«Volevo fare l’astronauta. Oggi aiuto gli astronauti a prepararsi per Marte»

Quello che abbiamo fatto è utilizzare dati retrospettivi che abbiamo raccolto in 15 anni di studi di bed rest. Si tratta di studi in cui i soggetti rimangono allettati in una posizione inclinata a -6° gradi (a testa in giù) rispetto all’orizzontale. Questa condizione simula alcuni dei cambiamenti che avvengono in assenza di gravità, in particolare dal punto di vista cardiovascolare, ma anche muscolare, a causa dell’inattività prolungata.

Dal punto di vista cardiovascolare, la posizione provoca uno spostamento dei liquidi verso la parte superiore del corpo, proprio come avviene nello spazio. Il cuore lavora meno perché non deve contrastare la gravità per portare il sangue al cervello e, nel tempo, il sistema cardiovascolare perde parte della sua capacità di adattarsi agli sforzi.

Questo può rappresentare un problema per gli astronauti. Durante una lunga permanenza sulla Stazione Spaziale Internazionale normalmente non vengono richiesti grandi sforzi fisici, ma esistono situazioni in cui il corpo deve essere pronto a reagire rapidamente: una passeggiata spaziale, un’emergenza oppure, in prospettiva futura, l’arrivo sulla Luna o su Marte.

Quando oggi un astronauta rientra sulla Terra, trova sempre una squadra pronta ad assisterlo. In futuro, durante missioni lunari o marziane, questo supporto immediato non ci sarà, mentre l’astronauta sarà comunque sottoposto a gravità di 1/6 e 1/3 rispetto a quella terrestre, e dovrà essere pienamente operativo. Per questo è fondamentale monitorare il livello di fitness dell’astronauta durante il volo spaziale.

Esatto. Il VO₂ max rappresenta la misura della quantità massima di ossigeno che il corpo riesce a utilizzare in un minuto durante uno sforzo intenso. Questo parametro misura l'efficienza con cui cuore, polmoni e muscoli lavorano insieme durante uno sforzo prolungato, rappresentando quindi un indicatore molto importante della performance aerobica e della salute cardiovascolare.
Sulla Terra viene misurato attraverso test da sforzo eseguiti su tapis roulant o cyclette in laboratorio, monitorando contemporaneamente l’attività cardiaca e l’analisi dei gas respiratori. Sulla Stazione Spaziale, però, eseguire questi test è più complicato. Richiede tempo, competenze, strumentazione dedicata e materiali di consumo che devono essere trasportati in orbita. Considerando che ogni chilogrammo di materiale inviato nello spazio ha costi molto elevati, non è possibile effettuare queste misurazioni frequentemente.

Esattamente. Grazie al sostegno della Agenzia Spaziale Italiana, in quindici anni abbiamo partecipato a numerose campagne sperimentali di diversa durata (da 5 a 60 giorni di bed rest) e raccolto dati su quasi centocinquanta soggetti. Per tutti i partecipanti abbiamo registrato un Holter ECG di 24 ore in diversi momenti dello studio: basale (prima dell’allettamento) e prima di terminare il bed rest. Inoltre, ciascun soggetto ha eseguito il test VO₂ max sia prima che a conclusione del bed rest. Abbiamo quindi utilizzato questi dati per addestrare un algoritmo di intelligenza artificiale. L’obiettivo era capire se, analizzando dei parametri estraibili dall’ Holter ECG, e le loro variazioni tra basale e fine bed rest fosse possibile predire di quanto fosse diminuita la capacità aerobica del soggetto rispetto al suo valore basale dopo il periodo di allettamento.
 

Abbiamo scoperto che è possibile ottenere una predizione sufficientemente accurata della diminuzione di VO₂ max utilizzando esclusivamente tali parametri derivati dall’ECG, senza quindi la necessità di essere sottoposti materialmente al test da sforzo. L’algoritmo è costituito da un modello di machine learning basato su parametri interpretabili dal punto di vista fisiologico, legati alla  variabilità della frequenza cardiaca, parametri circadiani e altre caratteristiche morfologiche del segnale ECG. I risultati ottenuti mostrano che il sistema è in grado di identificare con grande precisione quei soggetti che non hanno subito un peggioramento del proprio VO₂ max, e per i quali svolgere il test costituirebbe un significativo dispendio di tempo e risorse. Tra i parametri dell’ECG che influenzano maggiormente le previsioni del modello c’è l’onda T.

L’onda T dell’ECG rappresenta la fase in cui, dopo la contrazione e relativa espulsione del sangue, i ventricoli si rilassano per prepararsi al battito successivo: meccanicamente i ventricoli tornano a riempirsi, mentre elettricamente le loro cellule cardiache recuperano la capacità di essere nuovamente contratte. Il nostro studio ha mostrato che alcune caratteristiche dell’onda T sono correlate a una diminuzione del VO₂ max, confermando osservazioni già presenti in letteratura. 

