UN ARTICOLO INTERDISCIPLINARE FRA ASTROFISICA E MEDICINA

Buchi neri e cancro: evoluzioni a confronto

Un recente studio pubblicato nella rivista Frontiers in Oncology sfrutta un parallelismo concettuale fra meccanismi di accrescimento e feedback di buchi neri supermassicci al centro di galassie attive e tumori per stipulare un virtuoso scambio metodologico e analitico. In particolare, l’applicazione dell’approccio multi-scala nella trattazione dell’accrescimento e dei meccanismi feedback ha consentito di mutuare modelli matematici accurati utilizzati nell’ambito astrofisico e applicarli a quello medico, e viceversa.

     19/05/2021
Social buttons need cookies

Una collaborazione inattesa e virtuosa, quella fra due vecchi compagni di scuola rimasti amici e con due carriere apparentemente molto diverse. Uno è astrofisico, l’altro è medico oncologo. Un’idea nata davanti a uno, due… alcuni aperitivi condivisi a Macerata, nelle Marche, regione natale dei due. E, a conferma del fatto che i momenti di relax rendono più creativi e capaci di associazioni di idee utili al problem solving – come alcuni studi in materia sostengono – i due ricercatori hanno saputo trovare delle similitudini concettuali e metodologiche fra i rispettivi ambiti di ricerca, tanto da decidere di scrivere un articolo insieme. L’articolo è stato recentemente pubblicato nella rivista Frontiers in Oncology. Il primo autore è Matteo Santoni, medico oncologo dell’ospedale di Macerata, e il suo compagno di scuola e coautore è Francesco Tombesi, astrofisico dell’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” e associato Inaf, esperto di buchi neri supermassicci in nuclei galattici attivi (Agn).

La chiave del parallelismo e dell’incontro fra i due mondi, quello astrofisico e quello medico, risiede in un approccio che gli scienziati chiamano multi-scala. Si tratta, in sostanza, di scomporre un fenomeno complesso che agisce su diverse distanze, o scale per l’appunto, per descriverne il comportamento in una serie di gusci concentrici – che vanno dal piccolo al grande, dal locale al globale.

Francesco Tombesi, dell’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” e associato Inaf, vincitore del premio Aspen nel 2017 per i suoi studi sui buchi neri supermassicci nei nuclei galattici attivi. Crediti: Aspen Institute Italia

«Le problematiche scientifiche legate alla fisica dei buchi neri nelle galassie attive e l’evoluzione tumorale in oncologia mostrano entrambe complessità che possono essere comprese solo attraverso un approccio multi-scala, in cui processi apparentemente sconnessi sono in realtà connessi tra di loro attraverso le diverse scale fisiche» spiega a Media Inaf Tombesi. «Quindi, gli approcci matematici e statistici sviluppati in oncologia per studiare fenomeni estremamente complessi e dipendenti da molti parametri potrebbero essere mutuati dagli astrofisici per investigare lo scambio di materia ed energia dei nuclei galattici attivi su scale galattiche».

Nel caso astrofisico, sono più di sei gli ordini di grandezza da considerare quando si studiano i fenomeni di accrescimento e feedback dei buchi neri supermassicci al centro delle galassie attive (gli Agn): si passa infatti dalle dimensioni del nucleo galattico attivo (dell’ordine dei milliparsec) a quelle dell’intera galassia (dell’ordine dei kiloparsec). La strategia di scomporre il problema utilizzando un approccio multi-scala, in questo caso, è stata analizzata estensivamente in un recente articolo dello stesso Tombesi in collaborazione con i colleghi Massimo Gaspari e Massimo Cappi dell’Inaf di Bologna, che propone uno studio teorico e osservativo concentrato simultaneamente su tre livelli: quello micro – delle dimensioni dell’Agn – quello meso – corrispondente alle dimensioni della galassia – e quello macro – su scale dell’alone galattico.

