Applicazioni Grid nelle Life Sciences Un esempio: Studio del protocollo in una vaccinazione antitumorale S.Motta Dip. Matematica e Informatica Università degli Studi di Catania

Talk overview Cos’è un protocollo (clinico). Problemi di ottimizzazione di protocolli. Dal farmaco al vaccino: vaccini antitumorali. Il problema della vaccinazione antitumorale. CMM, Catania Mouse Model Applicazioni GRID (problemi di high-throughput)

Cosa è un protocollo ? In generale un protocollo clinico (o clinical practice guideline) è un documento il cui scopo è di guidare decisioni e criteri in una specifica area definite tramite una analisi delle evidenze correnti. I protocolli hanno lo scopo di standardizzare la medical care, innalzare la qualità del trattamento, ridurre i rischi di diversa origine (al paziente, al fornitore di servizi medici, alla compagnia assicuratrice, alla pianificazione della salute).

Protocollo Clinico... (segue) Senza entrare nei dettagli della pratica clinica e al solo scopo di comprendere in termini semplici possiamo provare a sintetizzare il concetto a)raggiunta la certezza della diagnosi (cioè identificata la patologia); b)identificato il trattamento (tipicamente il farmaco) da adottare ==> il protocollo clinico è quella regola, basata sul consenso della pratica medica, che, per quanto noto, garantisce l'effetto di eliminare la patologia. In pratica si traduce nel prescrivere un trattamento che individua le dosi del farmaco, il tempi in cui questo dosi devono essere somministrate e la durata del trattamento.

Protocollo Clinico... (segue) Il protocollo clinico quindi: prescinde dal singolo paziente (salvo ad es. le dosi che sono fissate sulla base della massa corporea e dell'età) viene adottato in quanto garantisce – sulla base della esperienza medica – un risultato positivo su una alta percentuale di pazienti trattati. Si specifica in una sequenza temporale di somministrazioni del farmaco per un tempo tipicamente finito. Nel caso dei farmaci la determinazione del protocollo viene guidata dagli studi di farmaco-cinetica (diffusione del farmaco nell'organismo) e farmaco dinamica (efficacia del farmaco in funzione della sua concentrazione) La sperimentazione, tipicamente fatta su cavie, viene poi riportata sull'uomo (medicina traslazionale). La sperimentazione sull'uomo e' limitata da motivazioni etiche (rischi per il paziente).

Un problema di ottimo Come e' noto molti farmaci insieme alla azione terapeutica hanno anche effetti tossici. Sarebbe quindi auspicabile minimizzare le dosi (e quindi la tossicità) del farmaco massimizzando l'effetto terapeutico. Questo dipende non solo dalla quantità di farmaco somministrata ma anche dai tempi di somministrazione. Si tratta di un problema di ottimo di Pareto su un problema che dipende da variabili continue (dosi) e discrete (tempi) che, nel caso del farmaco, trova un ausilio nelle leggi della farcocinetica e farmacodinamica.

Dal Farmaco al Vaccino Un vaccino è un preparato antigenico utilizzato per indurre l’attività immunitaria verso un agente patogeno (batteri, virus, cellule cancerose, etc.) Quando l’agente patogeno è noto e non muta allora il vaccino è preventivo (i tipici vaccini per l’infanzia). Esso viene somministrato per prevenire l’insorgere della patologia. Talvolta i vaccini sono utilizzati a scopo terapeutico quando la patologia è già presente.

Vaccini Antitumorali Per vaccinazione antitumorale si intende un processo con il quale il sistema immunitario viene addestrato a riconoscere e distruggere le cellule cancerose senza provocare danni alle cellule normali. Una vaccinazione antitumorale è considerata immunoterapeutica in quanto viene soministrata dopo che si sono prodotte le cellule cancerose. Esistono due tipi di vaccino antitumorale: 1.Vaccino immunopreventivo. Viene somministrato prima che il processo di aggregazione delle cellule cancerose sia completo. 2.Vaccino immunoterapeutico. Viene somministrato quando la massa tumorale e‘ gia‘ formata.

Il problema che studiamo Patologia: Tumore mammario Vaccino Immunopreventivo: Triplex per il tumore alla mammella, sperimentato con successo su topi transgenici HER/2-neu (Prof. P.-L.Lollini, Univ. Bologna) Terapia efficace: Protocollo Cronico

Il modello in silico Il modello costruito (Catania Mouse Model) contiene le principali entità del sistema immunitario naturale ed adattivo che hanno un ruolo nella competizione sistema immunitario - cellule tumorali. include anche le funzioni di produzione e selezione delle cellule immunitarie: funzione timica (selezione dei linfociti T) ed ematopoiesi (altri leucociti). Simula la variabilita‘ biologica con parametri che modificano le sequenze di eventi equiprobabili (random numbers). Al variare di questi parametri il modello simula topi biologicamente diversi. Esegue il test per un protocollo di vaccinazione di circa un anno in ~30 sec. per ciascun topo virtuale.

Lo schema del modello

Protocollo ottimale In vista dell’applicazione del trattamento immunopreventivo di Triplex sull’uomo, è importante ridurre al minimo gli inoculi di vaccino mantenendo lo stesso livello di efficacia su tutta la popolazione. Utilizzando il modello sopradescritto questo si può ottenere utilizzando algoritmi di ottimizzazione combinatorica su un campione di topi concorrenti. Una volta trovato il protocollo ottimo occorre poi verifarlo su un insieme statisticamente significativo di topi virtuali in silico. Quest’ultima applicazione implica di ripetute esecuzioni del modello con paramentri diversi. Questo è stato eseguito sulla nostra GRID.

in vivo ed in silico

Ulteriori approfondimenti Negli studi effettuati il protocollo ottimo per un singolo topo necessita di un numero di inoculazioni molto minore di quello necessario per mantenere un alto livello di protezione su tutta la popolazione. Questo fa supporre che e‘ possibile individuare sottoinsiemi del campione per i quali i protocolli ottimi, tra loro distinti, necessitano di un numero di inoculazioni minore di quello richiesto dal campione stesso. Al momento stiamo cercando di cercare in contemporanea sulla grid i protocolli ottimi di ciascun topo del campione. Questo e‘ tuttavia un job time-consuming in quanto la ricerca di un protocollo ottimo su un singolo topo necessita di circa 48 ore di CPU time su un singolo processore (classe Pentium 4).

Thanks to Emilio Mastriani Con il supporto di S.M., F.Pappalardo, M. Pennisi G. Bellia, A.Scalia, R.Pidatella, S.Riccobene