Scoperta a Monza una nuova emoglobina: la rivoluzione della ricerca con intelligenza artificiale

7 Gennaio 2025
, , , , , , Blog / News

Si chiama Emoglobina Monza ed è una nuova variante di emoglobina instabile associata ad anemia emolitica acuta in età pediatrica: è stata identificata alla Fondazione IRCCS San Gerardo dei Tintori di Monza

Modello 3D statico dell'Emoglobina Monza. Il modello tridimensionale della catena beta dell’emoglobina Monza (in oro), ricostruito utilizzando l’intelligenza artificiale (AlphaFold), è stato sovrapposto alla catena beta di un’emoglobina normale (in blu). Si può notare come la struttura generale sia preservata, fatta eccezione per la duplicazione genetica che sporge chiaramente al di fuori della proteina (in alto a destra).

È stata scoperta a Monza una nuova e rarissima variante emoglobinica, battezzata “Emoglobina Monza”, che porta con sé una storia di innovazione e speranza. Individuata da un team di ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca questa variante è stata osservata per la prima volta in una bambina di origine cinese. La scoperta, resa possibile grazie a tecniche avanzate di intelligenza artificiale e biologia computazionale, non solo rappresenta un passo avanti nello studio delle emoglobine instabili ma rende omaggio al ruolo centrale di Monza nella ricerca medica all’avanguardia.

 Questa variante, causata da una duplicazione di 23 aminoacidi nel gene dell’emoglobina (HBB), comporta instabilità della proteina, provocando episodi di anemia emolitica acuta, soprattutto in occasione di episodi febbrili. La scoperta, pubblicata sulla rivista Med di Cell Press, apre il campo a nuove prospettive per lo studio di queste rare patologie grazie all’utilizzo di tecniche di Intelligenza artificiale.
 

In dettaglio, il caso clinico che ha portato alla scoperta è stato quello di una bambina di origine cinese che, a seguito di un episodio febbrile, ha sviluppato una grave anemia emolitica, condizione patologica caratterizzata da una distruzione accelerata dei globuli rossi, a un ritmo superiore alla capacità del midollo osseo di produrli. Le conseguenze della patologia possono essere gravi, specialmente in età pediatrica quando gli episodi acuti possono compromettere seriamente lo stato di salute dei piccoli pazienti.

Struttura quaternaria dell’emoglobina Monza. Descrizione: L’emoglobina è una proteina fondamentale per il trasporto dell’ossigeno nel sangue. Nei globuli rossi, è solitamente composta da quattro subunità: due catene alfa e due catene beta, che insieme formano la struttura quaternaria, una sorta di impalcatura che ne assicura la funzionalità. In questo modello, l’emoglobina Monza, pur presentando una duplicazione genetica nella catena beta, mantiene la capacità di legarsi alle due catene alfa “normali”, formando una struttura quaternaria funzionale (in oro). La figura mostra la sovrapposizione tra la struttura quaternaria dell’emoglobina Monza e una struttura
normale (in blu), evidenziando le differenze introdotte dalla mutazione, come le
duplicazioni che sporgono in alto.

«Esistono varianti emoglobiniche, note come “emoglobine instabili”, che tendono a essere degradate (ovvero distrutte) sotto stress fisici, come gli episodi febbrili, scatenando così crisi emolitiche. A causarle generalmente sono alterazioni puntiformi nella sequenza amminoacidica dell’emoglobina, che modifica la stabilità e la funzionalità della proteina stessa», spiega Carlo Gambacorti Passerini, direttore del reparto di Ematologia della Fondazione IRCCS San Gerardo dei Tintori di Monza e professore presso l’Università di Milano-Bicocca, che ha coordinato il progetto di ricerca.

La piccola paziente è stata seguita presso la Fondazione IRCCS San Gerardo dei Tintori di Monza dalla pediatra Paola Corti e dal tecnico Amedeo Messina, che hanno realizzato che l’anemia era dovuta a una variante anomala di emoglobina con un comportamento instabile in situazioni di stress. Indagini successive hanno rivelato che anche la madre e i due fratelli della bambina possedevano la stessa variante e manifestavano episodi simili nel corso di episodi febbrili. Un’analisi genetica specifica ha mostrato che la variante non solo era inedita, ma era anche caratterizzata da una duplicazione molto lunga (23 aminoacidi) del gene che codifica la catena beta dell’Emoglobina (HBB), una caratteristica mai osservata prima in altre emoglobine instabili.

