In un editoriale intitolato The Future of Medicine pubblicato a gennaio 2025 su Nature Medicine, in occasione dei trent’anni dalla fondazione della rivista, si fa il punto sulle sfide che attendono la medicina nei prossimi trent’anni. 

Come sarà la medicina nel 2055? Un modello di medicina “uguale per tutte e tutti” potrebbe presto diventare obsoleto. Ci si muove verso terapie sempre più personalizzate in base al profilo genetico, al microbioma e ai dati sanitari di ogni persona raccolti in tempo reale.

Attraverso quali strumenti si snoderà questo percorso? Nature Medicine cita il monitoraggio continuo dei biomarcatori attraverso biosensori indossabili e impiantabili, per consentire un intervento precoce, molto prima che si manifestino segni e sintomi. Vengono menzionati anche i “gemelli digitali”, simulazioni virtuali della fisiologia di una persona, per consentire al personale medico di testare virtualmente gli interventi prima di applicarli nella pratica. Inoltre, nell’editoriale si prevede che la comprensione di come più condizioni correlate influiscano sulla salute di una persona renderà l'assistenza più interdisciplinare e integrale.

Monitoraggio continuo e multimodale delle funzioni fisiologiche, biosensori indossabili, gemello biologico e gemello digitale, approccio multifattoriale e multidisciplinare: la ricerca nel campo della salute al Politecnico di Torino si muove proprio su questa frontiera avanzatissima, restando al contempo focalizzata sui problemi concreti del medico e del paziente.

Pensiamo a uno dei problemi di cui più si parla oggi in Italia: l’invecchiamento della popolazione. Uno degli ambiti di studio sulla salute al Politecnico punta a realizzare microdispositivi indossabili di rilevazione dei movimenti che consentano, tra gli altri obiettivi, di valutare il rischio di cadute nella popolazione anziana, identificando le categorie più a rischio che necessitano di trattamenti preventivi.

Non è l’unico uso per cui possono essere utili dispositivi indossabili: ne sono già stati realizzati alcuni in grado di monitorare il cammino, utili a raccogliere informazioni per i protocolli di riabilitazione. E perfino braccialetti in grado di rilevare se chi li indossa è stressato o rischia di addormentarsi al volante.
Ma al Politecnico si studiano anche materiali avanzati per lo sviluppo di gemelli biologici destinati a test farmacologici personalizzati o per l’applicazione di speciali “cerotti” al cuore per rimodellare i tessuti dopo un infarto, e si sviluppano gemelli digitali per valutare l’affidabilità di una protesi e adattarla al singolo paziente prima dell’impianto.
Infine, chi non ricorda i caschi di ventilazione, divenuti tristemente noti durante la pandemia di Covid? Il Politecnico ha condotto studi per valutare la distribuzione dell’anidride carbonica prodotta dalla respirazione del paziente al loro interno, in modo da renderli più sicuri.

Che cosa hanno in comune progetti così apparentemente diversi nel campo della salute? L’innovazione e la necessità di un apporto interdisciplinare, coltivato al Politecnico anche attraverso i centri interdipartimentali. Ne abbiamo parlato con Andrea Cereatti, bioingegnere e docente di Teleriabilitazione e telemonitoraggio, con una lunga esperienza nello sviluppo di metodi e tecnologie per studiare e monitorare il movimento umano (biomeccanica, analisi del cammino, sensori indossabili, riabilitazione).

Oggi Cereatti coordina il Polito^BIOMed Lab, l’hub dove si intreccia la ricerca sulla salute al Politecnico di Torino: un centro interdipartimentale (coinvolge sette diversi dipartimenti) pensato per mettere a sistema, in modo stabile, le competenze e le risorse dell’Ateneo in ingegneria e scienze biomediche, offrendole anche come risorsa al territorio, grazie a collaborazioni con altre università, ospedali e aziende.

L’obiettivo: studiare e progettare soluzioni all’interfaccia tra il mondo biologico e i sistemi artificiali, dalla nanoscala alla macroscala, fino ad arrivare a tecnologie utilizzabili al letto del paziente e nella sua vita quotidiana.

