Gli scienziati hanno sviluppato un sistema informatico capace di ricostruire in tre dimensioni il torace di una persona partendo dalle immagini di una TAC e di simulare il viaggio della luce attraverso il corpo, fino ai polmoni. Il risultato è una sorta di gemello digitale del paziente: una copia virtuale che permette di prevedere dove arriverà la luce, quanta energia verrà assorbita dai tessuti e come cambierà la sua distribuzione quando il polmone è sano oppure colpito da una malattia. Può sembrare fantascienza, ma il principio è molto semplice: la luce, quando viene applicata dall'esterno del corpo, non viaggia in linea retta fino ai polmoni infatti prima deve attraversare pelle, grasso, muscoli, ossa e altri tessuti. Una parte dell'energia viene assorbita, un'altra viene deviata e ogni organismo presenta caratteristiche anatomiche diverse. Per questo motivo, utilizzare la stessa dose di luce su persone differenti non significa necessariamente ottenere lo stesso risultato ed è proprio qui che entra in gioco la nuova tecnologia. Questa è l'idea, affascinante e concreta allo stesso tempo, che arriva da una nuova ricerca pubblicata sulla prestigiosa rivista scientifica PNAS.
I ricercatori hanno trasformato le immagini ottenute dalla TAC in un modello tridimensionale dettagliato del torace, distinguendo 12 diversi tipi di tessuto e ricostruendo anche le caratteristiche dei polmoni. Il modello può rappresentare condizioni differenti, comprese aree normali, zone collassate, infiltrate e vasi sanguigni, a quel punto il computer fa qualcosa di sorprendente: simula il comportamento di una quantità enorme di fotoni, le particelle che compongono la luce, mentre attraversano i tessuti. Per farlo viene utilizzato un metodo matematico chiamato simulazione Monte Carlo. Non è un gioco d'azzardo, ma una tecnica utilizzata dalla scienza per studiare fenomeni complessi attraverso un numero molto elevato di possibili percorsi. In questo caso, il computer segue virtualmente il percorso della luce e calcola quanta energia viene assorbita e dove si concentra, il risultato poi può essere visualizzato come una vera e propria mappa della luce all'interno del torace ed è proprio questa mappa a rendere la ricerca particolarmente interessante. Gli scienziati hanno infatti simulato diverse condizioni polmonari, tra cui polmoni normali, polmonite focale, polmonite diffusa e alterazioni associate al COVID-19. Hanno inoltre modificato la posizione dalla quale la luce viene applicata e utilizzato differenti lunghezze d'onda.
Le simulazioni hanno mostrato che la distribuzione dell'energia può cambiare in maniera significativa a seconda della struttura del torace e delle condizioni del polmone ovvero in parole semplici: la stessa luce non arriva necessariamente nello stesso modo in tutti i pazienti ed è una scoperta che potrebbe avere conseguenze importanti per il futuro delle terapie basate sulla luce. Da anni la ricerca studia tecniche come la fotobiomodulazione e la terapia fotodinamica, nelle quali determinate lunghezze d'onda vengono utilizzate per ottenere effetti biologici o terapeutici. Ma quando il bersaglio si trova in profondità, come nel caso dei polmoni, una delle difficoltà principali è capire quanta luce riesca effettivamente ad arrivare nel punto desiderato, il nuovo modello quindi prova ad affrontare proprio questo ostacolo. Immaginiamo, per esempio, un paziente con una determinata alterazione polmonare. In futuro, la sua TAC potrebbe essere utilizzata per costruire il modello digitale del torace, sul computer sarebbe quindi possibile simulare diverse possibilità: cambiare la posizione della sorgente luminosa, modificare la lunghezza d'onda, variare l'intensità e calcolare come cambia la quantità di energia che raggiunge il polmone. Prima ancora di iniziare il trattamento reale, sarebbe quindi possibile testare virtualmente diverse strategie sul «gemello digitale» del paziente, il medico non verrebbe sostituito dall'algoritmo anzi avrebbe a disposizione uno strumento in più per decidere come impostare il trattamento sulla base dell'anatomia reale della persona e questo, in fondo è il cuore della medicina di precisione: non curare soltanto una malattia, ma cercare di capire come quella malattia si presenta in quel particolare paziente. La ricerca pubblicata su PNAS rappresenta un passo in questa direzione perché unisce tre elementi che fino a pochi anni fa appartenevano a mondi molto diversi: le immagini diagnostiche, la fisica della luce e la potenza di calcolo dei moderni computer.
Le GPU, le stesse unità di elaborazione che hanno reso possibili videogiochi sempre più realistici, vengono infatti utilizzate per accelerare simulazioni estremamente complesse. Naturalmente, siamo ancora lontani dal poter parlare di una nuova terapia disponibile negli ospedali, il modello deve essere ulteriormente verificato e confrontato con dati sperimentali e clinici. Una simulazione al computer può prevedere dove arriva la luce, ma bisogna poi dimostrare che quelle previsioni corrispondano realmente a ciò che accade nel corpo e che la quantità di energia utilizzata sia efficace e sicura. Ma la direzione indicata dalla ricerca è chiara, la TAC potrebbe non essere più soltanto una fotografia interna del nostro corpo, potrebbe diventare la prima pagina di un trattamento costruito su misura. In che modo ? Prima si osserva il paziente, poi lo si ricostruisce digitalmente ed infine si simula la terapia per cercare di capire quale sia la strategia migliore. È un cambiamento importante nel modo di concepire la medicina: dalla terapia uguale per tutti alla terapia progettata sulla persona e forse è proprio questa l'immagine più suggestiva lasciata dalla ricerca pubblicata su PNAS: un giorno, prima che una luce venga accesa sul nostro corpo, potrebbe essere già possibile sapere sul computer dove quella luce andrà, quanta energia porterà e come adattarla alla nostra anatomia. Il futuro della medicina personalizzata potrebbe quindi avere anche un nuovo protagonista: non soltanto il farmaco o il bisturi, ma una luce calcolata con precisione, paziente per paziente.