Mathematical and Computational Nuclear Oncology: Toward Optimized Radiopharmaceutical Therapy via Digital Twins

Marc Ryhiner, Yangmeihui Song, Babak Saboury, Gerhard Glatting, Arman Rahmim, Kuangyu Shi

Quantitative biology nov 2025.
https://doi.org/10.1016/j.cpet.2025.09.005

Questo studio presenta il concetto di “theranostic digital twin (TDT)” applicato alle “terapie radiometaboliche (RPTs)” come strumento per la medicina di precisione oncologica. Un TDT è una rappresentazione computazionale del paziente che integra dati anatomici, fisiologici, molecolari e dosimetrici per simulare la farmacocinetica e la farmacodinamica dei radiofarmaci, consentendo una personalizzazione ottimizzata dei protocolli terapeutici. La modellazione include due componenti principali: “Dosimetria personalizzata” basata su imaging multimodale (PET/CT, SPECT/CT), modelli PBPK e simulazioni Monte Carlo per quantificare la distribuzione spaziale e temporale della dose a scala d’organo, tessuto e cellula; “Modelli dose–risposta”, che impiegano approcci radiobiologici (es. modello lineare-quadratico esteso con il fattore di Lea-Catcheside, o modelli meccanicistici come MEDRAS) per prevedere la sopravvivenza cellulare tenendo conto dei processi di danno e riparazione del DNA, dell’ossigenazione tissutale e dell’interazione con il sistema immunitario. Il lavoro descrive inoltre l’uso dei TDT per valutare terapie combinate, come RPT con EBRT, associazioni alfa/beta-emittenti, o combinazioni con farmaci (PARP-inibitori, immunoterapie). I modelli permettono l’esplorazione quantitativa delle sinergie biologiche e la definizione di regimi terapeutici ottimizzati. Dal punto di vista computazionale, lo sviluppo dei TDT richiede modelli meccanicistici verificati, validati e dotati di quantificazione dell’incertezza, oltre a metodi AI per inferenze predittive. Permangono sfide rilevanti: standardizzazione dei dati, limiti delle tecnologie di imaging, complessità computazionale delle simulazioni multiscala, eterogeneità tumorale e vincoli regolatori ed etici. In prospettiva, i TDT potrebbero contribuire alla transizione verso un sistema di cura adattivo, in cui la pianificazione e la modulazione delle RPT siano guidate dai parametri biologici individuali, migliorando l’efficacia e riducendo la tossicità.