Medicina 4.0

Coronavirus (COVID-19): triage, vaccino e farmaci progettati sfruttando l’Intelligenza Artificiale

Coronavirus (COVID-19): triage, vaccino e farmaci progettati sfruttando l’Intelligenza Artificiale

Coronavirus (COVID-19): triage, vaccino e farmaci progettati sfruttando l’Intelligenza Artificiale

Nell’immagine introduttiva: Stampa 3D della proteina ‘Spike’ del Sars-Cov-2, per gentile concessione di National Institute of Allergy and Infectious Diseases

 

di Riccardo Bugliosi

I giorni che stiamo vivendo (fine Aprile 2020) sono scanditi da dalla necessità sempre più stringente di avere presto farmaci efficaci e, soprattutto, un vaccino per la pandemia da COVID-19. Sino a poco tempo fa ho scritto (e pensato) che l’apporto delle tecnologie di Intelligenza Artificiale (IA), Machine Learning e Deep Learning sarebbero stati strumenti utili in un futuro prossimo ma non nello specifico caso del COVID-19 dove avrebbero avuto un ruolo più che altro sperimentale.

In realtà nel giro di settimane lo scenario è totalmente cambiato. Siamo di fronte ad una rivoluzione, in parte silente, ma importante. Come vedremo l’IA comincia ad essere utilizzata in maniera pervasiva. Di seguito illustrerò una serie di esempi che vorrei sottolineare essere solo una piccola selezione della vastità dei progetti esistenti.

Il primo esempio significativo è il supporto nel triage ospedaliero. Cominceremo proprio da questo argomento.

Triage e Radiologia

Il 23 Aprile 2020 è comparso sul MIT Technology Review un articolo sul triage medico supportato da software di IA. In questo report, tra gli altri, viene descritto l’esempio del Dr. Rizwan Malik, primario radiologo del Royal Bolton Hospital (UK) che ha assistito nel suo reparto, ben prima della pandemia, alla comune problematica dei tempi di attesa, fino a 6 ore, necessari per avere il referto delle loro radiografie. Il Dr. Malik, da sempre un curioso di IA, nel Settembre 2019 ha deciso di affrontare il problema ed ha cercato di identificare un sistema capace di aiutarlo. Dopo un’oculata ricerca, ha scelto il software qXR realizzato da una società di Mumbai chiamata Qure.ai. Ha testato per mesi il sistema in modo molto severo con la collaborazione di numerosi specialisti. Alla fine di tale fase e dopo verifiche derivanti da ulteriori altri ospedali, comitati scientifici e forum di radiologi, la sua proposta di adottare il sistema di IA è stata approvata. Nel frattempo è scoppiata la pandemia da COVID-19 ed in risposta a questo la Qure.ai ha prontamente addestrato il sistema per l’identificazione delle classiche lesioni polmonari causate da Sars-CoV-2. A questo punto il nuovo sistema avrebbe necessitato, per essere adottato, di essere nuovamente sottoposto a tutte le fasi di validazione precedentemente descritte ma, nel contesto dell’emergenza, il Dr. Malik ha deciso di utilizzarlo comunque. Come risultato di tutto ciò, il Royal Bolton Hospital è una delle sempre più numerose strutture sanitarie che utilizzano l’IA per combattere la pandemia in corso.

Una simile situazione di sovraccarico lavorativo si è creata in Francia dove sono state coinvolte sia la Qure.ai che la Sud Coreana Lunit. Quest’ultima ha reso disponibile il suo software online gratuitamente a questo link. In Sud Corea il Lunit INSIGHT CXR è diffusamente utilizzato a supporto del lavoro dei radiologi.

Mentre vi scrivo le due società succitate stanno espandendo il loro mercato in Italia presso l’Ospedale dell’Università San Raffaele, USA, Messico, Brasile, e Portogallo.

Visitando questo link troverete un articolo di approfondimento del Dr. Malik sull’IA in radiologia.

Altra necessità sorta con questa pandemia ed associata alla pressione lavorativa conseguente è stata quella di superare le resistenze degli specialisti (spesso legate a consolidate routine) nell’ affrontare la tematica dell’utilizzo di sistemi di IA come supporto diagnostico, al momento questa resistenza sembra stia scemando aprendo scenari inattesi.

A tale riguardo occorre puntualizzare che se da un lato l’emergenza ha spalancato le porte all’IA in medicina essa ha anche ridotto, come abbiamo visto in alcuni casi, i tempi di valutazione di questi sistemi che comunque necessitano di una grande attenzione e competenza nel corso dei processi di validazione. Quelli di cui vi ho parlato hanno superato comunque con successo rigorosi processi di selezione.

Vaccini

Per cominciare ad affrontare questo tema vi invito a vedere questo video prodotto dal Wall Street Journal che descrive molto bene lo stato dell’arte nel settore e nello specifico riguardo al COVID-19.

