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L’impiego dell’Intelligenza Artificiale nella ricostruzione del ginocchio

Un progetto che, grazie all’utilizzo dell’Intelligenza Artificiale, ha lo scopo di modellare la progettazione e l’impianto delle protesi articolari del ginocchio sulle esigenze del singolo paziente.

 

Ci presenta il progetto il professor Maurilio Marcacci, Responsabile del Centro per la ricostruzione articolare del ginocchio in Humanitas. L’Intelligenza Artificiale e le nuove tecnologie possono essere di grande aiuto nell’ambito della Ricerca; la strada verso cure definitive è ancora lunga e c’è bisogno del contributo di tutti: ecco perché è importante sostenere la Ricerca donando il proprio 5×1000.

 

L’impiego dell’Intelligenza Artificiale nella ricostruzione del ginocchio risponde alle nuove esigenze della chirurgia ortopedica, permettendo di sostituire l’articolazione danneggiata non più con protesi già pronte, ma creando una nuova articolazione sulla base delle necessità del singolo paziente.

 

La protesi articolare, infatti, si inserisce all’interno di un complesso sistema di equilibri legamentosi e di controllo muscolare e neuro-muscolare che devono essere perfettamente calibrati per rispondere alle esigenze del paziente. Con il supporto dell’Intelligenza Artificiale è ora possibile creare un rivestimento articolare personalizzato, che tiene conto degli assi di carico, della dinamica dei gruppi muscolari, del controllo neuromotorio e della tensione dei legamenti.

 

La protesi: dalla stampa 3D all’impianto

 

L’innovazione si sviluppa in due direzioni: quella del disegno di una protesi personalizzata su modello della conformazione originale dell’articolazione del paziente, e quella della tecnica chirurgica d’impianto.

 

Per quanto riguarda il disegno della protesi, da immagini TAC si ricostruisce il modello 3D di tutte le ossa dell’arto inferiore, con particolare attenzione all’articolazione del ginocchio. Su questo modello viene poi disegnata la superficie della protesi di rivestimento che deve essere impiantata nel paziente. Al contempo, vengono anche presi in considerazione tutti quegli aspetti che guideranno l’articolazione nel movimento.

 

Nell’impianto, invece, si segue un sistema di chirurgia assistita dal calcolatore, che permette di posizionare la protesi secondo l’esatta proiezione del disegno iniziale.

 

Non solo A.I.

 

Tutta la Ricerca ortopedica, in Humanitas, sta seguendo un processo di innovazioni tecnologiche ad ampio spettro. Una serie di importanti progressi scientifici, non solo nel campo dell’intelligenza artificiale, ma anche della biomedicina e delle tecnologie mediche, tale da consentire un continuo innalzamento dello standard generale di performance clinica degli interventi di ortopedia.

Dai biomateriali alle staminali: le cure ortopediche sono “su misura”

Sviluppo di nuovi biomateriali per ricostruire cartilagini e ossa, conducendo al contempo diversi studi clinici che aiutano a capire se le protesi innovative che vengono realizzate funzionano davvero sui pazienti e possono realmente essere utilizzate nella pratica clinica, migliorando la qualità di vita delle persone con problematiche ortopediche. E’ di questo che si occupano in Humanitas Elizaveta Kon, professore associato dell’Humanitas University e Capo sezione di ortopedia traslazionale del Centro per la ricostruzione funzionale e biologica del ginocchio diretto dal prof. Maurilio Marcacci, e il dottor Berardo Di Matteo, chirurgo ortopedico della stessa unità operativa.

 

L’importanza della ricerca

“Ormai sono vent’anni e più che si parla della medicina rigenerativa come ‘ultima frontiera’ nel settore ortopedico, ma è negli ultimi tempi che è entrata in modo importante nella pratica clinica. Il lavoro mio e del mio gruppo consiste nel svolgere dei studi clinici e pre-clinici sui nuovi biomateriali sviluppati per capire se le cose teorizzate in laboratorio funzionano davvero in campo pratico. E per fare questo è necessario fare molta ricerca, e sostenerla”, precisa la professoressa Kon.

 

La medicina rigenerativa

Se, da una parte, quello dell’uomo bionico – rimanere se stessi ma sempre giovani e nel pieno delle forze – è un sogno, dall’altra oggi sono disponibili diverse possibilità per avere ossa e articolazioni forti e giovani il più a lungo possibile. Come spiega la professoressa Kon, “stiamo lavorando molto intensamente alla realizzazione di nuove tecnologie utilizzando la rigenerazione dei propri tessuti per rimpiazzare parte delle articolazioni degenerate, con l’obiettivo di evitare interventi chirurgici invasivi e cercare di mantenere il più a lungo possibile funzionanti le proprie articolazioni”.

 

I trattamenti personalizzati e diagnosi precoci

Dalla medicina rigenerativa a quella personalizzata il passo è breve. “Stiamo puntando molto, negli ultimi anni, sulla personalizzazione dei trattamenti. Poiché ognuno di noi presenta delle caratteristiche uniche, l’utilizzo di tecniche che prevedono la rigenerazione dei tessuti lesionati a partire dalle cellule dello singolo paziente consente di personalizzare al massimo il trattamento. E la comprensione di quale sia il trattamento migliore da utilizzare su un soggetto costituisce un’altra grossa parte della ricerca che svolgiamo”. Oltre ai trattamenti personalizzati è fondamentale anche la diagnosi precoce, precisa il dottor Di Matteo: “La ricerca anche in questo senso sta progredendo, mirando all’identificazione di biomarcatori specifici per le patologie di osso e cartilagine“.

 

I biomateriali

I biomateriali sono materiali prodotti in laboratorio (cosiddetti “scaffold”) a partire da sostanze presenti nell’organismo umano (ad esempio il collagene), “e costituiscono un grosso filone di ricerca da 20 anni a questa parte. L’utilizzo di biomateriali per la ricostruzione di ossa e cartilagini è ormai pratica clinica quotidiana. Ma non per questo la ricerca in questo settore è ferma, anzi: la composizione dei biomateriali può – e deve – sempre migliorare”, afferma la professoressa Kon. Un esempio di ricerca sui biomateriali attualmente in corso in Humanitas, spiega il dottor Di Matteo, “è un importante studio clinico multicentrico su un innovativo biomateriale per il trattamento delle lesioni osteocondrali del ginocchio, per il quale il nostro gruppo di ricerca funge da Centro Coordinatore europeo”.

 

Le cellule staminali

Gli studi sulle cellule staminali  o meglio – come precisa la professoressa Kon – “sui concentrati di tessuti ricchi di cellule staminali”, rappresentano un altro importante filone di ricerca. Il ruolo attualmente riconosciuto di questi concentrati cellulari, spiega il dottor di Matteo, è quello di agire come “farmaci intra-articolari” liberando fattori di crescita e numerose altre molecole bioattive in grado di ridurre l’infiammazione  e stimolare il metabolismo della cartilagine e degli altri tessuti articolari. Sebbene, però, il loro potenziale rigenerativo sia di grande importanza scientifica, “in realtà le cure a base di cellule staminali sono ancora poco studiate per utilizzarle nella pratica clinica in modo routinario, e necessitano ancora di moltissimi lavori preclinici e clinici. E questo è un altro dei motivi per sostenere la ricerca che si fa in Humanitas”, sottolinea la professoressa Kon.

 

Progetto europeo per il menisco

La meniscectomia parziale o totale – ovvero l’asportazione parziale o totale del menisco, ovvero la struttura fibro-cartilaginea presente nel ginocchio che funge da cuscinetto all’articolazione – è stata per molti anni un intervento molto praticato soprattutto in alcune categorie di sportivi, ma non solo. “Il risultato è che ora molte persone non lo hanno e, mancando il cuscinetto, l’articolazione del ginocchio va incontro ad artrosi precoce. Per cercare di far fronte a questa problematica stiamo presentando un progetto di ricerca alla Comunità Europea per la rigenerazione del menisco”, afferma la professoressa Kon. “La nostra idea – precisa il dottor Di Matteo – è realizzare due differenti protesi biotecnologiche meniscali, una dedicata ai pazienti giovani senza segni di artrosi in cui il menisco può essere ancora ‘rigenerato’,  mentre l’altra è destinata a pazienti con una degenerazione articolare più avanzata. Questi sostituti meniscali saranno in grado addirittura di rilasciare farmaci e molecole bioattive direttamente all’interno dello spazio articolare, con l’obiettivo di prevenire le problematiche legate all’insorgenza di artrosi precoce”.

 

Ortopedia e trumatologia: in Humanitas la ricerca guarda al futuro

Chirurgia mini-invasiva, impianti protesici di nuova generazione, biomateriali, medicina rigenerativa e personalizzata: in Humanitas la ricerca nei settori dell’ortopedia e della traumatologia guarda al futuro. L’obiettivo è puntare alla libertà di movimento e all’indipendenza anche nella terza età, secondo il  motto “keep moving, keep free”

 

Chirurgia mini-invasiva, impianti protesici di nuova generazione, biomateriali, innovative strategie di medicina rigenerativa e nuovi approcci di medicina personalizzata: la ricerca nei settori dell’ortopedia e della traumatologia sta diventando sempre più importante ed efficace per contrastare il costante incremento delle malattie ortopediche come traumi, osteoartrosi, patologie della cartilagine e dei tendini, dovute in parte anche all’aumento dell’invecchiamento della popolazione.

 

Rigenerare le articolazioni

La medicina rigenerativa è una delle punte di diamante della ricerca in Humanitas nel settore dell’ortopedia e della traumatologia. Come spiega Maurilio Marcacci, Responsabile del Centro per la ricostruzione articolare del ginocchio dell’Istituto Clinico Humanitas, “attualmente sono attivi diversi trial clinici per valutare la possibilità di ottenere la ricostruzione biologica delle articolazioni mediante l’applicazione di sistemi biologici iniettabili (ad esempio cellule staminali) e capire la reale efficacia di questi metodi”

 

Personalizzare le cure

Un altro ambito in cui molto si investe in Humanitas è la personalizzazione delle cure. “Attualmente – spiega Marcacci –  l’ortopedia e la traumatologia stanno attraversando quella che può essere definita una ‘grande zona grigia’ all’interno della quale ci si sta gradualmente lasciando alle spalle i trattamenti cosiddetti ‘standard’, in cui terapie con medesime caratteristiche vengono applicate a pazienti con peculiarità specifiche ed esigenze diverse, a trattamenti personalizzati pensati e realizzati su misura per il singolo soggetto”.

 

Protesi “intelligenti”

Il discorso della personalizzazione dei trattamenti arriva fino alla realizzazione di protesi su misura che vengono disegnate sulla morfologia articolare e sull’anatomia del singolo paziente, “ovvero protesi che potremmo definire ‘intelligenti’, in quanto adattabili alle differenti anatomie”, precisa Marcacci.

 

L’importanza della prevenzione

In questi ultimi anni, poi, passi da gigante sono stati compiuti nella prevenzione: l’ortopedia si sta trasformando in modo sempre più evidente da una branca chirurgica della medicina a una branca in cui il concetto di “prevenzione” assume un ruolo centrale. “C’è attualmente una grande attenzione volta a individuare, e prevenire, malattie o condizioni che possono favorire lo sviluppo di malattie degenerative come l’artrosi. E tutto questo è possibile proprio grazie alla ricerca. L’obiettivo è prevenire o ritardare il più possibile l’insorgenza della patologia, oppure se la patologia è già in atto ridurne la rapidità di progressione, migliorando la qualità di vita dei pazienti”.

 

Far ricrescere le ossa

Non solo immobilizzazione col gesso. Le fratture in Humanitas si curano anche con le colture di cellule staminali: “Durante il processo di riduzione delle fratture ricaviamo dei frammenti ossei del paziente che poi, grazie alla medicina rigenerativa, vengono coltivate in laboratorio per produrre nuove cellule per favorire la ricrescita dell’osso”, spiega l’esperto.

 

Donare il 5×1000

Ricostruzione biologica delle articolazioni, cure personalizzate, protesi su misura. “E’ grazie alla ricerca nel settore dell’ortopedia e della traumatologia che si può mantenere la propria libertà di movimento e indipendenza, secondo il motto ‘keep moving, keep free’. Ed è per questo che è importante donare il proprio 5×1000 alla ricerca di Humanitas, condotta da sempre ai massimi livelli”.

 

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