Biotecnologie Innovative nell’Immunologia Dei Tumori

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Published 07/07/2025 - Edited 15/07/2025

Citometria ad alta dimensionalità

La citometria ad alta dimensionalità è una categoria di tecniche citometriche avanzate di analisi cellulare che permette la caratterizzazione molto dettagliata di ogni singola cellula immunitaria grazie alla capacità di analizzare decine marcatori contemporaneamente. Questi parametri possono includere proteine di superficie, proteine intracellulari e loro isoforme. Le cellule vengono marcate con anticorpi specifici, ognuno legato a un segnale rilevabile, quali fluorocromi o isotopi metallici, che permettono di analizzare, a livello di singola cellula, la presenza e la quantità di molteplici marcatori fenotipici e funzionali, offrendo una visione dettagliata del sistema immunitario e delle sue interazioni con il microambiente tumorale.

Grazie a queste tecnologie, è possibile identificare sottopopolazioni immunitarie rare, studiare stati di attivazione o esaurimento delle cellule T, caratterizzare cellule mieloidi soppressive e monitorare la risposta ai trattamenti immunoterapici.

Tuttavia, l’elevata complessità tecnica e analitica richiede standard rigorosi di qualità, dalla preparazione dei campioni all'acquisizione e analisi dei dati.

Per questo motivo, il nostro gruppo non si occupa solo dell'applicazione di queste tecnologie, ma anche della validazione e armonizzazione dei protocolli sperimentali e analitici, per garantire riproducibilità, affidabilità e confronto tra studi diversi. Ciò è essenziale per ottenere risultati significativi e trasferibili, soprattutto in ambito traslazionale e clinico.

PROGETTI

metto in elenco qui il riferimento ai progetti con il fondo rosa?

Tumor-Immune System-on Chip

La tecnologia Immune System_Tumor- -on-Chip è una piattaforma innovativa che consente di ricostruire in vitro il microambiente tumorale in 3D, simulando in modo realistico le interazioni dinamiche tra tumore esistema immunitario. Questa tecnologia riproduce fedelmente le condizioni fisiologiche tridimensionali dei tessuti umani, permettendo lo studio dei meccanismi immunitari e tumorali in un contesto altamente controllato.. Si basa su dispositivi microfluidici in cui cellule tumorali e immunitarie vengono co-coltivate in strutture 3D, con la possibilità di modulare parametri chiave come il flusso di fluidi, l’ossigenazione e la distribuzione di nutrienti e i segnali chimici.

Gli Immune System_Tumor-on-Chip, migliorando la patofisiologia dei modelli rispetto alle colture 2D tradizionali,, permette di osservare in tempo reale processi dinamici fondamentali, come l’infiltrazione delle cellule immunitarie nel tumore, la loro attivazione, l’interazione con cellule stromali e tumorali, e i meccanismi di evasione immunitaria. Questi processi vengono analizzati e quantificati mediante tecniche di imaging avanzato integrate con algoritmi matematici e modelli computazionali. È così possibile misurare parametri chiave come la velocità di migrazione cellulare, i percorsi di movimento, nonché la durata e frequenza delle interazioni tra cellule immunitarie e tumorali. La tecnologia Immune System_Tumor-on-Chip si configura pertanto come un potente strumento per indagare la risposta immunitaria antitumorale e valutare l’efficacia di nuove strategie terapeutiche, con un’attenzione particolare alle immunoterapie e al loro impiego nell’ambito della medicina personalizzata.

Armonizzazione dei saggi di citofluorimetria multiparametrica applicata allo studio dell’assetto immunitario periferico

Il progetto “Armonizzazione dei saggi di citofluorimetria multiparametrica applicata allo studio dell’assetto immunitario periferico” ha preso il via diversi anni fa sulla spinta di un finanziamento della Regione Lazio e mira a sviluppare una metodologia standardizzata per l’analisi del sistema immunitario attraverso la citofluorimetria a flusso. L’obiettivo è ottimizzare e uniformare i protocolli per migliorare la comparabilità dei risultati tra laboratori, consentendo un’interpretazione accurata delle variazioni nelle popolazioni cellulari immunitarie nei pazienti affetti da malattie infiammatorie, autoimmuni e oncologiche. Attraverso un confronto tra il tradizionale gating manuale e l’analisi basata su algoritmi di intelligenza artificiale, il progetto si propone di definire parametri affidabili per valutare l’assetto immunitario, identificando biomarcatori periferici che riflettano lo stato di progressione della malattia e la risposta alle terapie, contribuendo così all’innovazione nel monitoraggio clinico e nella ricerca traslazionale.