Le applicazioni per le persone allettate sono probabilmente le più immediate. Il bed rest è da tempo considerato un modello di invecchiamento accelerato. Anche una sola settimana di allettamento può avere effetti importanti sull’organismo, soprattutto nelle persone anziane. Si osservano una rapida perdita di tono muscolare, alterazioni della funzionalità cardiovascolare e, in alcuni casi, effetti legati anche alla salute dell’apparato scheletrico. Spesso questi aspetti passano in secondo piano perché il paziente si trova in ospedale per un problema più grave. Tuttavia, quando una persona resta a letto per periodi prolungati, sarebbe utile monitorare quanto stia perdendo in termini di performance cardiovascolare, così da mettere in atto opportune contromisure (per esempio esercizi mirati da compiersi in posizione orizzontale) per evitare ulteriori rischi nella ripresa delle proprie attività, una volta tornato in piedi. Un sistema cardiovascolare decondizionato può infatti aumentare il rischio di mancamenti, svenimenti e cadute, soprattutto nelle persone anziane. Queste cadute possono a loro volta determinare nuove ospedalizzazioni e ulteriori complicazioni.

Sì, ma l’algoritmo non sostituisce il test VO₂ max: come detto, serve come strumento di screening per identificare chi necessita di valutazioni più approfondite. Se non si predicono segnali di peggioramento cardiovascolare, si può evitare esami complessi e dispendiosi; in caso contrario, suggerisce ulteriori accertamenti. Questo approccio può essere particolarmente utile nelle missioni spaziali, dove consentirebbe di monitorare più frequentemente la condizione fisica degli astronauti e di ottimizzare i protocolli di esercizio a cui sono sottoposti come contromisura.

Attualmente sulla Stazione Spaziale Internazionale gli strumenti principali per la valutazione cardiovascolare sono l’Holter ECG e gli ultrasuoni. L’ecografo rappresenta infatti l’unico vero strumento di imaging disponibile a bordo. Parallelamente, stiamo lavorando per testare l’utilizzo nello spazio di dispositivi wearable sempre più compatti e meno invasivi, in grado di misurare contemporaneamente l’attività elettro-meccanica del cuore.
Infatti, le ricerche più recenti stanno valutando l’impiego di sensori miniaturizzati che combinano una singola derivazione ECG con la sismocardiografia, una tecnica che misura le microvibrazioni generate dal cuore durante il battito e fornisce informazioni meccaniche complementari a quelle elettriche. L’obiettivo è verificare se l’integrazione di questi dati possa migliorare la capacità predittiva dei modelli e, allo stesso tempo, ridurre drasticamente i tempi di acquisizione, passando dalle attuali registrazioni di 24 ore a pochi minuti o addirittura secondi, rendendo il sistema più adatto all’uso clinico quotidiano.

Il laboratorio che dirigo si chiama D-Hygea Lab: la D sta per Digital, mentre Hygea (o Igea in italiano), fa riferimento alla figlia di Asclepio nella mitologia greca, la dea della salute e dell’igiene, in un contesto di prevenzione. È un nome che riflette bene il filo conduttore delle nostre attività, rivolte allo sviluppo di soluzioni digitali per la prevenzione. Oggi il gruppo comprende un assistant professor, tre postdoc e sette dottorandi tra Bioingegneria e Data Analytics and Decision Science (DADS). Ci occupiamo di temi molto diversi, ma sempre con una forte attenzione alla prevenzione. Nel caso delle ricerche spaziali parliamo di prevenzione dei rischi per la salute degli astronauti. In altri progetti studiamo invece l’impatto dei cambiamenti climatici sulla salute pubblica, in particolare gli effetti delle ondate di calore e dell’inquinamento sulla popolazione lombarda. 

Abbiamo in corso, in collaborazione con l’IRCCS Istituto Auxologico Italiano, uno studio clinico randomizzato su 200 pazienti ipertesi, con l’obiettivo di migliorare l’aderenza terapeutica attraverso una piattaforma digitale che abbiamo sviluppato ad hoc. Il sistema consente al medico di gestire la terapia da remoto e invia al paziente promemoria e contenuti personalizzati in base al suo profilo, per aumentare l’engagement. I  primi risultati indicano una maggiore aderenza alle cure rispetto ai percorsi tradizionali ed una riduzione della pressione arteriosa nel gruppo che utilizza questa soluzione.

Supportiamo le aziende nelle attività di sorveglianza post-commercializzazione dei dispositivi medici. Abbiamo sviluppato una piattaforma che raccoglie e integra in un database strutturato tutte le segnalazioni di malfunzionamento pubblicate in database nazionali e internazionali scollegati tra loro, facilitandone così l’analisi e dando valore a queste informazioni aggregate.

Questo consente ai produttori di confrontare le prestazioni dei propri dispositivi con quelle di prodotti analoghi presenti sul mercato e di individuare più rapidamente eventuali criticità. Oltre a supportare le attività regolatorie, lavoriamo anche sulla vigilanza predittiva, studiando quali caratteristiche dei dispositivi medici possano essere associate ad un rischio maggiore di specifici problemi o malfunzionamenti.

