Nanosensore per la diagnosi iniziale dei tumori

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La rivista scientifica Nature ha pubblicato i risultati di una ricerca che riguarda un biosensore di ultima generazione basato su metamateriali nanostrutturati e chip microfluidici. Il progetto è stato svolto presso l’università americana di Case Western Reserve University a Cleveland in collaborazione con l’Istituto di Nanotecnologia (Cnr–Nanotec) di Rende. La ricerca nasce dall’esigenza clinica di individuare enzimi e proteine di bassissimo peso molecolare, che sono espressione di cellule tumorali circolanti e tessuti cancerosi.

Le attuali tecniche diagnostiche, a causa di alcune limitazioni fisiche, non permettono di individuare molecole a basso peso molecolare (< 1000 Daltons) ed a basse concentrazioni (< 10 micromolari). Pertanto nella maggior parte dei casi le attuali tecniche diagnostiche forniscono risultati ‘falsi negativi’ per pazienti effettivamente affetti da patologie tumorali.

La regola d’oro per prognosi favorevoli e per la cura del cancro, si basa sulla diagnosi precoce che potrebbe diventare ‘diagnosi iniziale’ se avessimo a disposizione sensori capaci di rivelare la presenza della singola molecola marcatrice in concentrazioni molari molto basse. 

Innovazione: Il gruppo di ricerca di Giuseppe Strangi (Case Western Reserve University - USA) in collaborazione con l’Istituto di Nanotecnologia Cnr–Nanotec di Rende (Antonio De Luca) hanno sviluppato un biosensore basato su metamateriali nanostrutturati capace di infrangere limiti diagnostici e rispondere alle esigenze cliniche di moltissimi centri di ricerca sul cancro nel mondo. In particolare, si tratta di una piattaforma per ‘biosensing’ realizzata mettendo a sistema metamateriali iperbolici che agiscono da chip fotonici interrogati da luce laser, e da canali microfluidici per guidare i fluidi biologici da testare sulla superficie del sensore. I metamateriali sono materiali artificiali le quali proprietà fisiche sono ottenute dall’organizzazione di strutture plasmoniche su scala nanometrica.

In maniera similare ai processi naturali, dove atomi e molecole vengono elegantemente assemblati per formare strutture con peculiari relazioni tra forma e funzione, i ricercatori hanno disegnato proprietà fisiche che vanno oltre quelle di materiali disponibili in natura, infrangendo barriere fisiche che per molto tempo sono state pensate come limiti insormontabili.

Nell’ultimo decennio, le nanotecnologie hanno offerto panorami scientifici e opportunità straordinarie capaci di rivoluzionare campi di assoluta rilevanza per l’umanità come la medicina e le sorgenti alternative di energia. Questa ricerca pubblicata su Nature –(http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4609.html) riporta i risultati di un progetto multidisciplinare per arrivare a disegnare e fabbricare nanosensori caratterizzati da estrema sensibilità, che eccede di diversi ordini di grandezza quella delle attuali tecnologie per la diagnostica medica.

In particolare, il sensore è stato testato con marcatori a bassissimo peso molecolare (circa 200 Da) in concentrazioni femto-molari (10-15 M), circa un milione di volte piu diluite delle attuali soglie diagnostiche. Gli studi mostrano come poche decine di molecole iniettate nel sensore possano essere rilevate singolarmente come spostamenti della lunghezza d’onda, circa 2 Ängstrom per molecola, nello spettro di riflessione. La sensibilità per la singola molecola è possibile grazie ad una risposta multimodale plasmonica della nanostruttura fotonica, la quale è estremamente sensibile a modificazioni dell’indice di rifrazione che avvengono sulla superficie del sensore.

Tale sensibilità è stata stimata essere di circa 30.000 nanometri per unita’ di indice di rifrazione (RIU), segnando la nuova frontiera della tecnologia dei sensori per la diagnostica medica ed ambientale.

Verso la diagnosi iniziale del cancro: Molto presto, la maggior parte delle cellule tumorali circolanti esprimono proteine di peso molecolare molto basso, inferiore a 500 Dalton. Queste proteine sono generalmente troppo piccole e in una concentrazione troppo bassa per essere rilevate con le tecniche diagnostiche attuali, ottenendo risultati falsi negativi.

La ricerca riporta che con questa piattaforma, sono state rilevate proteine marcatrici di 244 Dalton, che dovrebbe consentire ai medici di individuare i tumori in fase iniziale. Il nanosensore, che sta nel palmo di una mano, agisce come un setaccio biologico, isolando una piccola molecola proteica di peso inferiore a 800 trilionesimi di un nanogrammo da una soluzione estremamente diluita di poche decine di molecole per microlitro. Giuseppe Strangi e Nima Sharifi - Case Comprehensive Cancer Center (USA) - hanno iniziato a testare il sensore con proteine correlate a tumori della prostata e del pancreas.

Il rilevamento di proteine cancro-specifiche nel sangue apre una fondamentale breccia per il rilevamento dei tumori quando sono in una fase iniziale della malattia trasformando molte prognosi in favorevoli. I ricercatori sostengono che questa nuova tecnologia di rilevamento potrebbe aiutarli non solo a rilevare i tumori, ma a distinguere il sottoinsieme della patologia, comprendere ciò che guida la crescita e la diffusione delle cellule tumorali ed a cosa queste sono sensibili.

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