Un campione biologico che rimane integro può essere osservato in tre dimensioni e analizzato dall’Intelligenza Artificiale ancora prima della preparazione del vetrino e della lettura del medico. Soprattutto, un campione che offre la possibilità di rimanere integro per ogni analisi successiva: è questa la frontiera su cui si muove il progetto in fase di avvio a Bergamo dedicato allo sviluppo di un’istologia “virtuale” basata sulla microtomografia a raggi X, pensata per superare i limiti dell’esame istologico tradizionale.
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Il laboratorio di istologia virtuale a Bergamo
Lo studio è sostenuto da Fondazione ANTHEM e nasce dall’attività di ricerca da me condotta in collaborazione con Alberto Bravin, del Dipartimento di Fisica dell’Università di Milano-Bicocca. Ospitato nel Campus di Ingegneria di Dalmine (Bergamo), il laboratorio di microtomografia a raggi X gestito dal gruppo di Fisica Tecnica presenta caratteristiche uniche nel panorama europeo grazie ad una strumentazione all’avanguardia, in parte progettata e realizzata appositamente per il progetto, il cui costo complessivo supera i 2,5 milioni di euro: tale strumentazione utilizza l’innovativa sorgente di raggi X prodotta da Excillum ad alta brillanza con anodo a metallo liquido ed una lega appositamente scelta per le applicazioni su materiali biologici; implementa un sistema di microscopia a raggi X progettato e realizzato per applicazioni istologiche; consente anche scansioni tridimensionali sia con la tecnica del contrasto di fase (Talbot-Lau ed edge-illumination) sia con quella innovativa a conteggio di fotoni.
ANTHEM è una delle più significative iniziative di ricerca italiane ed europee, finanziata con 120 milioni di euro dal Ministero dell’Università e della Ricerca nell’ambito del Piano Nazionale Complementare al PNRR. Un progetto multidisciplinare che integra medicina, ingegneria, fisica, informatica ed economia, con l’obiettivo di sviluppare tecnologie e soluzioni innovative per la prevenzione, la diagnosi, il monitoraggio e la cura. Attraverso 28 progetti pilota, organizzati in quattro aree di ricerca e coordinati dalle Università di Bergamo, Milano-Bicocca, Politecnico di Milano e Università di Catania, ANTHEM coinvolge oltre 350 ricercatori in una rete che unisce università, ospedali, centri di ricerca, imprese e istituzioni.
Cos’è l’istologia virtuale
L’istologia tradizionale è la tecnica d’elezione per la diagnosi delle patologie degli organi umani: una metodica che ha alle spalle oltre 150 anni di storia e continui affinamenti, basata sull’osservazione al microscopio di sottili sezioni di tessuto disposte su un vetrino. Si tratta, in sostanza, di un’analisi bidimensionale condotta su scala cellulare. L’istologia virtuale non sostituisce questo principio, ma ne cambia la prospettiva: attraverso la microtomografia a raggi X è possibile analizzare un campione tridimensionale, cioè una porzione di organo prelevata e resa interamente visibile al patologo, senza ridurla a singole sezioni.
L’approccio consolidato presenta alcuni vincoli che il progetto intende superare. Nonostante l’istologia tradizionale rappresenti il gold standard diagnostico, presenta alcuni limiti intrinseci legati al processo di preparazione del campione di tessuto spesso unico ed irripetibile. La fase preanalitica richiede infatti un processo multi-step: fissazione, processazione, inclusione e sezionamento al microtomo, una procedura che comporta la perdita irreversibile di parte del tessuto biologico e limita l’osservazione a un numero definito di sezioni bidimensionali. Ciò può ridurre la possibilità di riesaminare integralmente il campione o di destinarlo a ulteriori indagini diagnostiche e molecolari. A questo si aggiungono i tempi tecnici necessari per la preparazione istologica, che possono ritardare la disponibilità del referto. È proprio su questi aspetti che si concentra il progetto, al quale contribuisce anche Carmelo Lupo, biologo con oltre venticinque anni di esperienza in anatomia patologica e patologia molecolare, dottorando Executive in Ingegneria e Scienze Applicate dell’Università di Bergamo, mettendo a disposizione competenze volte a integrare l’esperienza anatomopatologica con le nuove tecnologie di imaging tridimensionale e Intelligenza Artificiale.
Il salto di qualità: dal vetrino all’immagine tridimensionale
Con la microtomografia a raggi X il campione viene acquisito in forma digitale tridimensionale con una preparazione minima e senza ricorrere al sezionamento iniziale, preservandone integralmente il patrimonio biologico per eventuali successive analisi istologiche, molecolari e genomiche. L’acquisizione dell’intero volume del tessuto consente di orientare il percorso diagnostico fin dalle sue fasi iniziali, migliorando la caratterizzazione della patologia, ottimizzando il processo decisionale e riducendo i tempi della fase preanalitica. Il risultato non è più soltanto un preparato istologico su vetrino, ma un modello digitale tridimensionale del campione, esplorabile, condivisibile e analizzabile mediante strumenti avanzati di Intelligenza Artificiale.
L’Intelligenza Artificiale e la condivisione dei dati
La disponibilità di un’immagine digitale del campione istologico apre nuove prospettive per l’applicazione dell’Intelligenza Artificiale. Analogamente a quanto già avviene nella patologia digitale, gli algoritmi possono supportare il patologo nell’identificazione delle lesioni, nella quantificazione dei biomarcatori, nel conteggio delle mitosi e nel grading di specifiche neoplasie. L’integrazione tra imaging volumetrico, patologia digitale e AI apre la strada a una nuova generazione di strumenti in grado di rendere la diagnosi più accurata, standardizzata ed efficiente, mantenendo il patologo al centro del processo decisionale. In ogni fase del processo, l’Intelligenza Artificiale si configura come uno strumento di supporto alle decisioni cliniche, lasciando al medico la piena responsabilità della diagnosi.
Verso un nuovo paradigma diagnostico
Se i risultati attesi saranno confermati, la microtomografia a raggi X potrà affiancare l’istologia tradizionale, introducendo un nuovo paradigma basato sull’integrazione tra imaging tridimensionale, patologia digitale e Intelligenza Artificiale. Il cambiamento riguarda innanzitutto il processo decisionale: per la prima volta il campione può essere analizzato integralmente, a tempo zero e prima del sezionamento istologico, orientando in modo più consapevole le successive fasi diagnostiche e preservando il tessuto per eventuali approfondimenti.
Un’evoluzione destinata a rendere il percorso diagnostico più rapido, più informativo e sempre più orientato alla medicina di precisione.
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