Secondo l’ultimo report dell’International Federation for the Surgery of Obesity and Metabolic Disorders (IFSO), nel 2023 sono state eseguite nel mondo oltre 500mila procedure di chirurgia bariatrica e metabolica. Un numero ancora molto inferiore rispetto alla platea dei potenziali candidati. Sono, infatti, oltre un miliardo le persone con obesità nel mondo, di cui quasi 160 milioni di bambini e adolescenti e circa 880 milioni di adulti.

In questo contesto, un gruppo di bioingegneria guidato da Chiara Giulia Fontanella ed Emanuele Luigi Carniel, professori associati del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII) dell’Università di Padova, ha sviluppato B-APP. Si tratta di una piattaforma che utilizza modelli digitali dello stomaco per supportare la pianificazione degli interventi chirurgici, simulando il comportamento dell’organo e prevedendo gli effetti dell’operazione prima ancora che venga eseguita sul paziente.

L’anno scorso il progetto si è classificato al secondo posto alla Start Cup Padova 2025, la competizione promossa dall’ateneo patavino per valorizzare progetti innovativi ad alto potenziale di trasferimento tecnologico. Ora l’obiettivo è diventare uno spin-off universitario entro la fine quest’anno.

Le attività del gruppo si inseriscono nel contesto del Centro interdipartimentale di ricerca di Meccanica dei materiali biologici (CMBM).

Dietro l’iniziativa c’è un team interamente italiano composto da Ilaria Toniolo (ricercatrice al DII e amministratrice delegata di B-APP), Alice Berardo (DII) e Gianluca Mazzucco e Beatrice Pomaro (professori associati al Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale).

L’epidemia silenziosa del nostro secolo

A limitare l’accesso alla chirurgia bariatrica contribuiscono, al pari di altre malattie, fattori come la disomogeneità geografica. Secondo l’ultima Indagine conoscitiva della Società italiana di chirurgia bariatrica (SICOB) gli interventi si concentrano in poche regioni: in Lombardia se ne eseguono più di 6.900, seguono Campania (3.809) ed Emilia-Romagna (3.467), a fronte di aree del Paese dove i volumi si fermano a poche decine o poche centinaia di procedure all’anno.

A questo si aggiungono la scarsa consapevolezza della malattia e il persistente stigma che ancora accompagna l’obesità.

Ma le cose stanno cambiando. L’Italia è, infatti, il primo Paese al mondo ad aver riconosciuto l’obesità come malattia cronica (ne abbiamo parlato qui) e il Servizio sanitario nazionale eroga l’intervento in regime di totale gratuità. Infatti, su oltre 26 mila procedure eseguite ogni anno, appena 600 vengono effettuate in strutture private, pari a circa il 2% del totale.

Ma come si può rendere la chirurgia bariatrica sempre più accessibile e, magari, anche più personalizzata?

La risposta arriva dalla bioingegneria o, meglio, dalla medicina “in silico”.

Cos’è la medicina in silico

«Oggi, quando si sviluppa un nuovo dispositivo medico, una procedura chirurgica o diagnostica, si passa attraverso sperimentazione in vitro, sperimentazione su modello animale e studi clinici – spiega Carniel -. Questo approccio comporta costi economici elevati, tempi lunghi e questioni etiche importanti».

Attraverso la combinazione di modelli computazionali, gemelli digitali, realtà virtuale e intelligenza artificiale, la bioingegneria permette di simulare l’effetto di un intervento prima che venga eseguito e studiare l’interazione tra dispositivi medici e tessuti biologici. In altre parole, si può prevedere l’impatto del trattamento su morfologia e funzionalità di un organo.

«L’idea – spiega Fontanella – è applicare metodi ingegneristici a problemi medici per fornire informazioni quantitative che possano aiutare i clinici nelle decisioni terapeutiche. Gli ambiti di applicazione sono molto vasti: si va dalla chirurgia bariatrica alla progettazione di dispositivi biomedicali, fino allo studio di organi e apparati».

Lo scopo è quello di affiancare le metodologie tradizionali e ottimizzare efficacia, tempi e costi, riducendo, in alcuni casi, anche la necessità di sperimentazione animale.

«Siamo partiti dallo studio dell’interazione tra impianti dentali e tessuto osseo – precisa Carniel -. Poi siamo passati alla biomeccanica dell’arto inferiore, con particolare attenzione a problematiche come il piede diabetico e il piede piatto, fino ad arrivare allo studio delle vie urinarie inferiori, alle patologie della motilità esofagea e alla colonscopia minimamente invasiva».

L’idea alla base di tutto: il gemello digitale (o digital twin)

Tutti questi ambiti di applicazione della bioingegneria sono possibili grazie alla tecnologia dei gemelli digitali. «Si tratta di copie virtuali di strutture biologiche che ne riproducono il comportamento. Ricevono degli input e restituiscono una risposta il più possibile simile a quella dell’organismo reale. Nel caso di B-APP – racconta Carniel – il modello riceve in ingresso lo stimolo legato al pasto assunto dal paziente e dovrebbe restituire in uscita il senso di sazietà generato da quel pasto».

L’obiettivo è creare una sorta di duplicato dell’intero percorso che va dall’ingestione del cibo alla percezione della sazietà, includendo segnali nervosi, stimoli meccanici e chimici. Inoltre, vengono effettuati anche test psicologici per analizzare gli aspetti cognitivo-comportamentali.