 

Le duplicazioni lunghe nel gene HBB sono molto rare e sono state sempre associate a un’altra malattia, la beta-talassemia. Infatti, si è sempre ritenuto che le lunghe duplicazioni comportino un’alterata interazione tra le due catene che compongono l’emoglobina, Beta e Alfa. Il dottor Ivan Civettini, ematologo, ora dottorando presso l’IRCCS Ospedale San Raffaele, e la dottoressa Arianna Zappaterra, medico presso la divisione di Ematologia della Fondazione IRCCS San Gerardo dei Tintori di Monza, si sono quindi chiesti come una mutazione di tale portata potesse comunque consentire all’emoglobina di mantenere una funzionalità normale, almeno in condizioni fisiologiche. 

 

Modello dinamico dell’emoglobina Monza. Descrizione: In un fluido che simula la salinità del sangue umano e portato a 38°C, come durante un episodio febbrile, è stato osservato il comportamento dell’emoglobina Monza. All’inizio della simulazione (immagine in alto), l’atomo di ferro (sfera rossa) è in stretto contatto con la proteina. Alla fine della simulazione (immagine in basso), l’aumento di temperatura provoca la perdita di contatto tra l’atomo di ferro e gli aminoacidi, evidenziando l’instabilità termica di questa variante emoglobinica.

«La struttura della variante emoglobinica è stata ricreata utilizzando tecniche di modeling tridimensionale e intelligenza artificiale (reti neurali), recentemente premiate con il Nobel per la chimica», precisa Ivan Civettini. «In condizioni normali, il legame tra le due catene dell’emoglobina è preservato e la duplicazione si presenta come una lunga protrusione che sbatte un po’ come una banderuola nel vento, al di fuori della struttura proteica dell’emoglobina. Inoltre abbiamo osservato che questa mutazione non compromette il centro attivo dell’emoglobina, dove avviene il legame con ossigeno e ferro. In sintesi, in condizioni normali, l’emoglobina Monza resta stabile e il legame preservato tra le catene dell’emoglobina non causa beta-talassemia».

Che cosa avviene dunque nel sangue durante l’episodio febbrile? Per ricreare questa condizione sono state utilizzate ulteriori tecniche computazionali avanzate, note come “dinamica molecolare”. È stato ricreato un fluido con la stessa “salinità” del sangue umano, dove è stata inserita l’emoglobina normale e l’emoglobina Monza e che è stato portato alla temperatura di 38°C, come durante un episodio febbrile. Risultato? L’Emoglobina Monza si degrada più velocemente di quella normale, perdendo il contatto con l’atomo di ferro. Questi esperimenti sono stati eseguiti in collaborazione col professor Alfonso Zambon dell’Università di Modena e Reggio Emilia.

 

«La scoperta offre nuovi spunti per comprendere meglio varianti rare di emoglobina, ma che diverranno sempre più frequenti in Italia con l’aumento di etnie diverse da quella caucasica», aggiunge Carlo Gambacorti-Passerini. «L’uso di tecniche computazionali moderne e l’ausilio dell’intelligenza artificiale hanno reso questo tipo di studi più rapido ed economico rispetto a metodi tradizionali come, per esempio, la cristallografia a raggi X. Un’ulteriore prova dell’importanza della collaborazione tra diverse istituzioni nella medicina moderna».

Siamo compagni di squadra

27 Gennaio 2022
, , , , , , , Blog / News

Siamo compagni di squadra

28 febbraio 2011: una data a me molto cara. Era infatti il 28 febbraio 2011 quando iniziai il mio percorso formativo e professionale presso il Reparto di Ematologia dell’Ospedale San Gerardo di Monza, diretto allora dal Professor Pogliani. In questi dieci anni ho avuto la possibilità – e la fortuna – di crescere non solo come professionista, ma soprattutto come persona, grazie al rapporto umano che questa professione mi ha consentito di instaurare con i pazienti e le loro famiglie.

Nel corso di questi anni ho compreso che il rapporto tra medico e paziente è da ritenersi punto cardine della professione medica: lo considero infatti l’ingrediente principale se non essenziale per il raggiungimento dell’obiettivo di cura che il medico e il paziente cercano di ottenere nel percorso diagnostico-terapeutico, in cui entrambi si vedono “compagni di squadra” per una competizione che deve vederli insieme vincitori. Come in una gara di staffetta, anche nel percorso di cura di una malattia ematologica risulta fondamentale il gioco di squadra, l’ottenimento cioè di una sintonia tra i giocatori sostenuta dal sentimento di reciproca fiducia.

