Alzheimer: un modello matematico svela il legame tra vasi sanguigni e beta-amiloide

Non solo beta-amiloide e altre proteine tossiche. Nell’insorgenza e nella progressione della malattia di Alzheimer sembra, infatti, essere coinvolta anche la salute dei vasi sanguigni cerebrali. Lo dimostrano sempre più studi secondo cui la riduzione del flusso sanguigno, i danni vascolari e l’accumulo di beta- amiloide si alimentano a vicenda in un ciclo patologico.

Proprio per descrivere in modo integrato l’interazione tra la diffusione dell’amiloide beta e il funzionamento della rete vascolare cerebrale i ricercatori del laboratorio Mox del Dipartimento di Matematica del Politecnico di Milano hanno sviluppato un nuovo modello matematico e computazionale “whole-brain”.

L’obiettivo è offrire uno strumento capace di simulare, su scala dell’intero cervello, come piccole alterazioni biologiche o vascolari possano evolvere nel tempo e contribuire alla neurodegenerazione. Il modello e lo studio scientifico che lo accompagna sono stati pubblicati su Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering.

Nuova comprensione di meccanismi noti

“Questo lavoro nasce dalla collaborazione tra il Politecnico di Milano e le Università di Stanford e di Oxford” spiega Mattia Corti, primo autore dello studio e postdoc presso il Laboratorio Mox, che svolge la sua ricerca con il progetto Erc Sinergy Grant NEMESIS (NEw Generation MEthods for Numerical SImulationS) (nella foto insieme a Paola Antonietti, responsabile del Laboratorio Mox e docente del Dipartimento di Matematica).

“Integrando competenze in modellistica matematica e numerica, ingegneria meccanica e calcolo scientifico ad alte prestazioni, siamo riusciti a ottenere questi risultati, che rappresentano un primo passo verso la comprensione di come meccanismi noti alla scala microscopica possano avere un impatto globale nelle patologie cerebrali neurodegenerative”.

Evoluzioni diverse

Il modello integra due livelli di analisi. Da un lato, descrive la dinamica della produzione, trasformazione, diffusione ed eliminazione delle forme sane e patologiche della beta-amiloide. Dall’altro, descrive il flusso sanguigno attraverso una descrizione “macroscopica” di arterie, capillari e vene, trattando il tessuto cerebrale come un mezzo poroso attraversato dai vasi sanguigni. Le due componenti sono poi collegate tra loro per rappresentare il possibile meccanismo di rinforzo reciproco tra l’accumulo proteico e la disfunzione vascolare.

Le simulazioni mostrano un risultato particolarmente rilevante: il cervello può evolvere in stati diversi a seconda delle condizioni iniziali. Piccole quantità localizzate di amiloide beta possono essere eliminate, consentendo al sistema di tornare a uno stato sano. Al contrario, quantità più consistenti possono innescare una diffusione autosostenuta della patologia su scala cerebrale.

Esplorare l’effetto di danni vascolari

Il modello consente inoltre di esplorare l’effetto di danni vascolari localizzati, come una riduzione del flusso sanguigno dovuta a una lesione o a un evento simile a un ictus. In questi scenari, la ricerca suggerisce che l’ipoperfusione, cioè un insufficiente apporto di sangue al tessuto cerebrale, possa rendere il cervello più vulnerabile: livelli di amiloide beta che in condizioni normali sarebbero efficientemente compensati possono diventare sufficienti a innescare una progressione patologica più ampia.

“Da qualche anno al Laboratorio Mox abbiamo avviato il progetto BraiNum, con l’obiettivo di sviluppare un modello matematico e computazionale che descriva il funzionamento fisiologico e patologico del cervello e del sistema nervoso centrale” aggiunge Paola Antonietti. “A tal fine, integriamo le potenzialità e la flessibilità della modellazione matematica, dell’analisi numerica e del calcolo scientifico ad alte prestazioni e dell’intelligenza artificiale”.

“L’ipotesi vascolare” dell’Alzheimer

Il lavoro si inserisce nel filone della cosiddetta “ipotesi vascolare” dell’Alzheimer, secondo cui un danno iniziale ai vasi sanguigni può favorire lo sviluppo o l’aggravamento dell’accumulo e diffusione della proteina beta amiloide. Il contributo del nuovo modello computazionale sviluppato non è quindi diagnostico o terapeutico in senso diretto, ma riguarda la possibilità di comprendere e studiare in modo controllato scenari difficili da osservare sperimentalmente, generando nuove ipotesi sui meccanismi che favoriscono l’insorgenza e la progressione della malattia.

“Mettendo in relazione meccanismi biologici, geometrie cerebrali dettagliate ricostruite da immagini cliniche “patient-specific” e modelli computazionali avanzati e di nuova generazione, il modello apre la strada a simulazioni sempre più realistiche dell’evoluzione della neurodegenerazione” si legge in una nota del Polimi. “In prospettiva, strumenti di questo tipo potranno contribuire a individuare condizioni di rischio, a comprendere meglio il ruolo della componente vascolare nell’Alzheimer e a orientare nuove strategie di prevenzione e di intervento”.