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Come descritto in un precedente articolo uno dei modi conosciuti mediante i quali l’IA agevola la progettazione dei vaccini riguarda la comprensione dell’espressione proteica dell’RNA virale. Nel caso del Sars-CoV-2 il potenziale vaccino deve mirare a stimolare l’organismo umano a generare una risposta immunitaria verso una specifica proteina, lo ‘spike’, che caratterizza il virus. E’ proprio la glicoproteina dello spike che determina la specificità di questo microorganismo verso le cellule epiteliali del tratto respiratorio. Fruendo della modellazione 3D al computer è stato confermato che Sars-CoV-2 si lega ai recettori ACE2 dei capillari dei polmoni.

Studio del sistema immunitario

Nell’ambito della realizzazione di vaccini efficaci ci si scontra con la difficoltà di comprendere l’interazione tra sistema immunitario ed agente patogeno che può essere estremamente complessa (vedi il caso del vaccino per l’HIV che dopo decenni ancora non è stato sviluppato).

Una delle strade intraprese per studiare tale complessità è stata la creazione della Human Immunomics Initiative (HII) il cui scopo è quello di rivoluzionare la comprensione dell’immunità umana con lo scopo di accelerare lo sviluppo ed il test di vaccini, diagnostiche e farmaci. HII svilupperà modelli di immunità combinando la grande potenza elaborativa dei più recenti computer, l’IA, la genomica, la biologia dei sistemi (Systems Biology) e la bioinformatica (Bioinformatics).

Progettazione dei vaccini

VacciniUna grande quantità di università, centri di ricerca e case farmaceutiche stanno lavorando sul vaccino per l’attuale pandemia. Di seguito descriverò alcuni dei progetti più promettenti ma, soprattutto, dei quali c’è certezza di utilizzo di tecniche di IA nel processo di sviluppo del vaccino medesimo.

Vaccini mRNA

In questo momento uno dei progetti più avanzati per la produzione di un vaccino è quello sviluppato da Moderna  in collaborazione con il NIAID (se volete approfondire il progetto ed il trial potete visitare questo link). Tale progetto, chiamato “Safety and Immunogenicity Study of 2019-nCov Vaccine (mRNA-1273) to Treat Novel Coronavirus” è sicuramente importante ed ambizioso in quanto coinvolge il NIAID (una costola del National Institute od Health). Il NIAID è diretto da Anthony Fauci famosissimo medico del quale vi suggerisco la lettura di un recente articolo da lui cofirmato sul COVID-19. Se volete approfondire le caratteristiche del trial potete leggere i dettagli in questo link.

In questo lavoro la Moderna ha fatto uso di IA e Machine Learning per velocizzare i tempi di realizzazione del vaccino ma i dettagli sono segreti e, notoriamente, su questo tipo di tecnologie la società non si è ma esposta.

In questo webcast il CEO di Moderna Stephane Bancel spiega in maniera esaustiva come stanno approcciando la realizzazione del vaccino mediante la tecnica dell’mRNA (RNA messaggero). I vaccini ad mRNA sono innovativi ed offrono una serie di vantaggi teorici che li rendono di estremo interesse ed il tutto è molto ben spiegato dallo stesso Bacel.

La seguente tabella fa riferimento a tutti i vaccini ad mRNA in corso di sviluppo e/o sperimentazione da parte di Moderna.

Vaccini ad mRNA in corso di sviluppo/sperimentazione da Moderna
mRNA-1547 CMV- Citomegalovirus
mRNA-1893 Zika
mRNA-1172/Merck V172 RSV Virus Respiratorio Sinciziale (con Merck)
mRNA-1177 RSV Virus Respiratorio Sinciziale
mRNA-1653 hMPV/PIV3
mRNA-1345 RSV pediatrico
mRNA-1189 EBV Virus di Epstein-Barr
mRNA-1851 Influenza H7N9
mRNA-1273 SARS-CoV-2

 

Nella progettazione di tutti questi vaccini mRNA con tutta probabilità sono state utilizzate tecniche di IA e Machine Learning.

AlphaFold, descritta in un precedente articolo, è un esempio classico di questa possibilità.

Un altro interessante aspetto di eHealth in tutto ciò riguarda il fatto che Moderna utilizza i servizi Cloud di Amazon per sfruttare le loro capacità computazionali, l’integrazione e l’analisi dei dati, l’automazione ed i processi produttivi oltre alla gestione di conformità legislativa di tutti i processi.

Vaccini da anticorpi monoclonali

Vir Biotechnology è un’altra azienda che sta progettando un vaccino per Sars-CoV-2 utilizzando esplicitamente l’IA in collaborazione con GlaxoSmithKline. Vir utilizza tecniche di genomica funzionale basate sul CRISPR, la biologia computazionale ed il Machine Learning. In questo progetto il fondamentale utilizzo di IA è esplicitato formalmente.  In questo caso il vaccino è basato su anticorpi monoclonali.

Farmaci

Anche in questo caso potete vedere questo interessante tutorial del MIT (Massachusetts Institute of Technology) che introduce molto sinteticamente l’argomento.

