Un nuovo sistema di imaging molecolare potrebbe rivoluzionare la diagnosi precoce dei tumori, consentendo ai clinici di distinguere con precisione tessuti cancerosi da quelli sani in tempi significativamente ridotti rispetto alle metodologie tradizionali. La tecnologia, sviluppata presso l'Institute for Quantitative Health Science and Engineering della Michigan State University, si basa su una combinazione innovativa di spettroscopia Raman potenziata e rivelatori superconduttori ultrasensibili, aprendo prospettive concrete per lo spostamento di strumenti avanzati di imaging molecolare dai laboratori di ricerca agli ambienti clinici operativi.
Il cuore del sistema risiede nell'impiego di rivelatori superconduttori a nanofili per singoli fotoni (SNSPD, superconducting nanowire single-photon detector), capaci di identificare particelle individuali di luce con un'efficienza straordinaria. Questi dispositivi utilizzano fili superconduttori operanti a temperature criogeniche che registrano segnali ottici estremamente deboli mantenendo il rumore di fondo praticamente nullo. La sensibilità raggiunta dal prototipo supera di un fattore quattro quella dei sistemi commerciali comparabili, permettendo il rilevamento di concentrazioni di nanoparticelle nell'ordine del femtomolare, ovvero 10⁻¹⁵ moli per litro.
La metodologia si fonda sulla spettroscopia Raman con dispersione superficiale potenziata (SERS), una tecnica che mappa la composizione chimica di un campione attraverso le impronte uniche della luce diffusa dalle sue molecole. Le nanoparticelle SERS impiegate nel sistema sono ingegnerizzate per legarsi specificamente a marcatori tumorali: nel caso degli esperimenti pubblicati sulla rivista Optica, i ricercatori hanno rivestito le nanoparticelle con acido ialuronico, molecola che si lega selettivamente alla proteina di superficie CD44, abbondantemente espressa su molte cellule tumorali.
Come spiega Zhen Qiu, responsabile del gruppo di ricerca, "i metodi tradizionali per la diagnosi oncologica richiedono molto tempo e manodopera intensiva, poiché necessitano della colorazione di campioni tissutali e dell'analisi da parte di un patologo alla ricerca di anomalie". L'architettura sviluppata dal team combina un laser a sorgente spazzolata, che varia la propria lunghezza d'onda durante l'analisi, con il rivelatore SNSPD. Questa configurazione elimina la necessità di ingombranti camere CCD e raccoglie la luce in modo significativamente più efficiente, consentendo una miniaturizzazione del sistema che faciliterebbe la futura trasposizione clinica.
I risultati sperimentali, sottoposti a revisione paritaria, dimostrano prestazioni notevoli su campioni biologici di complessità crescente. Dopo la validazione iniziale con soluzioni pure di nanoparticelle, il sistema è stato testato su colture cellulari di carcinoma mammario, tumori murini e campioni di tessuto sano. In tutti i casi, i segnali SERS si sono concentrati selettivamente nelle regioni tumorali, confermando sia la sensibilità eccezionale del dispositivo sia la sua capacità di fornire un contrasto affidabile tra tessuto neoplastico e tessuto sano.
L'approccio presenta vantaggi sostanziali rispetto all'istopatologia convenzionale, pur non rappresentandone una sostituzione immediata. Il sistema potrebbe fungere da strumento di screening rapido per accelerare la diagnosi, consentendo ai medici di rilevare tumori in stadi più precoci, migliorare l'accuratezza dei prelievi bioptici e monitorare la progressione della malattia attraverso test meno invasivi. La possibilità di adattare il metodo a diversi tipi di cancro modificando o sostituendo la molecola di targeting sulle nanoparticle amplifica ulteriormente il potenziale applicativo della tecnologia.
Prima dell'implementazione clinica sono tuttavia necessari ulteriori sviluppi. Il team di ricerca sta lavorando per aumentare la velocità di lettura del sistema, esplorando sorgenti laser più rapide come i VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) e verificando se la riduzione dell'intervallo di scansione possa migliorare ulteriormente le prestazioni. Sono inoltre pianificati esperimenti di multiplexing che utilizzino nanoparticelle diverse per targetizzare simultaneamente biomarcatori multipli, un approccio che potrebbe fornire profili molecolari più completi dei tessuti esaminati. Gli studi di validazione dovranno essere estesi per consolidare l'affidabilità diagnostica in contesti clinici reali, incluse potenziali applicazioni intraoperatorie per guidare i chirurghi durante le procedure di asportazione tumorale.
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