Dai ghiacciai nuovi studi per aiutare le paralisi cerebrali e non solo.

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Adam Marsh. Photo Credits: GenPro LLC

Si dice che la nostra società e la nostra economia stanno diventando sempre più “Data Driven”. Spesso non vi diamo molta importanza, invece ce l’ha, perché come in questo caso la capacità di gestire milioni di dati, velocemente, può fare la differenza, anche tra la vita e la morte.

Vi riportiamo qui una scoperta direttamente dall’Università del Delaware che vale la pena leggere.

Quando il biologo molecolare dell’Università del Delaware (UD) Adam Marsh stava studiando il DNA dei vermi che vivono nei mari freddi dell’Antartide per capire come gli organismi sono riusciti a sopravvivere – e prosperare – in un ambiente polare estremamente duro, non avrebbe mai immaginato che il suo lavoro potesse un giorno avere una connessione umana .

 

Ma invece ha scoperto che il genoma di questi vermi antartici è molto simile al nostro in termini di numero e tipi di geni presenti. E la tecnica pionieristica sviluppata da Marsh per analizzare la loro attività genetica si sta rivelando preziosa per la ricerca sulla salute umana.

 

Marsh e un socio in affari hanno istituito una società di biotecnologia per rendere disponibile tale tecnica per questo studio. In particolare, il metodo di Marsh utilizza i dati di sequenziamento genetico di ultima generazione per misurare come le cellule controllano il modo in cui i geni vengono attivati ​​o disattivati, un processo noto come metilazione del DNA.

 

Ora, un team del Delaware ha rilasciato uno studio nella rivista peer-reviewed BMC Bioinformatics che mostra che i modelli di metilazione del DNA nelle cellule del sangue circolanti possono essere utilizzati per aiutare a identificare i pazienti con paralisi cerebrale spastica.

 

Il lavoro interdisciplinare è uno sforzo collaborativo tra i ricercatori di UD, la società di Marsh, Genome Profiling LLC (GenPro in breve) e Nemours / Alfred I. duPont Hospital for Children.

 

I coautori dello studio includono Marsh; Robert Akins, il ricercatore principale del progetto, che dirige il Centro per la ricerca e lo sviluppo clinico pediatrico presso Nemours / Alfred I. duPont Hospital for Children ed è professore associato presso l’UD; Erin Crowgey, autore principale della carta e direttore associato di Bioinformatics a Nemours; Karyn Robinson, responsabile del laboratorio di Akins, e Stephanie Yeager, coordinatrice della ricerca di progetto, della Nemours Biomedical Research.

 

  • Ricerca di soluzioni che consentano un precoce intervento.

 

La paralisi cerebrale spastica (CP) è una condizione permanente caratterizzata da rigidità articolare, movimenti a scatti e costrizione muscolare che influenza il movimento e la postura e limita l’attività dei bambini che ne sono affetti. La CP è la disabilità fisica più comune che si manifesta nell’infanzia e il Centro per il controllo e la prevenzione delle malattie (CDC) stima che 1 su 323 bambini abbia la CP.

 

Nello studio, il team di ricerca ha analizzato campioni di sangue raccolti a caso tra adolescenti di età compresa tra 9 e 19 anni per valutare se i pazienti con chirurgia ortopedica con CP spastico mostrano differenze a livello cellulare rispetto ai pazienti ortopedici di routine (con operazioni al legamento crociato anteriore, allineamento della colonna vertebrale o altri interventi chirurgici) o no. I ricercatori hanno identificato un forte insieme di marcatori di metilazione, o modelli, che indicano differenze nel genoma tra i bambini con CP spastico e quelli senza.

 

Questi schemi di metilazione – trovati nei dati sul sequenziamento del DNA – hanno permesso agli scienziati di distinguere i gruppi di bambini che avevano CP spastico da quelli che non lo facevano. In un secondo studio, utilizzando campioni di un gruppo separato di età compresa tra 2 e 5 anni, i ricercatori sono stati in grado di convalidare i loro risultati e prevedere con una precisione del 73% se i campioni di sangue provenivano da bambini che avevano già CP.

 

“Le prove suggeriscono che esiste una connessione epigenetica o genetica”, ha detto Crowgey, un bioinformatico di Nemours Biomedical Research che ha conseguito il dottorato in bioinformatica e biologia dei sistemi nel 2016 ed è un membro affiliato della UD. “Se siamo in grado di svolgere un lavoro migliore di screening per questi bambini al momento della nascita, in attesa che venga diagnosticato il disturbo, diciamo, a due anni, potenzialmente saremo in grado di offrire precedenti terapie e avere risultati migliori e meno costi medici.”

 

I dati Medicaid mostrano che i costi medici annuali per un bambino con CP sono da 10 a 26 volte più alti di quelli senza CP, il che impone un onere elevato a pazienti, famiglie e società. Nel 2003, il CDC ha stimato che i costi della cura della vita per un individuo con paralisi cerebrale sono circa $ 1 milione, oltre ai normali costi di vita. Questo ammontare è stato pari a circa $ 1,3 milioni nel 2014 se aggiustato sull’inflazione.

 

  • Il potere della scienza dei dati, l’analisi e l’apprendimento automatico.

 

Lo studio UD / Nemours sfrutta un metodo statistico unico e una piattaforma software sviluppata da Marsh presso UD, e concessa in licenza da GenPro, per misurare i modelli di metilazione nel DNA (il codice genetico di una cellula) utilizzando i dati NGS (Next Generation Sequencing).

 

NGS è una tecnica moderna che consente agli scienziati di decodificare il DNA più velocemente e più a buon mercato delle tradizionali tecniche di sequenziamento del DNA. Il genoma di ogni persona, o set completo di DNA, è come una parola lunga 3 miliardi di caratteri; ma si scrive con solo le lettere A, T, C o G. Le tecniche tradizionali di sequenziamento del DNA decodificano sezioni di DNA 700 caratteri alla volta, mentre NGS sfrutta le capacità di calcolo parallelo per consentire agli scienziati di decodificare simultaneamente milioni di frammenti di DNA.

Secondo Marsh, nelle applicazioni per la salute umana che sta studiando, sottili cambiamenti nella salute fisica di un paziente sono paralleli a cambiamenti nella metilazione del DNA, rendendolo uno strumento utile per capire la malattia. “Molti dei segnali che stiamo rilevando si basano su cambiamenti del sistema immunitario, intendendo il modo in cui il sistema immunitario di una persona risponde a eventi di stress esterni “, ha detto Marsh, capo del dipartimento scientifico della GenPro e professore associato del College of Earth, Ocean and Environment della UD. “Siamo in grado di raccogliere quella risposta epigenetica, o segnale, che si trova nel sequenziamento genetico e usarlo per fornire un’altra linea di prova per i clinici da utilizzare nel prendere decisioni.” L’approccio utilizza sofisticate tecniche di apprendimento automatico e algoritmi per ordinare attraverso centinaia di gigabyte di dati NGS alla ricerca di questi distinti modelli di metilazione del DNA. “I dati sono enormi”, ha detto Crowgey. “Non è qualcosa che un umano può fare, hai bisogno di infrastrutture, apprendimento automatic, analisi dei dati e scienza dei dati.” È il tipo di ricerca e formazione che sarà possibile grazie al nuovo Data Science Institute di UD, che sarà guidato da Cathy Wu , che ha seguito gli studi dottorali di Crowgey alla UD. I risultati sono promettenti, ma i ricercatori dicono che sono necessari ulteriori test, mentre i risultati dello studio indicano che esiste un segnale coerente presente nelle cellule circolanti dei bambini con CP spastico che rimane dalla prima infanzia all’adolescenza, i ricercatori dicono che sono necessari ulteriori studi su campioni di diverse fasce d’età, tra cui adolescenti, bambini e neonati dalla nascita ai due anni. Una migliore comprensione di questi segnali di metilazione potrebbe anche fornire ai ricercatori nuovi indizi per comprendere i processi cellulari coinvolti nell’avanzamento del CP e, di conseguenza, nuove terapie per gestire la malattia. “Siamo ancora nelle prime fasi, ma i risultati sono estremamente promettenti . ” Sono eccitato per la sensibilità del test che stiamo vedendo nella nostra analisi retrospettiva “, ha detto Crowgey. In caso di successo, i ricercatori dicono che anche l’analisi del sangue può essere utile per altri disturbi, inclusa la leucemia infantile. “Questo esame del sangue potrebbe essere un punto di svolta”, ha detto il dottor Wade Shrader, che guida il centro per paralisi cerebrale a Nemours / Alfred I. Ospedale duPont per bambini. “Prima avviene la diagnosi, prima possiamo dirigere terapie al bambino. In particolare, terapia fisica ad alta intensità e probabilmente un intervento chirurgico precoce per prevenire problemi più significativi in ​​futuro e, auspicabilmente, migliorare la funzionalità complessiva e la qualità della vita. “Questa ricerca è finanziata in parte dal Delaware Bioscience Center for Advance Technology, dalla National Science Foundation, dall’American Academy for Cerebral Palsy e dal Developmental Medicine and Nemours.

 

  • La nascita di una startup biotecnologica

Marsh attribuisce al suo background unico in biologia computazionale, scienze marine e accademico aiutandolo la capacità di affrontare problemi di salute umana in un modo non convenzionale.

In Antartide, Marsh stava cercando di capire come le forze ambientali hanno alterato epigeneticamente i modelli di metilazione del DNA nei vermi invertebrati. In particolare, stava studiando come lo stress da basse temperature e bassa disponibilità di cibo stimolasse i cambiamenti chimici a livello cellulare per aiutare le cellule a sopravvivere, e come questi cambiamenti fossero passati alle generazioni future. Al momento, le tecniche disponibili per fare questo lavoro erano costose e incentrato sui sistemi di modelli umani, così Marsh ha sviluppato il suo metodo e la sua piattaforma per misurare i modelli di metilazione del DNA usando i dati NGS. Una volta che la piattaforma funzionava, Marsh si rese conto che poteva essere applicato a qualsiasi organismo, compreso il genoma umano. “I genomi sono genomi, ma avevo bisogno di più supporto finanziario per spingere ulteriormente lo strumento”, ha detto Marsh.

David Weir, allora direttore dell’UD’s Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), ha aiutato Marsh a proteggere la sua idea e lo ha presentato a Jeb Connor, la cui esperienza risiede nel nesso tra software e life sciences. Presto, Connor condusse Marsh con domande sulla tecnologia prima di organizzare incontri per lui per parlare con gli altri del progetto. Avanti veloce verso 100 e più presentazioni e la coppia iniziava a capire che stavano per raggiungere qualcosa di di valore.

 

Marsh e Connor hanno co-fondato la società di biotech startup GenPro nel 2011 e sono stati commercializzati nel 2014. Oggi GenPro ha un team principale di cinque professionisti e la piattaforma software GenPro fornisce un metodo veloce, economico e più accurato per misurare i modelli di metilazione del DNA rispetto a tecniche tradizionali.

 

Marsh ha definito l’OEIP un’incredibile risorsa che lo ha aiutato a “mantenere i contatti giusti nella comunità imprenditoriale e spingere oltre le sue idee” più di quanto potesse fare da solo. E ce n’erano anche altri, da Connor che ha aiutato Marsh a sviluppare la sua piattaforma di analisi in un prodotto con un solido piano aziendale, ai sistemi sanitari e agli altri partner che il team GenPro ha sviluppato lungo la strada.

 

“Sono stato colpito dall’ecosistema del Delaware”, ha detto Marsh. “Non eravamo solo noi di GenPro con un’idea, avevamo l’aiuto di UD, agenzie e altre aziende. Dalle piccole cose come le persone che erano disposte a darci un feedback sulla nostra idea, pal ricercare i finanziamenti attraverso il Delaware Bioscience Center for Advanced Technology per fare il sequenziamento genetico. ”

 

Lo scorso autunno, GenPro e i ricercatori del Christiana Care Health System hanno annunciato un promettente nuovo test del sangue che potrebbe migliorare la capacità di rilevare il cancro al seno se usato in concomitanza con il monitoraggio di routine, come la mammografia.

 

Il test sfrutta l’analisi GenPro per identificare i biomarcatori epigenetici che possono essere utilizzati per rilevare sottili cambiamenti nella risposta immunitaria nelle donne con differenti stadi del cancro al seno. Il lavoro è un progetto collaborativo con l’immunologa Christiana Care Jennifer Sims-Mourtada, direttore della ricerca traslazionale sul cancro al seno presso il Centro per il cancro e Istituto di ricerca Helen R. Graham. Il team ha completato il suo primo studio pilota nel 2016 e ha raccolto fondi da varie fonti per sostenere il lavoro preclinico in corso.

 

In altri lavori, i ricercatori della GenPro stanno conducendo studi pilota con l’Endometriosis Institute di Chicago per esplorare uno screening diagnostico precoce per l’endometriosi, una condizione che si ritiene colpisca circa una donna su 10 in età riproduttiva.

 

GenPro è stata nominata tra i primi 10 fornitori di soluzioni per la scoperta e lo sviluppo di farmaci dalla rivista Pharma Tech Outlook nel 2017.

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