> FocusUnimore > numero 37 – giugno 2023
Digital twins: virtual copies of cell systems, tissues, organs and patients. Unimore Biomedical Engineering
Biomedical Engineering develops health and biomedical approaches and is one of the fastest growing engineering fields. The “Biomedical Engineering for Neuroscience and Cardiovascular Sciences” project aims at the creation in the University of Modena and Reggio Emilia of an interdisciplinary research line between the biomedical and engineering sectors aimed at the development of tools and materials for personalised and predictive medicine. The approach will be through the production of more qualitative data, aimed at the development of advanced digital tools such as digital twins, for the generation of virtual copies of cellular systems, tissues and organs. This methodology will initially be applied to Neuroscience and Cardiovascular Sciences. Digital copies of individual neurons and neuronal circuits will be generated along with human cardiovascular systems for use in diagnostic, therapeutic and clinical-experimental settings. Today, more than 300 European universities offer courses in bioengineering in addition to interdisciplinary PhD programmes. The sector is constantly expanding thanks to public and private funding. The EU has financed several programmes and since 2018 at least 3 specific calls of the H2020 and HORIZON Europe programmes concerned digital health twins. The EBRAINS consortium, of which Unimore is a partner, is the perfect application of Bioengineering as it cuts across neuroscience, computation and biomedical technologies and has entered the ESFRI 2022 map aiming to be included in the ERIC list, confirming the strategic importance of biomedical engineering.
L’Ingegneria Biomedica sviluppa approcci ingegneristici in ambito sanitario e più in generale biomedico e nonostante sia relativamente giovane, è uno dei settori ingegneristici in maggiore espansione.
Da qualche anno, infatti lo sviluppo crescente di approcci di medicina sempre più personalizzata e predittiva, la produzione sempre più massiccia di ingenti quantità di dati in formato di immagine e da mappature omiche (analisi genetiche, proteiche, metaboliche etc.) e lo sviluppo di sistemi e dispositivi sempre più performanti e dotati di algoritmi “intelligenti” sta portando ad una transizione del settore clinico-sanitario e della ricerca biomedica in generale.
Il progetto “Ingegneria biomedica per le Neuroscienze e le scienze cardiovascolari” puntaalla creazione nell’Università di Modena e Reggio Emilia di una linea di ricerca interdisciplinare fra i settori biomedici ed ingegneristici rivolta allo sviluppo di strumenti e materiali per la medicina personalizzata e predittiva. Questo obiettivo verrà perseguito con un approccio basato sulla produzione di dati più qualitativi e finalizzati allo sviluppo di strumenti digitali avanzati come i gemelli digitali. Questo innovativo metodo finalizzato alla generazione di copie virtuali di sistemi cellulari, tessuti, organi e in ultima istanza pazienti,sarà basato su modelli computazionali avanzati sviluppati a partire dai dati ottenuti tramite dispositivi innovativi. Questa metodologia sarà inizialmente applicata alle Neuroscienze ed alle Scienze Cardiovascolari, con l’ambizione di estenderla ad altri sistemi, organi o apparati. Verranno inizialmente generate copie digitali di singoli neuroni e di circuiti neuronali unitamente ai sistemi cardiovascolari umani per un utilizzo in ambito diagnostico, terapeutico e clinico-sperimentale.
“I modelli, verranno opportunamente calibrati sfruttando i dati ottenuti attraverso tecnologie elettroniche e di sensing all’avanguardia, dispositivi elettronici, ottici ed optoelettronici. Lo studio di materiali bio-ibridi – spiega il Prof. Jonathan Mapelli – inoltre consentirà una sperimentazione mirata a migliorare l’interfaccia tra tessuti biologici e dispositivi di sensing. Le piattaforme così ottenute saranno la base di forme di intelligenza artificiale hardware con enormi ricadute in ambito clinico ospedaliero e per una cura domiciliare personalizzata.
Queste informazioni saranno integrate con dati e modelli di neuroimaging, elettrofisiologia clinica, e paziente-specifici per la generazione di pazienti virtuali. I modelli potranno potenzialmente essere traslati nella pratica clinica valutando variazioni acute del sistema cardiovascolare indotte da patologia del sistema nervoso centrale (epilessia, stroke, malattie degenerative) con approccio multiparametrico consentendo di valutare e predire l’entità della compromissione del sistema nervoso centrale sulla funzionalità cardiovascolare con implicazioni sulla previsione delle ripercussioni cardiovascolari delle patologie acute e croniche del sistema nervoso centrale.