La natura interdipartimentale del centro non è un dettaglio organizzativo. Spiega Cereatti: “Integrare le competenze di diversi dipartimenti è il presupposto per affrontare problemi reali della salute – diagnosi, monitoraggio, terapia e riabilitazione – con un approccio che integra materiali, dispositivi, modelli, algoritmi, sensoristica, per arrivare alla validazione sperimentale e clinica”.

Il Centro PolitoBIOMed Lab accede a infrastrutture che supportano ricerca sperimentale e trasferimento tecnologico, tra cui l’infrastruttura PAsTISs (PArco delle Tecnologie Innovative per la Salute), condivisa con l’Università di Torino, e coordinata dal professor Alberto Audenino.

Aggiunge Mara Terzini, docente di Ingegneria biomedica al DIMEAS, e afferente al PolitoBIOMed Lab: “Possiamo dire che PasTISs è la veste più industriale del Centro, quella più legata al trasferimento tecnologico, dove cooperiamo con tre dipartimenti dell'Università di Torino che si occupano di clinica: per sviluppare tecnologie per la salute è essenziale lavorare a stretto contatto con l’utilizzatore finale, clinico e paziente”.

Un aspetto cruciale è la multidisciplinarietà: “L’ingegneria biomedica nasce come disciplina intrinsecamente interdisciplinare”, sottolinea Cereatti. “Qualunque cosa sviluppiamo come ingegneri non funziona se non è progettata fin dall'inizio insieme alla figura del clinico: possono essere esperte ed esperti in neurologia, ortopedia, fisiatria, geriatria o magari anche fisioterapia… sono loro che sanno di che cosa hanno bisogno i pazienti. La sfida culturale è passare, quando necessario, dalla interdisciplinarietà alla transdisciplinarietà: ovvero ragionare nei termini di tante discipline che non solo collaborano, ma si uniscono in modo da formarne una sola. Storicamente, proprio questo in Italia è successo con la nascita della laurea in ingegneria biomedica: un nuovo corso di laurea che fin dall’inizio comprendeva la necessità di includere conoscenze in campo medico alle competenze ingegneristiche”.

Le attività del Politecnico per la salute riguardano principalmente tre aree tematiche: tecnologie per l'informazione e comunicazione (ICT), nuovi materiali e nanotecnologie, e biomeccanica integrativa, ovvero l’applicazione di conoscenze e metodi in campo biomeccanico per affrontare problemi clinici. Come osserva Cereatti: “Questi tre pilastri coprono l’intero percorso “dalla scoperta alla tecnologia: con un approccio multiscala e multifattoriale, si parte dallo studio di nanomateriali e della singola cellula per arrivare alla persona e agli strumenti che usa nella vita quotidiana, facendosi piccoli – un esempio concreto sono i sensori di movimento sempre più piccoli e indossabili – per studiare il grande, ovvero non solo la persona, ma anche l’ambiente in cui si muove”.

Studiare l’interfaccia tra sistemi viventi e tecnologie è uno degli snodi cruciali della ricerca di oggi sulla salute, resa famosa dal clamore mediatico sorto intorno ai microchip cerebrali wireless impiantati da Neurolink di Elon Musk. Si tratta di ricerche che possono portare a risultati importanti per i pazienti, per esempio nel campo delle disabilità.

Si lavora in quest’area, passando dai micro e nano-sistemi per studiare colture cellulari fino a soluzioni e protocolli per la riabilitazione e il monitoraggio sul paziente, nel pillar dedicato alla ICT per la salute, che include la ricerca centrata sullo sviluppo di dispositivi, strumentazione, algoritmi, modelli e strategie per studiare sistemi fisiologici e condizioni patologiche.

