La malattia di Alzheimer potrebbe non essere spiegata soltanto dall’accumulo di proteine tossiche nel cervello. Un numero crescente di studi sta infatti mettendo in evidenza il ruolo della salute del sistema vascolare cerebrale, suggerendo che alterazioni nella circolazione sanguigna possano contribuire in modo determinante all’insorgenza e alla progressione della patologia. Riduzione del flusso ematico, danni ai piccoli vasi cerebrali e accumulo di amiloide beta – una delle proteine maggiormente associate all’Alzheimer – sembrerebbero essere coinvolti in un meccanismo di interazione reciproca, capace di alimentare un circolo vizioso che favorisce la neurodegenerazione.
Un nuovo modello matematico e computazionale
Da questa prospettiva nasce un nuovo modello matematico e computazionale sviluppato dai ricercatori del Laboratorio MOX del Dipartimento di Matematica del Politecnico di Milano. Lo strumento, definito modello “whole-brain”, punta a rappresentare per la prima volta in modo integrato, su scala dell’intero cervello, il rapporto tra la diffusione dell’amiloide beta e il funzionamento della rete vascolare cerebrale. L’obiettivo della ricerca è fornire una piattaforma in grado di simulare l’evoluzione nel tempo della malattia, mostrando come piccole alterazioni biologiche o vascolari possano amplificarsi fino a favorire processi neurodegenerativi. Lo studio che descrive il modello è stato pubblicato sulla rivista scientifica internazionale Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering.
Il sistema sviluppato dai ricercatori combina due livelli di analisi. Il primo riguarda la dinamica dell’amiloide beta: il modello descrive i processi di produzione, trasformazione, diffusione ed eliminazione delle forme normali e patologiche della proteina. Il secondo livello riguarda invece la circolazione sanguigna cerebrale, rappresentata attraverso una descrizione macroscopica della rete composta da arterie, capillari e vene. In questo approccio il tessuto cerebrale viene considerato come un mezzo poroso attraversato dai vasi, secondo un modello compartimentale.
L’integrazione delle due componenti permette di simulare il possibile meccanismo di rinforzo reciproco tra accumulo proteico e deterioramento vascolare: da un lato la presenza di amiloide beta può compromettere il funzionamento dei tessuti, dall’altro una circolazione inefficiente può ostacolare i meccanismi di eliminazione della proteina, favorendone l’accumulo.
I risultati dello studio
I risultati delle simulazioni mostrano un comportamento particolarmente significativo: il cervello potrebbe non seguire un’unica traiettoria verso la malattia, ma evolvere verso stati differenti in base alle condizioni iniziali. Piccoli accumuli localizzati di amiloide beta possono infatti essere smaltiti, permettendo al sistema di tornare a una condizione di equilibrio. Al contrario, quantità maggiori della proteina possono superare una soglia critica e innescare una diffusione progressiva e autosostenuta della patologia.
Il modello permette inoltre di analizzare il peso di eventi vascolari localizzati, come una riduzione del flusso sanguigno provocata da una lesione o da condizioni simili a quelle associate a un ictus. In questi casi, secondo le simulazioni, l’ipoperfusione — cioè un insufficiente apporto di sangue al tessuto cerebrale — potrebbe aumentare la vulnerabilità del cervello, trasformando livelli di amiloide beta normalmente controllabili in un possibile fattore di innesco per una progressione patologica più estesa.
La ricerca apre così una nuova prospettiva nello studio dell’Alzheimer, suggerendo che la malattia possa essere il risultato non solo di un problema di accumulo proteico, ma dell’interazione complessa tra neuroni, proteine e sistema vascolare. Un approccio che potrebbe contribuire in futuro allo sviluppo di strumenti più precisi per comprendere, prevedere e contrastare l’evoluzione della patologia.
“Questo lavoro nasce dalla collaborazione tra il Politecnico di Milano e le università di Stanford e di Oxford” spiega Mattia Corti, primo autore dello studio e postdoc presso il Laboratorio MOX, che svolge la sua ricerca con il progetto ERC Sinergy Grant “NEMESIS – NEw Generation MEthods for Numerical SImulationS”. “Integrando competenze in modellistica matematica e numerica, ingegneria meccanica e calcolo scientifico ad alte prestazioni, siamo riusciti a ottenere questi risultati, che rappresentano un primo passo verso la comprensione di come meccanismi noti alla scala microscopica possano avere un impatto globale nelle patologie cerebrali neurodegenerative“.
“Da qualche anno al Laboratorio MOX abbiamo avviato il progetto BraiNum, con l’obiettivo di sviluppare un modello matematico e computazionale che descriva il funzionamento fisiologico e patologico del cervello e del sistema nervoso centrale“, aggiunge Paola Antonietti, responsabile del Laboratorio MOX, principal investigator dei progetti BariNum e NEMESIS, e docente del Dipartimento di Matematica. “A tal fine, integriamo le potenzialità e la flessibilità della modellazione matematica, dell’analisi numerica e del calcolo scientifico ad alte prestazioni“.
Il lavoro si inserisce nel filone della cosiddetta “ipotesi vascolare” dell’Alzheimer, secondo cui un danno iniziale ai vasi sanguigni può favorire lo sviluppo o l’aggravamento dell’accumulo e diffusione della proteina beta amiloide, coinvolta nella malattia di Alzheimer. Il contributo del nuovo modello computazionale sviluppato non è quindi diagnostico o terapeutico in senso diretto, ma riguarda la possibilità di comprendere e studiare in modo controllato scenari difficili da osservare sperimentalmente, generando nuove ipotesi sui meccanismi che favoriscono l’insorgenza e la progressione della malattia.
Mettendo in relazione meccanismi biologici, geometrie cerebrali dettagliate ricostruite da immagini cliniche “patient-specific” e modelli computazionali avanzati e di nuova generazione, il modello apre la strada a simulazioni sempre più realistiche dell’evoluzione della neurodegenerazione. In prospettiva, strumenti di questo tipo potranno contribuire a individuare condizioni di rischio, a comprendere meglio il ruolo della componente vascolare nell’Alzheimer e a orientare nuove strategie di prevenzione e di intervento.