Costruiamo insieme un pianeta più intelligente
Evoluzione della ricerca
sulle malattie ereditarie
all’Istituto Ortopedico
Rizzoli.
L’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna è una struttura ospedaliera
di ricerca il cui Ambulatorio di Genetica Medica è specializzato in
malattie ereditarie rare dell’apparato scheletrico.
La sfida
L’Istituto era alla ricerca di strumenti più potenti per lo studio delle
basi genetiche delle malattie ossee ereditarie rare.
All’inizio di questo decennio, con il completamento della prima
mappa del genoma umano, ha avuto inizio una nuova era nella
ricerca biologica e molecolare, che promette di arrivare a
comprendere in modo molto più approfondito e dettagliato il
funzionamento dell’organismo umano. Il risultato diretto di questo
lavoro - una mappa dell’identità, dell’ubicazione e della funzione
degli oltre 20.000 geni che costituiscono il nostro genoma - pone
le basi per una serie completamente nuova di scoperte scientifiche.
Tra le più importanti, la possibilità di individuare la relazione
tra geni e patologie, con un impatto rivoluzionario su diagnosi
e trattamento. Un aspetto di questa prospettiva è l’utilizzo degli
esami genetici per identificare nei pazienti specifiche mutazioni
che indicano un più alto rischio di particolari malattie. Un altro
è la capacità di sviluppare protocolli di trattamento “mirati” per
ciascuno, basati sulla firma genetica della malattia.
La sfida più grande per ricercatori e clinici è l’estrema complessità
delle dinamiche sottostanti alle modalità in cui specifiche
mutazioni genetiche portano a specifiche malattie: alcuni disturbi
possono anche essere il risultato di molteplici tipi di mutazione,
dell’interazione di più geni, di un insieme di fattori genetici e
ambientali, o di una combinazione delle tre possibilità.
La soluzione
Oltre a presentare radici genetiche complesse, le malattie possono
distinguersi anche per fenotipo, ossia per il modo in cui manifestano
i loro sintomi o le loro caratteristiche esterne in specifici pazienti.
Per i ricercatori, la correlazione tra genotipo e fenotipo rappresenta
un’importante finestra sulle complesse interazioni che determinano
una malattia. Nello studio delle malattie ereditarie, si possono
potenzialmente ottenere risultati ancora più precisi analizzando
l’intersezione dei dati genotipici e fenotipici all’interno dell’intero
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albero genealogico (o “pedigree familiare”) di ciascun paziente. Per
verificare questa ipotesi, l’Istituto ha selezionato IBM per lo studio
di un prototipo di sistema di analisi.
Nota come “Piattaforma di analisi e visualizzazione del pedigree”,
la soluzione sviluppata in collaborazione con l’Haifa Research Lab
IBM riunisce i tre elementi fondamentali della ricerca sulle malattie
ereditarie (genotipo, fenotipo e storia medica della famiglia) in un
potente strumento di analisi integrata.
Se i ricercatori possono trarre molte informazioni sull’origine delle
malattie ereditarie risalendo l’albero genealogico, la granularità è la
chiave per giungere a nuove scoperte. Per ciascun membro (o nodo)
dell’albero genealogico, i dati genomici possono dire ai ricercatori
se la persona è portatrice di una particolare mutazione o di una
variazione della stessa (profilo genomico). Poiché la soluzione
consentirà loro di “sondare” ciascun nodo, i ricercatori potranno
anche vedere se e come la mutazione viene espressa fisicamente
(profilo fenotipico) sotto forma di immagini biomediche (come per
esempio una radiografia). Effettuando questo tipo di analisi per tutti
i nodi dell’albero genealogico di un paziente, sarà possibile rilevare
schemi ulteriormente verificabili ed esaminabili. Un potenziale
esito è una più precisa valutazione basata su evidenze del rischio di
acquisire la malattia per ciascun membro della famiglia.
Dati l’elevato numero di variabili e la complessità dei dati, il
compito di individuare gli schemi sottostanti più significativi
rappresenta una sfida intrinseca per i ricercatori. L’Istituto Rizzoli
e IBM hanno compreso che, se la sperimentazione e l’errore
sono parti naturali dell’analisi, l’applicazione della tecnologia
migliorerebbe in misura significativa la capacità di individuare una
schematicità nei dati. Per questo, IBM Research sta sviluppando uno
strumento che consentirà di classificare i pedigree da diversi punti
di vista, per meglio comprendere le correlazioni tra dati genotipici
e fenotipici. Oltre a semplificare il processo, i risultati ottenuti da
questa complementarietà di competenze forniranno una guida ai
medici dell’Istituto Rizzoli per offrire le opzioni terapeutiche più
efficaci.
La qualità caratterizzante dell’architettura della soluzione è
l’utilizzo di interfacce aperte come HL7 e DICOM per integrare
tutte le fonti di informazioni necessarie presenti all’interno
dell’ospedale. IBM Enterprise Content Manager, basato su
WebSphere Application Server, è il cuore della soluzione:
responsabile dell’accesso, dell’archiviazione e della gestione di tutte
le informazioni utilizzate nell’analisi del pedigree, inclusi i dati
degli esami di imaging recuperati da fonti come i sistemi PACS
dell’Istituto, nonché informazioni cliniche e genomiche provenienti
da ospedali e laboratori. L’autenticazione dell’utente viene
effettuata attraverso Tivoli Directory Server, mentre Tivoli Storage
Manager si occupa dell’archiviazione a lungo termine e della
gestione del ciclo di vita delle risorse di immagine. Basata sui server
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IBM System x, la soluzione è sviluppata nell’ambito del programma
IBM First-of-a-Kind (FOAK), in cui i ricercatori IBM mettono le
loro invenzioni a disposizione per risolvere sul campo problemi
aziendali e cogliere nuove opportunità di crescita.
L’Istituto Rizzoli ha riconosciuto la necessità di una soluzione che
potesse adattarsi ai cambiamenti del settore. Tra i requisiti più
importanti vi era la possibilità di scambiare dati clinici, di immagine
e genomici con altri istituti sanitari, in base all’idea per cui quanti
più sono i dati a disposizione tanto migliori saranno le deduzioni
che se ne deriveranno, con vantaggi per tutti gli enti coinvolti. Nel
caso dell’Istituto Rizzoli, l’elemento conduttore più immediato era
l’esigenza di raccogliere le informazioni mediche sui diversi membri
di una stessa famiglia distribuite nei database di più ospedali. Per
riuscirci, l’Istituto ha specificamente richiesto la compatibilità con
gli standard chiave per i dati sanitari, come HL7 (per la storia
familiare) e DICOM (per le immagini biomediche), e adeguati
profili IHE come PIX/PDQ (per l’uniformità interospedaliera
nell’identificazione dei pazienti). Ancora più importante, tuttavia,
era trovare un partner come IBM, che disponesse sia di un’elevata
conoscenza di questi standard e delle migliori pratiche di
architettura nel settore sanitario, che di una profonda esperienza
nell’implementarli all’interno degli enti di assistenza medica.
L’altra maggiore direttrice che ha influenzato il progetto è
stata la crescente diversità di strumenti, partner e altre fonti di
informazione, che si prevede diventerà sempre più significativa
nell’ecosistema informatico della sanità. L’Istituto Rizzoli ha capito
l’importanza di una soluzione ampliabile con facilità per includere
i nuovi elementi non appena divenissero disponibili, e flessibile nel
riutilizzare le componenti esistenti all’interno dell’azienda per lo
sviluppo di nuove capacità di analisi.
IBM ha perciò progettato un archivio di immagini biomediche
basato su SOA, che integra tutte le componenti fondamentali
attraverso un Enterprise Service Bus in cui possono essere collegati
in modo semplice ed economico nuovi servizi di analisi, fonti di
contenuti o altri partner.
I vantaggi
Il vantaggio potenziale più importante del nuovo approccio
dell’Istituto Rizzoli all’analisi del pedigree è il generale
miglioramento nella cura delle malattie ereditarie, reso possibile
da un grande passo avanti nella comprensione delle interazioni
genetiche che ne stanno alla base. Ciò aiuterà ad offrire ai pazienti
protocolli di trattamento più mirati ed efficaci, valutando al tempo
stesso con maggior precisione il rischio sottostante per ciascun
membro di una famiglia.
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Un ulteriore beneficio è la possibilità di ridurre il numero degli
esami e quindi i costi (grazie al maggior numero di elementi su
basare lo screening della malattia), oltre a una potenziale riduzione
degli errori da parte dei medici.
Per Luca Sangiorgi, direttore dell’Ambulatorio di Genetica Medica
del Rizzoli, la soluzione è un esempio dei nuovi strumenti applicati
dai ricercatori per la risoluzione di un enigma di vecchia data:
“La comprensione delle complesse radici delle malattie ereditarie
richiede un approccio completamente nuovo all’analisi del pedigree.
Grazie all’esperienza e alla tecnologia di IBM, ci poniamo nella
condizione di giungere a nuove intuizioni sul trattamento delle
malattie ereditarie.”
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December 2009
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This case study illustrates how one IBM customer uses IBM products. There is no
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