Anche nel caso oncologico, ed è questo l’oggetto principale del nuovo studio, l’approccio proposto per i buchi neri risulta applicabile, poiché i fenomeni da considerare avvengono su sei ordini di grandezza diversi, dalla scala cellulare (del micrometro) fino alla scala del corpo umano (del metro). Anche in questo caso si possono individuare tre scale: la micro, interna alle cellule tumorali, la meso, connessa all’interazione tra tumore e sistema immunitario, e infine la macro, tra regione tumorale primaria e metastasi.

«La multidisciplinarietà costituisce una sfida affascinante ed un momento di crescita per tutte le discipline coinvolte» commenta a Media Inaf Santoni. «Confrontarsi e capire se elementi provenienti da ambiti apparentemente distanti da noi possano semplificare dinamiche al momento non definite può rappresentare la chiave di volta del pensiero scientifico negli anni a venire».

Non è infatti solo un esercizio descrittivo, questo studio. Dal punto di vista medico – spiega nello specifico Santoni – la creazione e la validazione di modelli matematici in grado di predire le interazioni tra le varie componenti del microambiente tumorale rappresenterebbe un passo avanti fondamentale nell’ambito della ricerca oncologica. Consentirebbe, ad esempio, di ottimizzare l’elaborazione di modelli in vitro e in vivo che rispecchino maggiormente la complessità delle interazioni che avvengono nel corpo umano, e di sviluppare approcci terapeutici in grado di interrompere o plasmare la comunicazione intracellulare.

Matteo Santoni, medico oncologo dell’ospedale di Macerata e primo autore dello studio pubblicato su Frontiers in Oncology

«Prevedere mediante modelli matematici definiti il comportamento di una neoplasia in termini di crescita, interazioni con le cellule del sistema immunitario e capacità di metastatizzare in determinate sedi e a tempi prestabiliti – continua Santoni – avrebbe un impatto fondamentale nell’ambito del trattamento e del follow-up di questi pazienti e rappresenterebbe un cospicuo passo in avanti verso la personalizzazione delle cure».

Ma – per capire come si instaura questo parallelismo nel dettaglio – vediamo cosa succede, alle diverse scale, in una galassia al cui centro c’è un buco nero supermassiccio attivo e in un corpo nel quale si è insinuato un microambiente tumorale.

Nel caso astrofisico, si parte dalla scala micro, quella relativa proprio al nucleo galattico attivo con al centro il buco nero supermassiccio in accrescimento, da cui possono essere lanciati getti e venti di materia molto veloci. Alle scale meso, quelle intermedie, vi è l’interazione tra i venti e getti prodotti dal buco nero centrale e il mezzo interstellare della galassia ospite. Infine, al livello macro – nell’alone della galassia ospite o nell’ammasso di galassie – il gas risultante dal feedback si raffredda, si condensa e in parte ricade verso le zone centrali, dando di nuovo origine al ciclo di accrescimento e feedback.

Nel caso medico, uno degli elementi caratteristici del microambiente tumorale è l’infinita serie di informazioni che le cellule del tumore primario scambiano tra di esse, con il sistema immunitario e con cellule tumorali a distanza. Milioni di messaggi contenuti in microvescicole liberate dalle cellule del tumore primitivo permettono al tumore stesso di crescere, invadere, inibire l’attività del sistema immunitario e colonizzare determinate sedi a distanza. A sua volta, le informazioni che il tumore primitivo riceve dal microambiente circostante costituiscono un continuo sistema di feedback in grado di contribuire alla crescita della malattia, all’acquisizione della resistenza a farmaci e, più in generale, ai meccanismi di escape tumorale.

«Le analogie tra i due approcci multi-scala nello studio del ciclo di accrescimento e feedback nei buchi neri supermassicci e l’ambiente di evoluzione tumorale si sono dimostrate utili per uno scambio proficuo di modelli matematici tra queste due scienze di base» conclude Tombesi. «Una maggiore cooperazione e dialogo tra discipline apparentemente così distanti potrebbe portare nei prossimi anni a oltrepassare le limitazioni della attuale modellistica astrofisica e oncologica. A questo proposito, stiamo pensando di organizzare dei convegni interdisciplinari in futuro per aumentare l’interazione tra le nostre due comunità scientifiche».

 

Per saperne di più: