Le differenze invisibili: la ricerca di Joanna Filippi sulle singole cellule tumorali
Le cellule non parlano. Eppure raccontano tutto.
Raccontano quando un tumore cambia. Quando una terapia smette di funzionare. Quando una metastasi sta iniziando a formarsi. Il problema è imparare ad ascoltarle.
È da questa sfida che nasce PHENOS (PHENOtyping targeted single-cell via integrated digital microfluidics and optoelectronic tweezers”), il progetto che ha permesso a Joanna Filippi, ricercatrice dell'Università degli Studi di Roma Tor Vergata, di ottenere una Marie Skłodowska-Curie Global Postdoctoral Fellowship del valore di 317.923,08 euro.
Il progetto si svolgerà sotto la supervisione del professor Eugenio Martinelli e prevede una fase di due anni presso l'Università di Toronto, in Canada, nel Dipartimento di Chimica guidato dal professor Aaron Wheeler, seguita da un anno di ricerca all'Università degli Studi di Roma Tor Vergata presso il Dipartimento di Ingegneria elettronica.
L'obiettivo è comprendere una delle questioni più complesse dell'oncologia contemporanea: perché cellule appartenenti allo stesso tumore possano comportarsi in modo profondamente diverso tra loro. All'interno della stessa massa tumorale possono infatti convivere cellule con caratteristiche e comportamenti differenti: alcune associate alla progressione della malattia, altre alla formazione di metastasi, altre ancora alla resistenza alle terapie. Comprendere queste differenze significa comprendere meglio il tumore stesso e aprire nuove prospettive per la medicina personalizzata.
Prima ancora di chiedersi come studiare una singola cellula, Joanna Filippi si è chiesta come comprendere una malattia.
La domanda nasce quando è ancora adolescente. La perdita di una cara amica, scomparsa a soli diciassette anni a causa di una malattia oncologica, lascia in lei interrogativi profondi e il desiderio di capire. Comprendere i meccanismi del cancro, acquisire strumenti per studiarlo e, un giorno, contribuire alla ricerca diventano un obiettivo che l'accompagnerà negli anni successivi.
Terminato il liceo, pensa che la strada per farlo sia Medicina. Quando il test di ammissione non va come sperava, non si ferma. Continua a cercare un percorso che le permetta di comprendere il cancro e contribuire alla ricerca. È così che scopre Ingegneria Medica all'Università di Roma Tor Vergata, un corso che le mostra un altro modo di avvicinarsi alla ricerca biomedica.
Qui comprende che l'ingegneria può offrire strumenti fondamentali per affrontare problemi biologici e medici complessi e che l'innovazione tecnologica può contribuire concretamente alla ricerca biomedica.
Durante il percorso universitario affronta una tesi sperimentale sull'applicazione dell'intelligenza artificiale in ambito oncologico attraverso modelli biologici avanzati di organ-on-chip. Gli organ-on-chip sono dispositivi miniaturizzati che riproducono alcune caratteristiche degli organi umani e consentono di studiare in laboratorio processi biologici difficili da osservare con altri strumenti.
All'inizio quella tesi la spaventa. Le sembra troppo complessa e teme di non essere all'altezza della sfida. Con il tempo, però, proprio quella complessità diventa la parte più affascinante del lavoro.
La tesi si conclude, ma non la curiosità che l'ha generata.
Per questo Joanna decide di proseguire il proprio percorso di ricerca e ottiene una borsa di Dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria elettronica dell'Università di Roma Tor Vergata, guidata dal professor Eugenio Martinelli.
È durante questi anni che prende forma il percorso scientifico che porterà a PHENOS.
L'obiettivo è ambizioso: sviluppare una piattaforma in grado di isolare, manipolare e analizzare singole cellule per comprenderne le caratteristiche e il comportamento. Una sfida che richiede competenze provenienti da ambiti diversi, dall'ingegneria elettronica alla biologia cellulare, dalla microfluidica all'intelligenza artificiale.
La piattaforma deve essere costruita da zero.
Per oltre un anno Joanna si dedica a questo obiettivo, intraprendendo un percorso internazionale di formazione e ricerca.
A Edimburgo approfondisce le tecnologie lab-on-chip, sistemi miniaturizzati che consentono di controllare fluidi e cellule in spazi microscopici. A Glasgow studia le tecniche optoelettroniche che permettono di manipolare e analizzare le cellule attraverso la luce e i campi elettrici. Successivamente si trasferisce a Parigi, presso l'Institut Curie, dove approfondisce la manipolazione cellulare e gli aspetti biologici necessari per integrare tutte le componenti della piattaforma.
Ogni esperienza aggiunge una competenza. Ogni competenza aggiunge un tassello al progetto.
È un periodo intenso, fatto di studio, progettazione, esperimenti e continui aggiustamenti. Ci sono difficoltà tecniche, momenti di sconforto, risultati che tardano ad arrivare e problemi che impongono di ripensare alcune soluzioni.
Ma Joanna non si arrende.
A sostenerla sono la madre, presenza costante nei momenti più difficili, e il professor Eugenio Martinelli, che accompagna il progetto e la sua crescita scientifica fin dalle prime fasi.
Con il tempo la piattaforma prende forma e diventa la base di PHENOS.
Il progetto affronta una delle principali sfide della ricerca oncologica moderna: l'eterogeneità cellulare. Oggi sappiamo che all'interno dello stesso tumore possono convivere cellule molto diverse tra loro. Alcune possono essere responsabili della progressione della malattia, altre della formazione di metastasi, altre ancora della resistenza ai trattamenti.
Comprendere queste differenze significa comprendere meglio il tumore stesso.
Per farlo, PHENOS integra diverse tecnologie in un unico sistema. La microfluidica digitale consente di controllare con estrema precisione minuscole quantità di liquido e di movimentare le cellule all'interno della piattaforma. Gli aptameri permettono di riconoscere specifici bersagli cellulari. Le optoelectronic tweezers, letteralmente “pinzette optoelettroniche”, utilizzano luce e campi elettrici per manipolare le cellule in modo non invasivo. Infine, algoritmi avanzati di machine learning e deep learning analizzano i dati raccolti per classificare e caratterizzare le cellule.
L'obiettivo finale è ottenere una caratterizzazione fenotipica ad alta risoluzione, cioè comprendere non soltanto che cosa è una cellula, ma come si comporta, come reagisce agli stimoli e in che cosa differisce dalle altre cellule presenti nello stesso tumore.
Analizzare una cellula alla volta significa rendere visibili differenze che spesso sfuggono alle tecniche tradizionali. Significa comprendere meglio quali cellule guidano la progressione della malattia, quali resistono alle terapie e quali potrebbero diventare bersagli di nuovi trattamenti.
Per Joanna Filippi, PHENOS rappresenta il punto di incontro tra una storia personale, un percorso formativo nato all'Università di Roma Tor Vergata e anni di ricerca interdisciplinare.
Un cammino che l'ha portata a osservare il tumore alla sua scala più piccola: quella della singola cellula.
Le differenze che non riusciamo ancora a vedere sono spesso quelle che contano di più.
a cura dell'Ufficio Stampa di Ateneo