La soddisfazione più grande è vedere crescere il gruppo di ricerca. Ho la fortuna di lavorare con giovani estremamente preparati e motivati. Sono loro il vero motore di tutte queste attività. La sfida più difficile, invece, è constatare che molti di questi talenti spesso devono cercare opportunità all’estero. Nel corso degli anni ho visto passare molte persone brillanti che, a un certo punto, hanno scelto percorsi diversi o si sono trasferite altrove. È comprensibile, ma dispiace sempre, soprattutto quando si tratta di ricercatori di grande valore.

Direi sicuramente di puntare su un dottorato di ricerca. Oggi il dottorato è riconosciuto e apprezzato molto più di quanto accadesse quando l’ho fatto io, nel lontano 2000… Anche le aziende ne comprendono sempre più il valore e lo considerano una competenza distintiva. Ma soprattutto direi di seguire i propri sogni. È il messaggio che cerco sempre di trasmettere ai miei collaboratori e studenti: provate a inseguire ciò che vi appassiona davvero. Non sempre si riesce a realizzare esattamente quello che si immagina, ma spesso si trovano percorsi che permettono comunque di ottenere grandi soddisfazioni.

Sì, mi sono laureato in ingegneria elettronica, e poi ho conseguito il dottorato in Bioingegneria. Successivamente ho proseguito con il post-dottorato, anche con un periodo all’estero alla University of Chicago. Nel 2002 mi sono qualificato come uno dei tre finalisti nella selezione per un astronauta italiano. Alla fine nessuno dei tre venne arruolato, anche a causa del disastro dello Shuttle Columbia nel 2003 e del seguente stop ai voli spaziali, ma completammo tutto il percorso di valutazione psico-fisica e ottenemmo l’abilitazione al volo spaziale per missioni di lunga durata. Col senno di poi posso dire di essere stato fortunato perché sono riuscito a rimanere nel mondo accademico e, grazie alle opportunità che si sono presentate, a entrare come bioingegnere nel mondo della ricerca spaziale associata alla fisiologia umana. In qualche modo il sogno è rimasto vivo. Ho partecipato a numerose campagne di voli parabolici, sperimentando personalmente la microgravità: se si sommano tutte le parabole effettuate, ho trascorso oltre cinque ore complessive in assenza di peso, venti secondi alla volta. Naturalmente la ricerca segue anche la disponibilità dei finanziamenti. Negli ultimi anni gran parte delle opportunità si è concentrata sugli studi di bed rest, che peraltro permettono di affrontare molte delle problematiche reali che dovremo risolvere per missioni lunari e marziane. I voli parabolici sono molto utili per verificare rapidamente il funzionamento di strumenti e protocolli, ma 20 secondi di microgravità non consentono di studiare gli effetti a lungo termine sull’organismo.

Attualmente stiamo partecipando alla campagna SOLIS100 dell’Agenzia Spaziale Europea che prevede cento giorni di isolamento. Sei volontari vivono all’interno di una struttura progettata per replicare alcune condizioni tipiche di una futura base lunare, presso il DLR, l’Agenzia Spaziale Tedesca, a Colonia. In questo progetto stiamo integrando aspetti legati alla salute cardiovascolare con aspetti di salute mentale. È una direzione verso cui il nostro laboratorio sta investendo molto. Quando si parla di missioni di lunga durata, infatti, lo stress non è soltanto fisico o cardiovascolare: esiste anche una componente psicologica molto importante.

Esatto. Non si tratta di un esperimento di allettamento. Vivono normalmente all’interno della struttura, condividendo spazi, attività e routine quotidiane. Entrano in gioco dinamiche relazionali, gestione dello stress, noia, organizzazione del lavoro e convivenza. Un vero esperimento scientifico pensato per simulare alcune delle condizioni che potrebbero verificarsi durante una futura missione spaziale. 
I sei volontari — tre uomini e tre donne, tutti intorno ai trent’anni — sono entrati nella struttura il 28 aprile e ne usciranno il 7 agosto. Quando ne stiamo parlando hanno superato il quarantaduesimo giorno di isolamento, quindi siamo più o meno a metà dell’esperimento.

Sì. L’Agenzia Spaziale Europea ha selezionato il nostro studio tra quelli ritenuti scientificamente più interessanti da integrare nella campagna. Abbiamo inoltre partecipato a un bando dell’Agenzia Spaziale Italiana per sostenere economicamente questa attività di ricerca. Quindi i volontari svolgono direttamente i nostri esperimenti. Applicano autonomamente i sensori e raccolgono i dati previsti dal protocollo. Naturalmente il nostro non è l’unico studio presente: nel corso della giornata devono partecipare a numerose attività sperimentali. Diciamo che ogni giorno hanno qualcosa da fare, non hanno molto tempo per annoiarsi, come noi ricercatori al Politecnico di Milano...