Finanziamento:

Regione Lazio - Lazio Innova

Resposnsabili scientifici:

Iole Macchia - Primo Ricercatore (OMM)
Francesca Urbani - Ricercatore (OMM)

Collaboratori ISS:

Valentina La Sorsa - Primo Ricercatore (CORI)
Valentina Tirelli - Ricercatore (FAST)
Luca Pasquini - Ricercatore (FAST)

Building solutions for healthcare: Organs-on-chip for onco-immunology. Immune_System-on-chip Laboratory. (ISy-on-Chip Lab)

Le tecnologie Organ-on-Chip rappresentano un approccio all’avanguardia per migliorare la ricerca preclinica e la valutazione di terapie farmacologiche i, grazie alla capacità di replicare con precisione la fisiopatologia umana. In particolare, i modelli Immune_System-on-Chip costituiscono uno strumento potente per simulare le risposte immunitarie in condizioni patologiche.

In questo contesto è stato creato il Laboratorio Immune_System-on-Chip (ISy-on-Chip Lab), dedicato allo sviluppo di modelli 3D innovativi e biomimetici in grado di riprodurre i principali processi immunitari coinvolti in tumori, infezioni e altre patologie. Queste piattaforme permettono la ricostruzione in vitro delle interazioni tra sistema immunitario e tessuti in condizioni fisiopatologiche rilevanti, supportando la valutazione di terapie sia convenzionali che sperimentali, come la chemioterapia e l’immunoterapia.

All’interno del Rome Technopole, l’ISy-on-Chip Lab mette a disposizione competenze, tecnologie e infrastrutture per accelerare lo sviluppo e la sperimentazione di farmaci, contribuendo alla crescita della medicina personalizzata nei settori accademico, della ricerca e dell’industria.

Il laboratorio riunisce tre partner strategici:

ISS, che fornisce competenze scientifiche avanzate sulla risposta immunitaria e infrastrutture biologiche all’avanguardia, tra cui laboratori BSL2/BSL3, sistemi di imaging (confocale, fluorescenza, time-lapse) e strumenti per l’allestimento e l’analisi di esperimenti con modelli Immune_System-on-Chip.
CNR, che offre competenze tecnologiche avanzate per la fabbricazione di chip e lo sviluppo di sistemi microfluidici, elementi essenziali per la riproduzione on-Chip della complessità fisiopatologica umana.
Sapienza Università di Roma, che contribuisce con conoscenze specialistiche nella dinamica dei fluidi e nella modellazione computazionale delle interazioni tra componenti biologiche, fisiche e meccaniche.

Finanziamento

PNRR - MISSION 4 – COMPONENT 2 - INVESTMENT 1.5 - CODE ECS00000024 - CUP: I83C22001000005 - “ROME TECHNOPOLE - Creation and strengthening of “Innovation Ecosystems” - construction of territorial R&D leaders – Sub-project: Building solutions for healthcare:Organs-on-chip for onco-immunology.

Responsabile scientifico:

Lucia Gabriele - Primo Ricercatore (OMM)

Collaboratori ISS:

Stefania Parlato - Primo Ricercatore (OMM)
Fabrizio Mattei - Primo Ricercatore (OMM)
Schiavoni Giovanna - Primo Ricercatore (OMM)
Simona Donati - Ricercatore (OMM)

Collaboratori esterni

Luca Businaro, Annamaria Gerardino e Adele De Ninno, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Roma
Carlomassimo Casciola Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Sapienza Università di Roma

Organoidi Tumorali 3D

Gli organoidi tumorali 3D rappresentano un modello sperimentale avanzato per lo studio dell’interazione tra sistema immunitario e tumore, offrendo un’alternativa più fisiologicamente rilevante rispetto alle colture bidimensionali tradizionali. Si tratta di strutture tridimensionali auto-organizzate, derivate da cellule tumorali di pazienti, che ricapitolano in vitro molte delle caratteristiche istologiche e funzionali del tumore originario, inclusa l’eterogeneità cellulare, l’architettura tissutale e la presenza di componenti del microambiente tumorale.