In questo ambito rientrano, ad esempio:

• progetti di monitoraggio digitale basati su sensori indossabili e smartphone: un caso è quello del “diario elettronico” per il Parkinson, che mira a valutare lo stato motorio del paziente anche in ambito domestico, usando anche algoritmi di intelligenza artificiale per stimare parametri clinicamente rilevanti come il cammino, i passaggi da una postura all’altra (per esempio da seduti a in piedi), la stabilità. Questo permette di supportare una taratura più fine della terapia farmacologica;
• interfacce uomo–macchina e controllo non invasivo di dispositivi assistivi e riabilitativi, da utilizzare per ortesi, protesi e robotica riabilitativa;
• imaging cardiovascolare a ultrasuoni: misurazione automatizzata dello spessore delle arterie, caratterizzazione non invasiva della placca aterosclerotica e misurazione dell'invecchiamento e della deformazione della parete arteriosa;
• imaging oncologico: quantificazione del pattern vascolare delle lesioni tumorali, segmentazione e classificazione automatizzata delle lesioni sospette (tiroide e ovaio), ed elaborazione automatizzata di immagini istologiche e di fluorescenza.

Un aspetto sottolineato da Andrea Cereatti è quello dell’importanza di sviluppare sistemi in grado di raccogliere informazioni che provengono dalla persona inserita nel suo ambiente: “Bisogna spostare il baricentro della medicina da un modello episodico – pochi dati, raccolti in momenti separati – a un modello continuo (molti dati, raccolti su un piano temporale ampio). Per farlo bisogna che la tecnologia diventi piccola: grazie all’avanzamento tecnologico noi riusciamo oggi a ridurre al minimo le dimensioni dei sensori indossabili. In questo modo è possibile registrare i dati di una persona a lungo nel tempo: il mio sogno scientifico è riuscire a rilevare specifici pattern multisegnale che diano indicazioni sull’insorgere di una patologia quando ancora non dà sintomi, per esempio aiutare a prevedere il rischio di caduta nella popolazione anziana. Unendo dati che provengono da bioimmagini, biomarcatori biologici e marcatori di mobilità registrati con l’utilizzo di sensori stiamo studiando la possibilità di identificare categorie di persone a rischio particolare, per sottoporle a trattamenti specifici, sia farmacologici sia di allenamento o altre terapie. Sicuramente è interessante anche un dispositivo in grado di segnalare la caduta, in modo da dare l’allarme. Ma più sfidante è un dispositivo in grado di prevederla”.

Il Politecnico ha recentemente presentato al pubblico alcuni dispositivi indossabili alla manifestazione SaluTO, cui ha collaborato con la Scuola di medicina dell’Università di Torino.
Uno è un braccialetto in grado di analizzare diversi parametri in modo da stimare se il soggetto è stressato o ansioso, ma anche se eccessivamente rilassato, per esempio mentre è alla guida. E, a seconda dello stato rilevato, fornisce un feedback sensoriale mirato: se è indossato durante la guida rileva il calo di attenzione e invia uno stimolo.
Sono state proposte anche due tecnologie che analizzano il movimento e favoriscono il mantenimento di una postura corretta: una agisce in modalità ludica, creando una sorta di avatar su uno schermo, con cui si può interagire per modificare la propria postura. L'altra, attraverso sensori da inserire nelle solette delle scarpe, monitora il cammino raccogliendo informazioni utili, ad esempio per i protocolli di riabilitazione.
Inoltre, chi lo desiderava ha potuto indossare un esoscheletro portatile per le braccia per ridurre ad esempio lo sforzo nello spostare carichi pesanti.
Come ha commentato Filippo Molinari, bioingegnere e vicerettore per il Piano strategico dell’Ateneo: “Siamo in un momento cruciale per le tecnologie applicate al settore della salute. È fondamentale che l’utenza sia informata correttamente sull'utilizzo di queste tecnologie, per questo abbiamo deciso di portarle in piazza”.

Un altro campo importante è quello delle bioimmagini, ovvero lo sviluppo di metodologie di imaging biomedicale per l’analisi dei tessuti biologici, integrando competenze di ingegneria, matematica e ICT: l’obiettivo è trasformare immagini e segnali complessi in informazioni affidabili e interpretabili, a supporto della ricerca biomedica e dello sviluppo di soluzioni avanzate per la salute.