Un medico può essere infatti un luminare nel proprio campo, sostenere presentazioni in congressi scientifici internazionali e fare tanto altro, ma se non è in grado di instaurare un rapporto di fiducia con le persone che deve assistere nel percorso di cura, allora non è da considerarsi affatto un bravo medico e non potrà che fallire nel suo lavoro. La fiducia consente infatti di comprendere e carpire nella loro interezza le richieste, le esigenze ma soprattutto le fragilità che una persona malata porta con sé. Spetta quindi al medico rompere quella barriera protettiva che il paziente si costruisce, per vulnerabilità, al momento della diagnosi di una malattia ematologica, quando la sicurezza e le certezze tendono a crollare d’improvviso. È ancora una volta compito del medico saper pertanto gestire le vulnerabilità del paziente, con un approccio d’accudimento genitoriale, possibile soltanto con l’istaurarsi del rapporto di fiducia.

La fiducia che i pazienti regalano a noi operatori sanitari va conquistata e soprattutto non va delusa. Ognuno di noi cerca infatti di non deludere i propri assistiti cercando di offrire loro il meglio di sé stessi e delle proprie competenze. Questo spinge molti di noi a fare scelte di vita e di professione con lo scopo di garantire un livello di assistenza della persona sempre più alto e completo, che non ometta mai il lato umano nel percorso di cura.

Ognuno di noi reagisce in modo diverso quando si prende cura delle persone che convivono con una malattia ematologica. Per quanto mi riguarda, la cura di queste malattie e il rapporto umano che ho instaurato nel corso degli anni con i miei pazienti mi ha spinto a cercare di offrire qualcosa di più a queste persone tramite la ricerca scientifica che si sviluppa in ambito laboratoristico.

Grazie al Professor Gambacorti-Passerini, nel 2019 ebbi la possibilità di prendermi “una pausa” dall’attività clinica perché ottenni una posizione lavorativa presso il Dipartimento di Patologia del Children’s Hospital/Dana Farber Cancer Institute di Boston (Massachusetts, USA), diretto dal Professor Chiarle. Ebbi l’occasione di lavorare su un progetto di immunoterapia applicata ai tumori, l’ormai nota CAR T cell therapy, dove una categoria di globuli bianchi viene geneticamente modificata in modo da poter aggredire selettivamente le cellule tumorali, evitando così la tossicità sugli organi sani del corpo umano che può invece subentrare in corso di trattamenti come la chemioterapia e la radioterapia.

Paradossalmente può sembrare che tramite questa esperienza mi sia allontanato dal letto dei pazienti, in un certo senso voltando loro le spalle. In realtà nei due anni di esperienza americana ho cercato di applicarmi all’attività di laboratorio focalizzandomi sul bisogno di cura dei pazienti, convinto che la ricerca sia il punto di partenza da cui possono nascere nuove speranze di terapia per le malattie ematologiche.

Nel secondo semestre del 2020, nel culmine dell’emergenza COVID-19, rientrai a Monza con l’impegno di riprendere l’attività clinica presso il Reparto di Ematologia Adulti dell’Ospedale San Gerardo, senza però abbandonare l’attività di ricerca imparata all’estero. Ebbi infatti la possibilità di avviare un mio progetto di ricerca presso l’Università Milano-Bicocca, nel laboratorio di Oncologia Molecolare del Professor Gambacorti-Passerini.

Al momento ricopro pertanto una posizione di medico ematologo presso l’équipe del Centro Trapianti di Midollo Osseo, occupandomi almeno una volta alla settimana della gestione ambulatoriale dei pazienti trapiantati, affiancando in questo modo i Colleghi Trapiantologi dalla pluriennale esperienza riconosciuta a livello nazionale e non solo. Il resto del tempo lo dedico quindi alla ricerca di laboratorio, in particolare ad un nuovo progetto di immunoterapia, sempre volto a potenziare il sistema immunitario del paziente nei confronti della malattia ematologica.

Nello specifico, stiamo cercando di studiare in provetta un modo di potenziare l’attività dei macrofagi del paziente ematologico. I macrofagi sono quelle cellule del nostro corpo capaci di mangiare i prodotti di scarto presenti nel nostro organismo, così come i batteri, le cellule infettate da virus e le cellule tumorali maligne.

Nel paziente con malattia onco-ematologica, accade che questi macrofagi subiscano un’influenza negativa da parte delle cellule tumorali maligne, che inibiscono/riducono l’attività dei macrofagi, rendendoli “pigri” e non più “affamati”, perdendo così lo stimolo di mangiare e distruggere le cellule tumorali, che continuano invece a crescere e proliferare.