“Questo progetto – prosegue il Prof. Mapelli – ha l’ambizione di consolidare una linea di ricerca all’avanguardia, di valenza scientifica e con enormi ricadute in ambito didattico e di terza missione che non è presente in forma strutturata in Ateneo. Verranno create competenze altamente specializzate e risorse trasversali negli ambiti biomedico ed ingegneristico in continuità con il nuovo corso di Laurea interateneo con le Università di Verona e di Trento in “Ingegneria dei Sistemi medicali per la persona” che dall’AA 2021-2022 ha già raccolto in due anni più di 500 immatricolazioni. Particolarmente importante per questa progettualità sarà l’interazione con le aziende biomedicali e farmaceutiche del territorio che in particolare si concentrano nel distretto di Mirandola”.
Ad oggi oltre 300 Atenei Europei propongono corsi in ambito bioingegneristico in aggiunta a percorsi di Dottorato interdisciplinari. Il settore è in costante espansione grazie a finanziamenti pubblici e privati.
La UE ha finanziato diversi programmi e dal 2018 almeno 3 call specifiche dei programmi H2020 ed HORIZON Europe riguardavano i digital twin sanitari. Il consorzio EBRAINS di cui Unimore è partner, è la declinazione perfetta della Bioingegneria in quanto trasversale alle Neuroscienze, alla computazione ed alle tecnologie biomediche ed è entrato nella mappa ESFRI 2022 puntando ad entrare nell’elenco ERIC confermando l’importanza strategica dell’ingegneria biomedica.
“La medicina neurologica e cardiovascolare – aggiunge il Prof. Mapelli – è fra i settori di maggior applicazione delle nuove tecnologie bioingegneristiche, per la definizione di modelli per simulare le funzioni nervose, l’apparato cardiovascolare e le interazioni cuore-cervello e per monitorare pazienti con la finalità di identificare segnali precoci o marcatori di variazioni del quadro clinico. Tale ambito di ricerca, con particolare attenzione all’implementazione di sistemi di intelligenza artificiale, è fortemente voluto dalla Comunità Europea ed è oggetto di numerosi bandi Horizon 2020”.
Il progetto partirà dalle neuroscienze e scienze cardiovascolari intercettando le competenze scientifiche e tecnologiche presenti in Ateneo perseguendo i seguenti obiettivi:
- Acquisizione ed analisi di dati elettrofisiologici e di imaging da tessuto cerebrale umano mediante tecnologie e dispositivi innovativi.
- Acquisizione ed analisi di dati elettrofisiologici e di imaging da tessuto cardiovascolare umano mediante tecnologie e dispositivi innovativi.
- Sviluppo di modelli avanzati di circuiti neuronali e cardiovascolari umani e della loro attività
- Integrazione di dati clinici con i modelli realistici di circuiti neuronali per la generazione di pazienti virtuali
- Implementazione di strutture bio-ibride basate su materiali ed elettronica innovativi per emulare il comportamento di sistemi cellulari complessi e potenzialmente interfacciarsi con organi viventi
Ognuno di questi obiettivi prevede l’integrazione di competenze biomediche ed ingegneristiche con ricadute sulla produzione scientifica e sull’attrazione di fondi competitivi coinvolgendo aziende specializzate:
- I dati saranno prodotti anche con tecnologie messe a punto in Ateneo o in collaborazione con aziende biomedicali e mediante nuovi fondi per l’innovazione tecnologica (es FET, EIC)
- I modelli potranno essere utilizzati per testare molecole innovative o di riuso accelerando le fasi di sperimentazione preclinica coinvolgendo aziende farmaceutiche
- I modelli potranno essere integrati in sistemi di simulazione di gemelli digitali come “the virtual brain”.
“L’obiettivo del progetto – conclude il Prof. Jonathan Mapelli – è candidare l’Ateneo come centro di riferimento attraverso il reclutamento di fondi europei derivanti da bandi competitivi ed il coinvolgimento di aziende dei settori biotecnologico e farmaceutico garantendo competitività in ambiti di particolare rilievo scientifico e sanitario”.