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Nel campo della terapia della COVID-19 al momento non si è avuto il tempo di fare valutazioni attendibili sulle varie tipologie di singole molecole e/o combinazioni di esse utilizzati sinora. In questo campo al momento sembra probabile che, come nel caso dell’HIV, potrebbe essere un cocktail piuttosto che un singolo farmaco a rappresentare una soluzione terapeuticamente risolutiva o almeno altamente efficace. Se ciò fosse vero questo complicherebbe ulteriormente il lavoro della ricerca biotecnologica già messo sotto pressione dalla necessità di evitare che la pandemia nel tempo possa causare ulteriori danni, umani e non, difficilmente sostenibili per la nostra società. Da queste premesse nasce la necessità di nuovo tipo di approccio alla ricerca. Fondamentalmente lo scenario che si sta presentando prevede due possibili opzioni:

  1. Scoprire un nuovo farmaco od un mix di farmaci. Questo presupporrebbe attendere circa due anni per la loro approvazione.
  2. Scoprire, tra i farmaci esistenti, uno o più di uno che siano potenzialmente efficaci. Questo processo coinvolge i famosi Big Data.

In entrambi i casi il lavoro da fare è immenso. Il Dr. David Brown, co-inventore del Viagra e fondatore di Helax, una start up che lavora con l’IA per la ricerca di farmaci per malattie rare, ha dichiarato: “Ho lavorato nel campo della ricerca di nuovi farmaci per 45 anni e ne ho 3 sul mercato

Una delle risposta tecnologiche per affrettare i tempi in entrambi gli scenari è fornita dall’IA ed in particolare dal Machine Learning.

Di seguito menzioneremo alcune delle realtà che stanno studiando i possibili farmaci per COVID-19 utilizzando l’IA. In realtà sono molto numerose e quelle che vi propongo sono solo alcuni delle più conosciute.

Insilico Medicine Inc., una startup basata in Maryland, USA utilizza il Machine Learning sia per trovare tra le migliaia di molecole già esistenti quelle che possano essere efficaci sia per progettare nuovi farmaci contro il virus della COVID-19. Insilico da qualche tempo lavora in collaborazione con Pfizer. Questo colosso della farmacologia è molto attivo nell’utilizzo di tool di IA avendo in precedenza utilizzato IBM Watson e da quest’anno, nel campo dell’oncologia, con Concerto HealthAI . Un’altra società molto attiva in questo settore è la Atomwise che già collabora con grandi realtà nel campo della ricerca farmacologica.

Possiamo inoltre citare tra le più importanti BenevolentAI (il cui lavoro potete approfondire qui), la già descritta Moderna, Exscientia, Scipher Medicine, Iktos.

E’ importante ricordare che in questo settore le informazioni disponibili sulle modalità di utilizzo delle tecniche di IA sono assai frammentarie. Visti gli interessi in gioco ci risulta ovvio ma quello che più colpisce è il grande fermento che la pandemia ha attivato permettendoci di sperare in una riduzione dei tempi di sviluppo sia di un vaccino che (in tempi più lunghi) di farmaci efficaci.

Addendum

Per ciò che riguarda il vaccino occorre ricordare che esistono problematiche che non sono solo di natura bio/tecnologica ma anche economico/finanziaria. Le grandi società farmaceutiche non vogliono essere lasciate sole ad investire nello sviluppo e nell’eventuale produzione dei vaccini. Come è stato scritto in questi giorni nel Financial Times (FT), numerosi CEO di Big Pharma chiedono un intervento integrato dei governi, soprattutto economico, per evitare ciò che è successo con Ebola.

L’aspetto essenziale di queste dichiarazioni è legato alla richiesta di ottenere fondi in anticipo per la ricerca e lo sviluppo questo perché le aziende temono di dover interrompere in fase avanzata i loro progetti come è accaduto in passato ad esempio con la SARS.

Nel frattempo però è intervenuta la Bill & Melinda Gates Foundation che per voce di Bill Gates è pronta a coordinare e finanziare la produzione massiva del o dei vaccini, quando disponibili.

Per finire vi suggerisco questo intervento di Bill Gates perché ci prospetta uno senario “oltre il coronavirus”.

A presto

Parole chiave: Sars-CoV-2, COVID-19, Coronavirus, Machine Learning, Deep Learning, Big Data, vaccini mRNA, vaccini monoclonali, Cloud Computing, Biologia Computazionale, Genomica, Bioinformatica, Anthony Fauci, Bill & Melinda Gates Foundation, NIAID, Hypnerotomachia Poliphili.

Per contattare l’autore potete scrivere una mail a: comunicazione@cassagaleno.it

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dottor Riccardo Bugliosi*Riccardo Bugliosi è medico, specialista in medicina interna. Esperto di Intelligenza Artificiale. Lavora nell’ICT in settori anche diversi dalla medicina. Ha pregressi studi in Fisica ed Ingegneria Elettronica. Le sue pubblicazioni scientifiche e di divulgazione sono facilmente reperibili sul web.

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