Però, abbiamo da poco scoperto che l’aggiunta di un anticorpo diretto contro un antigene del tumore (ovvero un’antenna espressa dalle cellule tumorali sulla loro superficie) è in grado di abbattere il segnale di inibizione dell’attività dei macrofagi, ripristinando così l’attività di fagocitosi e di distruzione delle cellule tumorali, che vengono finalmente mangiate ed eliminate dai macrofagi. Questi dati preliminari ottenuti in laboratorio sono risultati incoraggianti soprattutto per un sottotipo di linfoma non Hodgkin, il che ci spinge a continuare tali esperimenti ed estendere la sperimentazione anche su modello animale, con la speranza di raggiungere nei prossimi anni l’applicazione in ambito clinico.

Questo intreccio di attività lavorative – apparentemente diverse tra loro ma in realtà strettamente interconnesse – è reso possibile grazie al fondamentale sostegno dell’Associazione Luce e Vita che mi permette di svolgere l’attività clinica, integrandola così con quella di laboratorio. Su tale equilibrio si basa la cosiddetta medicina traslazionale, dove il medico che opera in laboratorio cerca di concretizzare le scoperte fatte e di trasferirle in ospedale sottoforma di nuove medicine, al fine di offrire nuove speranze di cura agli assistiti.

Nel contesto di questo equilibrio qui delineato tra ricerca e clinica, la fiducia tra medico e paziente viene messa nuovamente in risalto, occupando una posizione di rilievo e ponendosi come primum movens, ovvero motore degli ingranaggi di un sistema che vede scienza e clinica lavorare di concerto, per il bene ultimo del paziente.

Con la speranza di non deludere nessuno dei nostri assistiti, ringrazio l’Associazione Luce e Vita e tutti i pazienti e le loro famiglie della fiducia regalata ogni giorno alla nostra Unità Operativa: senza tale sostegno sarebbe tutto immensamente più difficile. Grazie di cuore.

Dr. Andrea Aroldi
Medico Ematologo ASST Monza

Al San Gerardo un’arma in più per combattere la leucemia grazie a un innovativo test finanziato da Luce e Vita.

Da circa un mese i pazienti con leucemia mieloide acuta ricoverati presso la ASST di Monza, in particolare all’ospedale San Gerardo, avranno un’arma in più per combattere la leucemia: un test in grado di individuare alterazioni geniche non identificabili con le normali metodiche.
Il nuovo test è frutto della collaborazione con l’Università degli Studi di Milano-Bicocca ed è finanziato grazie all’aiuto della Associazione Luce & Vita che da anni sostiene i progetti dell’Ematologia del San Gerardo.

«Con questo esame – spiega Carlo Gambacorti Passerini, direttore dell’Unità di Ematologia del San Gerardo e professore di Ematologia all’Università di Milano-Bicocca – possiamo individuare mutazioni in ognuno dei 101 geni che abbiamo selezionato come frequentemente mutati in questo tipo di leucemie. Inoltre questo test viene completato con una seconda analisi che individua fusioni tra parti di geni diversi nelle cellule leucemiche».

Due i vantaggi dall’uso di questa metodica di Next Generation Sequencing (NGS) come conferma il professor Gambacorti: «Il primo è la capacità di identificare mutazioni in geni che possono essere trattate con farmaci specifici, più attivi e meno tossici della chemioterapia. Il secondo permette, sempre utilizzando i risultati ottenuti dai due test, di poter monitorare la quantità di cellule leucemiche rimaste dopo la terapia, con una sensibilità di una cellula su 10.000, mentre le metodiche attuali si fermano al 5 per cento, quindi aumentando la sensibilità di 5.000 volte (come mostrato nelle figura allegata)».

Esperimento di Exome sequencing che mostra l'amplificazione di piccole parti dei cromosomi 9 (arancio) e 22 (rosso-blu) come indicato dalle frecce rosse e blu.

In questo modo, decisioni terapeutiche quali cambiare farmaci, interrompere una terapia o al contrario aumentarne dosi e procedere al trapianto di midollo possono essere anticipate anche di mesi, con indubbi vantaggi per il paziente, evitando terapie tossiche quando queste non sono necessarie, e parimenti decidendo in anticipo quando incrementarne invece l’aggressività delle terapie, utilizzandole nel momento ottimale per massimizzarne gli effetti.

«Grazie alla ricerca e alla collaborazione tra l’Università Milano-Bicocca e l’ASST di Monza – sottolinea il Direttore generale Matteo Stocco – diamo una ulteriore dimostrazione di attenzione nei confronti di pazienti affetti da patologie importanti come la leucemia mieloide acuta, consentendoci di essere tra le eccellenze non solo regionali ma anche nazionali».