Grazie a questi modelli, è possibile analizzare la risposta immunitaria antitumorale in modo più realistico, studiando, ad esempio, l’infiltrazione e l’attivazione delle cellule immunitarie, nonché i meccanismi di immunoevasione. Gli organoidi possono essere co-coltivati con cellule immunitarie autologhe (provenienti dallo stesso paziente), permettendo di osservare interazioni specifiche e personalizzate tra le cellule del tumore e il sistema immunitario.

Questa tecnologia è particolarmente utile per testare l’efficacia e la specificità di immunoterapie, come gli inibitori dei checkpoint immunologici, in un contesto che riflette più fedelmente le condizioni fisiologiche del tumore umano. Inoltre, gli organoidi 3D permettono lo studio della modulazione dell’immunità da parte di cellule stromali, fibroblasti, e citochine presenti nel microambiente tumorale.

PROGETTI:

Accelerating the development of innovative therapies for solid tumors by advanced preclinical evidence and 3D system

Modelli Preclinici Murini Xenograft

I modelli preclinici murini xenograft rappresentano uno strumento fondamentale per lo studio in vivo della risposta immunitaria antitumorale, in un contesto biologicamente complesso e fisiologicamente rilevante. Questi modelli si basano sull’impianto di cellule tumorali umane, spesso derivate da pazienti (PDX, patient-derived xenografts), in topi immunodeficienti, che possono essere successivamente ingegnerizzati con cellule immunitarie umane, ricreando così un sistema immuno-oncologico umano in un organismo vivente.

Questa tecnologia consente di osservare l'interazione tra tumore e sistema immunitario in condizioni dinamiche e sistemiche, inclusi la migrazione delle cellule immunitarie verso il tumore, la loro attivazione, l'efficacia delle terapie immunomodulanti e i meccanismi di resistenza. L’uso di cellule immunitarie autologhe o compatibili con il tumore impiantato permette di modellare risposte immunitarie personalizzate, fornendo una piattaforma altamente informativa per la valutazione preclinica di nuove terapie.

I modelli xenograft rappresentano inoltre una piattaforma indispensabile per testare l’efficacia, la sicurezza e la farmacocinetica delle immunoterapie emergenti, in una fase avanzata di validazione preclinica, prima dell’ingresso in studi clinici.

Algoritmi Di Machine Learning E Modelli Di Rete

Nel nostro contesto di ricerca, l’analisi dell’enorme quantità di dati generati dalle tecnologie avanzate richiede competenze computazionali specialistiche. Per questo, ci avvaliamo della collaborazione con esperti interni all’Istituto, tra cui il Centro di Calcolo del FAST e altri gruppi con competenze in bioinformatica e analisi dati, al fine di applicare e sviluppare algoritmi di machine learning e modelli di rete integrati ai nostri studi in immunologia dei tumori.

L’impiego di questi approcci è diventato fondamentale per affrontare e interpretare i dati complessi e ad alta dimensionalità generati da strumenti come la citometria multiparametrica, il Tumor-Immune System-on-Chip, gli organoidi 3D, i modelli preclinici murini e le tecnologie omiche (tra cui la RNA-seq, che analizza l’espressione genica su larga scala).

Gli algoritmi di machine learning — inclusi approcci supervisionati, non supervisionati e deep learning — permettono di identificare pattern nascosti, classificare sottotipi cellulari, predire risposte terapeutiche e modellare dinamiche immunitarie a partire da dataset eterogenei. Sono particolarmente efficaci nell’analisi di dati single-cell, trascrittomici e proteomici, consentendo di collegare caratteristiche molecolari e funzionali delle cellule immunitarie con i loro comportamenti nei diversi contesti tumorali.

Accanto al machine learning, i modelli di rete (network-based models) permettono di rappresentare e analizzare le relazioni tra geni, proteine, cellule e segnali molecolari, evidenziando nodi chiave e circuiti funzionali coinvolti nella regolazione della risposta immunitaria e nei meccanismi di evasione tumorale.

Questi approcci computazionali non solo supportano l’analisi dei dati sperimentali, ma guidano la progettazione di nuovi esperimenti, la generazione di modelli predittivi e lo sviluppo di strategie di medicina di precisione, sempre più mirate e personalizzate.

Collaboratori ISS