che hanno creato il database per lo Sloan Digital Sky Survey, una grande mappa digitale dell’universo progettata dall’astrofisico Szalay Alexander, Distinguished Professor alla Johns Hopkins University Bloomberg, nel dipartimento di Fisica e Astronomia e Informatica.

L’indagine del cielo ha “cucito” insieme milioni di immagini telescopiche di miliardi di oggetti celesti, ciascuno esprimendo firme distinte, proprio come le diverse etichette fluorescenti sugli anticorpi utilizzati per colorare le biopsie tumorali. Utilizzando un grande computer dedicato per elaborare trilioni di pixel di dati di imaging, le posizioni e le caratteristiche di questi oggetti vengono archiviate in un grande database aperto. Questo database viene utilizzato per quantificare le proprietà spettrali e la disposizione spaziale di stelle, quasar, nebulose e galassie nell’universo.

Proprio come lo Sloan Survey mappa il cosmo su scala astronomica, Janis Taube, direttrice di dermatopatologia presso il Dipartimento di Dermatologia presso la Johns Hopkins University School of Medicine, lavora con Szalay per mappare le cellule tumorali e immunitarie su scala microscopica. “In astronomia spesso ci chiediamo: ‘Qual è la probabilità che le galassie siano vicine l’una all’altra?’“, dice Szalay. “Applichiamo lo stesso approccio al cancro, osservando le relazioni spaziali nel microambiente tumorale. È lo stesso problema su una scala molto diversa”.

L’importanza dei big data nella lotta ai tumori

AstroPath: dall’astronomia un aiuto alla lotta contro i tumori. Credits: Science
Credits: Science

Nello studio attuale, i ricercatori hanno utilizzato la piattaforma AstroPath per caratterizzare l’espressione di PD-1 e PD-L1 su cellule tumorali e cellule immunitarie in campioni tumorali di pazienti con melanoma avanzato che successivamente hanno ricevuto immunoterapia anti-PD-1. Hanno anche visualizzato tre proteine ​​aggiuntive espresse da diversi tipi di cellule immunitarie. Il team ha scoperto che un particolare modello e intensità di espressione di questi marcatori su cellule specifiche nel tumore potrebbe prevedere con forza quali pazienti risponderebbero e sopravvivrebbero dopo la terapia anti-PD-1.

I big data stanno cambiando la scienza. Ci sono applicazioni ovunque, dall’astronomia, alla genomica, all’oceanografia”, afferma Szalay. “La scoperta scientifica ad alta intensità di dati è un nuovo paradigma. La sfida tecnica che affrontiamo è: come ottenere risultati coerenti e riproducibili quando si raccolgono dati su larga scala? AstroPath è un passo verso la creazione di uno standard universale. “

Gli obiettivi futuri

“Ci sono prossimi passi importanti. Abbiamo bisogno di studi multi-istituzionali che dimostrino che questi test possono essere standardizzati, seguiti da uno studio clinico prospettico che porti il ​​potenziale diagnostico di prossima generazione di AstroPath alla cura del paziente”, afferma Taube. Oltre allo sviluppo di una nuova diagnostica complementare, l’obiettivo a lungo termine del team include la creazione di un atlante open source di mappe immunitarie dei tumori, simile al Cancer Genome Atlas del National Cancer Institute.

“L’applicazione di tecniche di mappatura avanzate dall’astronomia ha il potenziale per identificare biomarcatori predittivi che aiuteranno i medici a progettare trattamenti immunoterapici precisi per i singoli pazienti affetti da cancro”, afferma Michele Cleary, CEO del Mark Foundation for Cancer Research. “Questi primi risultati sono entusiasmanti e convalidano l’approccio, e noi della Mark Foundation for Cancer Research siamo orgogliosi di supportare una scienza così rivoluzionaria”.