Una delle modalità più innovative è quella dell’imaging fotoacustico, che sfrutta la capacità di alcune molecole di emettere ultrasuoni se eccitate dalla luce, per l’analisi in vivo dei tessuti corporei: innocua per il paziente, consente di combinare informazioni ottiche e acustiche, offrendo una visione non invasiva delle proprietà dei tessuti biologici.

L’idea sembra fantascienza: creare un gemello biologico della persona malata, per sperimentare su di questo le terapie prima di applicarle al paziente reale. In realtà è una delle linee più avanzate della ricerca biomedica oggi. Attenzione: non si tratta di creare cloni dell’essere umano, non dobbiamo pensare a distopie come quelle immaginate dal premio Nobel Kazuo Ishiguro in Non lasciarmi.
Come ci spiega Francesca Frascella, docente di Fisica e tecnologia avanzata al DISAT del Politecnico, esperta di materiali e nanotecnologie: “Si tratta di ricerca di frontiera, che oltre alle difficoltà intrinseche al lavoro su cellule – per esempio la necessità di utilizzare apparecchiature voluminose operando in ambienti sterili – implica l’utilizzo di strumentazione recentissima, al punto che a volte la sperimentiamo per primi in assoluto”.

La realizzazione di “gemelli biologici” è l’obiettivo di uno tra i maggiori progetti in cui è coinvolto il Politecnico nel campo della salute: D34Health (Digital Driven Diagnostics, prognostics, and therapeutics for sustainable Healthcare), finanziato dal MUR con i fondi del Piano nazionale per gli investimenti complementari al PNRR. Nel contesto di questo progetto il Politecnico è alla guida dello Spoke4, dedicato allo sviluppo di gemelli biologici per studiare e curare tumori, malattie di tipo degenerativo – come la sclerosi multipla – e patologie metaboliche – come il diabete. Attraverso l’implementazione di gemelli, sia biologici sia digitali, l’obiettivo è formulare terapie innovative, realizzando una piattaforma tecnologica che possa concretamente innovare il sistema sanitario.

Come ha commentato Fabrizio Pirri, vicerettore per lo Sviluppo del modello e delle infrastrutture di ricerca e responsabile scientifico dello Spoke 4 del progetto: “Grazie ai bandi a cascata, i biological twins saranno sviluppati anche da imprese e centri di ricerca e atenei del Mezzogiorno, e da enti esterni all’ecosistema del progetto, amplificando così l’effetto della ricerca sia nello spazio sia nel tempo, contribuendo alla costruzione di un’infrastruttura sperimentale distribuita a livello nazionale sotto la guida del Politecnico di Torino”.

L’esperienza necessaria a guidare un progetto così innovativo nasce dalle diverse attività di ricerca del Politecnico in questa area, che includono:

• microdispositivi per analizzare campioni biologici: strumenti in miniatura capaci di analizzare cellule, tessuti e fluidi biologici (come sangue o saliva) senza danneggiarli e senza aggiungere sostanze artificiali; questi strumenti permettono di ottenere molte informazioni contemporaneamente usando quantità minime di campione;
• all’interno della tecnologia di stampa biologica a 3D, creazione di strutture di supporto (scaffold) che aiutano le cellule a crescere e organizzarsi, per esempio nella rigenerazione di ossa o cartilagini, per poi essere riassorbite dall’organismo;
• progettazione di superfici e materiali speciali per rendere più sicuri ed efficaci i dispositivi medici; alcuni di questi materiali possono reagire a stimoli come temperatura o umidità e svolgere funzioni utili a contatto con il corpo, favorendo ad esempio la guarigione o riducendo le infezioni.

La biomeccanica integrativa affronta i problemi clinici fondamentali sia a livello di tessuto sia a livello di organo utilizzando conoscenze e metodi nel campo biomeccanico su più scale.