Due gli ingredienti fondamentali. «Il primo è la geometria, che otteniamo da bioimmagini – prosegue Fontanella -. Questo ci consente di sapere com’è fatto l’organo che vogliamo studiare. Il secondo riguarda le proprietà meccaniche del tessuto: dobbiamo sapere come si comporta quando viene deformato e in generale sottoposto a forze».

Per ottenere queste informazioni il team utilizza dati sperimentali raccolti da tessuti biologici. In pratica, si selezionano campioni provenienti da modelli animali oppure da tessuti umani ottenuti durante interventi chirurgici, e poi si analizzano in seguito ad approvazione del comitato etico.

B-APP: pianificare l’intervento prima di entrare in sala operatoria

«Nel corso degli anni abbiamo raccolto un’enorme quantità di immagini cliniche grazie a collaborazioni con l’Azienda Ospedaliera dell’Università di Padova, l’Institute of Image-Guided Surgery di Strasburgo (Francia) e la Clinique Michel Gagner di Montreal (Canada)» racconta Ilaria Toniolo, che ha creduto fortemente allo sviluppo di B-APP sin dai tempi della tesi di laurea. «A un certo punto ci siamo chiesti: perché non trasformare questi modelli molto complessi in qualcosa di più rapido e utilizzabile dal chirurgo?».

Così è nato B-APP. Un software innovativo che integra digital twin, realtà aumentata e intelligenza artificiale, progettato per affiancare il personale medico nella pianificazione dell’intervento, in particolare della gastroplastica verticale endoscopica (GVE), procedura chirurgica che riduce le dimensioni dello stomaco favorendo la perdita di peso.

«Abbiamo deciso di utilizzare Unity, il software impiegato per sviluppare videogiochi, perché le simulazioni biomeccaniche tradizionali hanno tempi computazionali elevati e competenze specialistiche. La sfida più grande è stata mantenere l’affidabilità scientifica dei modelli in un ambiente più intuitivo e accessibile nella pratica clinica».

Primo step: un metodo non invasivo per misurare la lunghezza dell’intestino

«I chirurghi ci hanno chiesto se fosse possibile sviluppare un metodo non invasivo per stimare la lunghezza dell’intestino tenue, che varia notevolmente da paziente a paziente, prima dell’intervento. In molti casi la quantità di intestino da rimuovere può avere conseguenze molto diverse a seconda della lunghezza totale disponibile».

Il progetto in questione, che prende il nome di SBOM-AI, combina metodiche di imaging avanzato e intelligenza artificiale, consentendo di stimare la lunghezza dell’intestino tenue a partire da caratteristiche come volume intestinale, altezza e indice di massa corporea.

«La misurazione non sempre viene eseguita oppure viene effettuata direttamente in sala operatoria – racconta Fontanella -. Per superare questo limite, abbiamo analizzato circa cento pazienti attraverso TAC e risonanze magnetiche, individuando le caratteristiche maggiormente correlate alla lunghezza dell’intestino».

L’obiettivo non è ottenere una misura perfetta, ma fornire al chirurgo una stima sufficientemente affidabile per pianificare l’intervento.

Progettare uno sfintere per migliorare la prognosi nel lungo termine

Un altro lavoro che ha visto protagonista il team riguarda la progettazione di sfinteri artificiali per il trattamento dell’incontinenza urinaria, rafforzata dalla collaborazione con Relief, spin-off della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa.

Circa il 95% degli uomini che soffrono di incontinenza urinaria, racconta Carniel, viene trattato con uno sfintere artificiale. Tuttavia, in circa il 40% dei casi è necessario un nuovo intervento chirurgico a causa del malfunzionamento dei dispositivi o agli effetti collaterali sui tessuti biologici.

«Abbiamo sviluppato modelli capaci di simulare il comportamento dell’uretra e del dispositivo, con l’obiettivo di ridurre la compressione dei tessuti e le complicanze che ne derivano».

Un gemello digitale dell’asse intestino-cervello

Sempre in collaborazione con la Scuola Superiore Sant’Anna, il team ha lavorato anche allo sviluppo di un piccolo robot destinato alla colonscopia minimamente invasiva. Si tratta di una sorta di “ragnetto” dotato di telecamera, progettato per muoversi autonomamente all’interno del colon.

Ma uno dei progetti più ambiziosi del gruppo riguarda la costruzione di un gemello digitale dell’asse intestino-cervello.

«Vogliamo comprendere come gli stimoli generati nel tratto gastrointestinale vengano trasformati in segnali nervosi e ormonali capaci di influenzare il cervello e il comportamento alimentare», spiega Carniel.

Le sfide da affrontare

Modelli di questo tipo, secondo il team dell’ateneo di Padova, potrebbero aiutare in futuro a sviluppare strategie più efficaci contro obesità e sindrome metabolica. Eppure, nonostante i progressi, la strada verso l’adozione clinica è ancora lunga.

«La sfida non è soltanto tecnologica. Spesso è difficile comunicare e far comprendere le enormi potenzialità di questi strumenti. Bisogna costruire un dialogo sempre più stretto tra ingegneri e medici e dimostrare sul campo l’utilità di questi strumenti» chiarisce Fontanella.

Ma la direzione è ormai tracciata. «Il nostro obiettivo – conclude Carniel – è offrire al personale medico uno strumento in più per prevedere in anticipo l’effetto di un trattamento, di un intervento o di un dispositivo su uno specifico paziente. Se riusciremo a costruire modelli sempre più accurati e personalizzati, potremo ridurre gli errori, ottimizzare le terapie e migliorare la qualità delle cure».