Contributi, progetti e visioni USI nel campo delle scienze della vita

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Battista Pisani
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1 Contributi, progetti e visioni USI nel campo delle scienze della vita ERSBV, Bellinzona, Piero Martinoli USI USI

2 Sommario Utilizzo dei supercomputer (simulazione numerica, modellazione) nelle scienze della vita Progetti in corso: esempi e collaborazioni Il futuro delle scienze della vita all USI USI 2

3 Il supercomputer: un laboratorio virtuale nella ricerca moderna Esperimento > operazioni matematiche al secondo Simulazione numerica Teoria M. Parrinello Courtesy USI 3

4 Le scienze computazionali Studio di problemi complessi in un vasto spettro di discipline: fisica, chimica, meteo, clima,, finanza, in particolare: Scienze della vita (in «silico») biologia, medicina, farmacologia, Partenariato dell USI, tramite l Istituto di scienze computazionali (ICS), con CSCS e ETHZ (doppie cattedre) Collaborazioni con istituti di ricerca locali: IRB, CCT, IOR, Grande rilevanza anche per l industria e il mondo economico Inserimento dell USI nelle strategie nazionali di supercalcolo USI 4

5 Le scienze della vita in «silico»: alto grado di multi- e interdisciplinarità formazione! Matematica Informatica Biologia - medicina Supercomputing USI 5

6 Progetti in corso: alcuni esempi Cardiologia computazionale: collaborazione USI/ICS (prof. Krause) CCT (prof. Auricchio) Emodinamica computazionale: USI/ICS, prof. Pivkin Interazione farmaco-proteina: USI/ICS, prof. Parrinello Identificazione di anticorpi neutralizzanti del virus dell influenza (emoagglutinina, HA): collaborazione USI/ ICS (prof. Parrinello) e IRB (prof. Lanzavecchia) USI 6

7 Modello multiscala del cuore (M. Potse, ICS) dal canale ionico all organismo, passando per la cellula e l organo relaziona risultati clinici a esperimenti in «silico» a livello della cellula e addirittura di un singolo canale ionico USI 7

(tensione della membrana cellulare) in una sezione 2D estratta da

8 Attivazione elettrica del cuore (D. Krause, R. Krause, Potse; ICS) Simulazione della propagazione elettrica (tensione della membrana cellulare) in una sezione 2D estratta da un modello 3D del cuore Codice colori: da -90 mv (blu) a + 20 mv (rosso). Durata: 500 ms USI 8

9 Depolarizzazione ventricolare (sistole) D. Krause, R. Krause, M. Potese; ICS Cuore normale Blocco del ramo sinistro del fascio di His USI 9

Relazione tra deformabilità della membrana cellulare dei globuli rossi (GR) e

, ICS) GR sano Malaria: iniziale Malaria: avanzato Spectrina: mattone della membrana

indotti da malattie infettive e/o mutazioni genetiche modificano le proprietà

10 Relazione tra deformabilità della membrana cellulare dei globuli rossi (GR) e emodinamica (I. Pivkin et al., ICS) GR sano Malaria: iniziale Malaria: avanzato Spectrina: mattone della membrana di un GR; definisce le sue proprietà meccaniche Cambiamenti a livello molecolare indotti da malattie infettive e/o mutazioni genetiche modificano le proprietà meccaniche dei GR con possibile collasso di interi organi (milza), effetti sui fenomeni di trasporto nella microcircolazione indotta da tumori, ecc. USI 10

11 Dalla molecola all organo: modelli computazionali multiscala Modello ad alta risoluzione della struttura molecolare della membrana GR: molto accurato, ma troppo avido in tempo di calcolo Approccio mean field : struttura più grossolana Emodinamica nei vasi sanguinei I. Pivkin et al., ICS USI 11

12 Sviluppo di nuovi farmaci: studio dell interazione proteina (enzima COX2) farmaco (inibitore SC558) Michele Parrinello Courtesy USI 12

13 Identificazione di anticorpi neutralizzanti del virus dell influenza A. Ardevol, M. Parrinello, A. Lanzavecchia F74 Determinazione degli «hot spots» che più contribuiscono al legame («alanine scanning») Anticorpo (Fab) I53 I73 F54 Y98 N97 Emoagglutinina (HA) Calcolo dell energia (libera) di legame con simulazioni di dinamica molecolare Permette d identificare strategie per la profilassi

14 ll futuro Posizione di professore-assistente in biologia computazionale: Ø collaborazione USI-IRB Ø finanziamento: Fondazione Daccò, Fondazione per R & S dell USI Istituzione di un Centro di Medicina Computazionale in Cardiologia (CCMC): Ø collaborazione USI(ICS)-CCT Ø attualmente oggetto di peer review internazionale «Short courses» di formazione continua all USI (H. Flaadt): Ø Ø Biobusiness Entrepreneurship MedTech Entrepreneurship USI 14

15 Istituzione di una Facoltà di scienze biomediche Struttura e compiti principali: Ø Istituto di medicina umana: organizzazione del Master con una università di riferimento (UniBS) e altre università, collaborazione con strutture cliniche (EOC + altre) sia per la formazione che per la ricerca clinica Ø Istituto di ricerca in biomedicina: rafforzamento dell affiliazione dell IRB, contesto accademico per la formazione dottorale, elaborazione di un programma MA con altre università Ulteriori attività: Ø collaborazioni con Istituto di scienze computazionali (ICS-CCT), Istituto di comunicazione sanitaria (ICH), Istituto di salute pubblica (SSPH+) Possibili sviluppi futuri: integrazione di altri istituti di ricerca (IOR,..) USI 15

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