Spiega Terzini: “Nella nostra area di studio, applichiamo le metodologie dell’ingegneria meccanica alla biologia e alla biomedica, lavorando su più scale: possiamo studiare le cellule o i tessuti, anche sviluppando bioreattori dedicati, o gli organi, concentrandoci su distretti specifici, come il sistema cardiovascolare o il respiratorio, oppure arrivare fino alla scala dell’intero organismo, studiando la meccanica del movimento umano e delle interazioni tra corpo e dispositivi medici, come protesi impiantate o valvole cardiache. Qualche esempio concreto: quando parliamo di tessuti viventi, valutiamo le caratteristiche meccaniche del derma destinato a impianti nei casi di grandi ustioni, per comprendere come questo si comporterà dopo l’impianto. Sul fronte dei dispositivi, studiamo invece quello che avviene durante l’interazione tra dispositivo e corpo umano. Un esempio è quello dei caschi per le terapie ventilatorie. I caschi per la ventilazione polmonare, diventati familiari durante il Covid, sono dispositivi in materiale polimerico che consentono di somministrare supporto respiratorio ai pazienti con gravi difficoltà, spesso evitando l’intubazione. Presentano però una criticità: l’anidride carbonica espirata può accumularsi all’interno del casco e, se non adeguatamente rimossa, rappresentare un rischio per il paziente. Al Politecnico, per analizzare la distribuzione dell’anidride carbonica al loro interno abbiamo utilizzato inizialmente un simulatore capace di emettere anidride carbonica, misurando con sensori dedicati quanta parte venisse reinspirata. A partire da questi dati sperimentali, raccolti localmente, abbiamo poi sviluppato modelli fluidodinamici di caschi con diverse configurazioni di ingressi e uscita, così da estendere l’analisi all’intero volume del dispositivo e individuare la soluzione più sicura per il paziente. Questo è un esempio di come l’integrazione tra dati sperimentali e metodologie numeriche ci permetta non solo di valutare dispositivi già esistenti, ma anche di progettarne di nuovi”.

Continua Terzini: “Un altro campo di applicazione riguarda le protesi articolari. Quando viene impiantata una protesi, la sfida principale non è solo ripristinare il movimento nell’immediato, ma garantirne l’affidabilità nel tempo”.

Al Politecnico, grazie a modelli digitali multiscala che integrano diverse fonti di informazione, è possibile stimare il comportamento meccanico degli impianti: dal laboratorio di analisi del movimento si raccolgono dati su come il paziente si muove, che alimentano il suo modello muscoloscheletrico, un “gemello digitale” che replica il movimento fornendo informazioni biomeccaniche come le forze che agiscono sull’articolazione, altrimenti misurabili solo con procedure invasive.

In parallelo, immagini diagnostiche come TAC o radiografie permettono di ricostruire la geometria 3D dell’osso e di posizionare virtualmente la protesi sia nella pianificazione pre-operatoria sia nelle verifiche post-intervento.

Conclude Terzini: “I carichi calcolati vengono trasferiti a modelli biomeccanici ad alta risoluzione che analizzano tensioni e deformazioni all’interfaccia osso-protesi. L’integrazione di questi modelli, dalla scala del movimento a quella dei tessuti, collega il comportamento del paziente alle sollecitazioni locali su osso e impianto. Per la chirurgia rappresenta un supporto alla pianificazione e alla valutazione dell’intervento; per la ricerca, un ambiente per analizzare le complesse interazioni biomeccaniche. L’obiettivo comune è trasformare i dati in decisioni più consapevoli, aumentando sicurezza, affidabilità e durata delle protesi a beneficio del paziente”.

Queste metodologie trovano applicazioni anche nel campo dell’ingegneria cardiovascolare, guidata dal professor Umberto Morbiducci, dove imaging medico e modellazione, sia computazionale sia sperimentale, vengono integrati per migliorare diagnosi e trattamenti, fino alla progettazione e all’ottimizzazione di dispositivi e procedure. In questo contesto, le simulazioni di biofluidodinamica computazionale permettono di studiare i flussi sanguigni e di supportare una medicina predittiva e personalizzata, contribuendo sia alla comprensione dei meccanismi di malattia, fornendo biomarcatori non ottenibili con altri metodi, sia alla valutazione virtuale di scenari post-operatori per una pianificazione operatoria personalizzata, che alla progettazione di dispositivi cardiovascolari più sicuri ed efficaci.