La diagnosi precoce dei tumori potrebbe compiere un salto di qualità grazie a un dispositivo ottico che sfrutta principi della fisica quantistica, nanotecnologie del DNA e biotecnologie avanzate. Un team di ricerca della Shenzhen University in Cina, guidato da Han Zhang, ha sviluppato un sensore in grado di rilevare biomarcatori tumorali nel sangue a concentrazioni estremamente basse, fino al livello sub-attomolare, ovvero meno di un milionesimo di miliardesimo di mole per litro. Si tratta di una sensibilità che supera di diversi ordini di grandezza quella degli strumenti diagnostici convenzionali, aprendo la possibilità di identificare la presenza di cellule cancerose attraverso un semplice prelievo ematico, ben prima che una massa tumorale diventi visibile con tecniche di imaging tradizionali come la tomografia computerizzata.
Il sistema rappresenta un'innovazione metodologica significativa perché elimina la necessità di amplificazione chimica, una fase laboriosa e costosa che caratterizza la maggior parte dei test attuali per i biomarcatori. I biomarcatori – proteine, frammenti di DNA, microRNA e altre molecole – circolano nel sangue e possono segnalare la presenza di un tumore, il suo stadio di progressione o il rischio di svilupparlo. Tuttavia, nelle fasi iniziali della malattia, queste molecole esistono in concentrazioni infinitesimali, rendendo il loro rilevamento una sfida tecnica considerevole. La strategia proposta dai ricercatori cinesi aggira questo ostacolo attraverso un approccio ottico diretto basato sulla generazione di seconda armonica (SHG), un fenomeno ottico non lineare in cui la luce incidente viene convertita in luce con lunghezza d'onda dimezzata.
L'architettura del dispositivo rappresenta un esempio di convergenza multidisciplinare. La piattaforma di rilevamento utilizza come substrato un semiconduttore bidimensionale, il disolfuro di molibdeno (MoS₂), sulla cui superficie si verifica la generazione di seconda armonica. Per posizionare con precisione nanometrica i componenti del sensore, il team ha costruito tetraedri di DNA, strutture tridimensionali a forma di piramide assemblate interamente con filamenti di acido desossiribonucleico. Queste nanostrutture fungono da impalcatura programmabile, mantenendo i quantum dot – nanocristalli semiconduttori con proprietà ottiche uniche – a distanze controllate dalla superficie del MoS₂. I quantum dot intensificano il campo ottico locale e amplificano il segnale SHG senza ricorrere a reagenti chimici.
L'elemento di riconoscimento molecolare è fornito dalla tecnologia CRISPR-Cas12a, il sistema di editing genetico che negli ultimi anni ha rivoluzionato la biologia molecolare. In questa applicazione diagnostica, la proteina Cas12a viene programmata per riconoscere sequenze specifiche di biomarcatori. Quando Cas12a identifica il suo bersaglio molecolare, attiva un'attività endonucleasica che taglia i filamenti di DNA che ancorano i quantum dot alla struttura tetraedrica. Questo evento provoca il distacco dei quantum dot e una conseguente diminuzione misurabile del segnale SHG. Poiché la generazione di seconda armonica produce un rumore di fondo estremamente basso, il sistema può rilevare variazioni di segnale anche quando sono presenti solo poche molecole del biomarcatore target.
Per validare le prestazioni del dispositivo in condizioni realistiche, i ricercatori hanno focalizzato l'attenzione su miR-21, un microRNA che funge da biomarcatore per il tumore polmonare. Dopo aver verificato la capacità del sensore di rilevare miR-21 in soluzioni tampone controllate, il team ha condotto test utilizzando siero umano proveniente da pazienti affetti da carcinoma polmonare, simulando così le condizioni di un vero esame del sangue. I risultati, pubblicati sulla rivista Optica dell'Optica Publishing Group, hanno dimostrato che il dispositivo funziona efficacemente anche in matrici biologiche complesse, mantenendo un'elevata specificità: il sensore ha ignorato filamenti di RNA simili per struttura, riconoscendo esclusivamente la sequenza target associata al tumore polmonare.
Le implicazioni cliniche di questa tecnologia potrebbero essere notevoli. Secondo Zhang, questo metodo potrebbe consentire screening ematici semplici per il tumore polmonare prima che un tumore diventi visibile con una TAC, anticipando di settimane o mesi la finestra diagnostica attuale. Inoltre, la possibilità di monitorare i livelli di biomarcatori con frequenza quotidiana o settimanale permetterebbe ai medici di valutare l'efficacia dei farmaci in tempo reale, personalizzando rapidamente i protocolli terapeutici senza attendere mesi per i risultati delle tecniche di imaging. Questo approccio si inserisce nel paradigma emergente della medicina di precisione, in cui le decisioni terapeutiche vengono ottimizzate sulla base di dati molecolari individuali piuttosto che su protocolli standardizzati.
La natura programmabile della piattaforma rappresenta un ulteriore punto di forza. Modificando la sequenza di riconoscimento della proteina Cas12a, il sistema potrebbe essere adattato per identificare virus, batteri, tossine ambientali o biomarcatori associati ad altre patologie, incluse malattie neurodegenerative come l'Alzheimer. Questa versatilità nasce dall'approccio innovativo con cui il team ha concepito le nanostrutture di DNA: invece di considerare il DNA solamente come una sostanza biologica, lo utilizziamo come blocchi di costruzione programmabili, ha spiegato Zhang, permettendoci di assemblare i componenti del sensore con precisione nanometrica.
Il prossimo obiettivo del gruppo di ricerca è la miniaturizzazione dell'apparato ottico. Gli scienziati stanno lavorando allo sviluppo di una versione portatile del dispositivo che possa essere utilizzata al letto del paziente, in cliniche ambulatoriali o in aree remote con risorse mediche limitate. Se questa fase di sviluppo avrà successo, la tecnologia potrebbe contribuire a ridurre significativamente i costi sanitari complessivi, rendendo la diagnosi precoce accessibile anche in contesti con infrastrutture mediche meno avanzate. Tuttavia, prima dell'implementazione clinica, saranno necessari studi di validazione su larga scala per verificare sensibilità, specificità e riproducibilità del metodo su coorti ampie e diversificate di pazienti, nonché per ottenere le necessarie approvazioni regolatorie.
