Una della sfide aperte in ambito medico è la veloce e precisa identificazione dei tumori. Al momento la diagnostica oncologica si avvale dell’analisi di biopsie ad opera degli anatomopatologi. Il campione viene preparato per l’osservazione al microscopio utilizzando mezzi di contrasto, ma la valutazione resta soggettiva, infatti una stessa biopsia analizzata da due operatori può portare a diagnosi differenti.
Attualmente molti progetti di ricerca sono in corso per trovare soluzione al problema, uno dei quali è il progetto VIBRA (Very fast Imaging by Broadband coherent RAman) proposto dall’ Ing. Dario Polli e dal suo team del Politecnico di Milano, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER) attraverso il programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione europea. Questo progetto, della durata di cinque anni, si è concluso di recente nell’ottobre 2020.
L’innovazione proposta da VIBRA è di combinare le informazioni molecolari più dettagliate derivate dallo spettro vibrazionale della molecola insieme alla massima velocità di acquisizione dei dati, attraverso la tecnica CRS (Coherent Raman Scattering) e l’impiego di un microscopio avanzato.
VIBRA, con questi strumenti a sua disposizione, apre le porte all’ “istopatologia virtuale” ossia alla valutazione intraoperatoria, in tempo reale e non invasiva della biopsia.
Il principio alla base del progetto:
Il team che ha lavorato al progetto è composto da ingegneri elettronici, ingegneri biomedici, chimici, fisici e biotecnologi che si sono dedicati allo studio della microscopia vibrazionale coerente o microscopia di Raman, dal nome del Nobel indiano che nel 1930 studiò per primo l’effetto della diffusione anelastica dei fotoni, conosciuto poi come effetto Raman, su cui l’intero progetto si fonda.
La microscopia di Raman è un metodo di imaging non invasivo e label free che permette di studiare le proprietà chimiche della materia sfruttando le vibrazioni molecolari mantenendo inalterato il campione oggetto di esame al termine dell’analisi.
Ogni molecola genera un determinato pattern vibrazionale in risposta ad una sollecitazione specifica, una sorta di impronta digitale che la definisce in maniera univoca. Lo spettro vibrazionale della molecola che si genera è lo specchio della sua struttura chimica: i legami chimici forti generano vibrazioni ad alte frequenze, mentre gli atomi pesanti generano vibrazioni a basse frequenze.
Per ottenere lo spettro vibrazionale dell’oggetto in esame si può utilizzare la tecnica dello scattering Raman “spontaneo” oppure dello scattering Raman “coerente” già citato e utilizzato nel progetto VIBRA.
Lo scattering Raman “spontaneo” usa su un fascio laser continuo e monocromatico a frequenza ωp (“pump”) che eccita le cellule colpite facendole passare ad uno stato “virtuale” per poi tornare al loro stato fondamentale. In questa ultima transizione avviene l’emissione di fotoni a una data frequenza ωS (“Stokes”). La differenza di frequenza Ω=ωp-ωS corrisponde alle vibrazioni molecolari. È una tecnica che richiede lunghi tempi di azione del laser, non compatibili con l’imaging in real time e inoltre permette l’analisi di un solo punto alla volta del tessuto.
Lo scattering Raman “coerente” riesce a superare questi ostacoli sfruttando due impulsi laser ultrabrevi e sincronizzati di cui uno policromatico, migliorando il segnale misurato di molti ordini di grandezza e guadagnando in velocità di esecuzione. Con la microscopia CRS si possono ottenere immagini di ampie zone di tessuto in tempi brevi (quasi alla velocità di un video) ma a discapito della qualità delle informazioni della struttura chimica.
Gli altri vantaggi dello scattering Raman “coerente” sono:
- L’elaborazione di immagini tridimensionali;
- minimizza i danni ai campioni biologici;
- rispetto alla microscopia a fluorescenza, non richiede il labeling del campione con marcatori fluorescenti.
La CRS comprende più tecniche, fra le più utilizzate ricordiamo la Coherent Antistokes Raman Scattering (CARS) e il Stimulated Raman Scattering (SRS).
La CARS rileva la radiazione coerente alla frequenza anti-Stokes (blue-shifted) ωaS = ωp + Ω mentre la tecnica SRS monitora l’emissione di energia di Stokes (chiamato Stimulad Raman Gain, SRG) da uno stato virtuale del campione allo stato vibratorio studiato (denominata Stimulated Raman Loss, SRL).
Dalla medicina alla biologia, le possibili applicazioni:
La generazione di impulsi di luce ultrabrevi attraverso tecniche laser di brevissima durata, di milionesimi di milionesimi di secondo, crea lo spettro vibrazionale proprio della molecola: quando la molecola è colpita dal laser, vibra emettendo un “suono” caratteristico e unico dalle frequenze miliardi di volte più acute dei suoni che può percepire l’udito umano.
Le applicazioni immaginabili per questa tecnologia sono molteplici e coprono diversi campi. Da un lato si potrebbe utilizzare il pattern vibrazionale di cellule sane come biomarker per distinguerle da un fenotipo alterato, rendendo possibile la localizzazione dell’area tumorale da rimuovere in sede d’intervento. Si possono altresì immaginare applicazioni in campo biologico, infatti sono già state create delle mappe dettagliate e tridimensionali di cellule, permettendo lo studio dei meccanismi alla base delle funzioni cellulari.
Grazie al lavoro di ricerca del Team VIBRA pensare di diagnosticare in modo sicuro, rapido e riproducibile un tumore in base alla sua natura alterata, sembra essere oggi molto più vicino alla sua realizzazione.
Se avete trovato il progetto interessante, al seguente link potete trovare l’intervento dell’ing. Polli, che ne ha spiegato i fondamenti in modo chiaro e semplice: https://www.youtube.com/watch?v=FEpd0qQWrZY
Fonti: