Un gruppo di studiosi dell‘Università HSE, Skoltech, MPGU e MISIS ha dato vita, in un recente studio, ad un sensore ibrido nanofotonico-microfluidico con l’obiettivo di diagnosticare il cancro, monitorarlo e la valutare la risposta ai trattamenti terapeutici. Si tratta di un dispositivo è in grado di identificare gas e liquidi disciolti a basse concentrazioni con un alto grado di precisione.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Optics Letters.
Sensore ibrido per la diagnosi delle neoplasie: ecco come funziona
Secondo l’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità), nel 2020 le diagnosi a livello globale di cancro è stato stimato intorno ai 19,3 milioni di nuovi casi e 10 milioni di decessi. Gli esperti dell’OMS ritengono che circa il 30% dei nuovi casi potrebbe essere prevenuto, e circa la stessa percentuale potrebbe essere curata, con una diagnosi precoce.
Per quanto riguarda il “lab-on-a-chip”, si tratta di un sensore ibrido in miniatura in grado di eseguire complesse analisi biochimiche che sono considerate uno degli approcci più promettenti per la diagnosi precoce del cancro. I ricercatori russi hanno sviluppato un nuovo sensore ibrido nanofotonico-microfluidico per l’analisi altamente sensibile di liquidi e gas a concentrazioni molto basse nelle soluzioni.
Secondo Gregory Goltsman, Professore HSE MIEM: “Lo studio è un passo importante verso la creazione di un dispositivo compatto lab-on-a-chip in grado non solo di eseguire un’intera serie di esami del sangue, ma di rilevare i biomarcatori del cancro in una fase iniziale utilizzando un piccola quantità di sangue del paziente. Idealmente, miriamo a creare un piccolo dispositivo portatile che necessita solo di una goccia di sangue. Premendo un pulsante, il medico vedrebbe i risultati, ad esempio, che i parametri sono normali o che ulteriori test sono richiesti“.
L’attuale sensore ibrido è costituito da sensori ottici nanofotonici su un chip in combinazione con canali microfluidici sopra la superficie del sensore stesso. I fluidi oi gas pompati attraverso i canali influiscono sulla propagazione della radiazione ottica nei dispositivi nanofotonici altamente sensibili, modificando le caratteristiche spettrali dell’uscita. Esaminando questi cambiamenti, gli scienziati possono determinare la composizione del campione in esame.
Una caratteristica distintiva del sensore ibrido è la piccola dimensione dei canali microfluidici che forniscono i campioni ai sensori. Questo permette di ottenere risultati anche da campioni molto piccoli, cosa che può essere critica quando l’analisi in loco non è fattibile e i campioni devono essere trasportati altrove per l’esame.
Il sangue umano contiene alcuni componenti che possono essere preziosi per la diagnosi preliminare di malattie oncologiche. Tali componenti includono vescicole extracellulari (esosomi). Gli esosomi sono vescicole microscopiche rilasciate nello spazio intercellulare da cellule di organi e tessuti.
L’attuale dispositivo è costituito da sensori ottici nanofotonici su un chip in combinazione con canali microfluidici sopra la superficie del sensore. I fluidi oi gas pompati attraverso i canali influiscono sulla propagazione della radiazione ottica nei dispositivi nanofotonici altamente sensibili, modificando le caratteristiche spettrali dell’uscita. Esaminando questi cambiamenti, i ricercatori possono determinare la composizione del campione.
Una caratteristica distintiva del sensore ibrido è la piccola dimensione dei canali microfluidici che forniscono i campioni ai sensori. Questo permette di ottenere risultati anche da campioni molto piccoli, cosa che può essere critica quando l’analisi in loco non è fattibile e i campioni devono essere trasportati altrove per l’esame.
Il sangue umano contiene alcuni componenti che possono essere preziosi per la diagnosi preliminare di malattie oncologiche. Tali componenti includono vescicole extracellulari (esosomi). Gli esosomi sono vescicole microscopiche rilasciate nello spazio intercellulare da cellule di organi e tessuti.
“Le cellule comunicano tra loro utilizzando vescicole extracellulari, come gli esosomi, per inviare messaggi“, ha dichiarato Dmitry Gorin, Professore allo Skolkovo Institute of Science and Technology: “Tuttavia, alcuni fattori – interni (predisposizione genetica) o esterni (ambientali, come le radiazioni) – possono interrompere il normale funzionamento di una cellula, inducendola a inviare messaggi sbagliati, portando a una divisione cellulare incontrollata e alla crescita del tumore”.
In una fase iniziale del cancro, le concentrazioni ematiche di esosomi tendono ad aumentare per raggiungere valori analiticamente significativi, segnalando la presenza di cancro, quindi questo rende gli esosomi un biomarcatore potenzialmente utile in oncologia. Il team di ricerca prevede di perfezionare ulteriormente il proprio sensore ibrido in modo che possa essere utilizzato per questo metodo di rilevamento del cancro.
Finora il sensore ibrido è stato testato non su campioni di sangue ma su soluzioni acquose di alcol isopropilico in 20 diverse concentrazioni, dallo 0,08% al 72% in peso. Poiché l’alcol è altamente solubile in acqua, è stato possibile utilizzare concentrazioni molto basse. Ad esempio, il sensore ha rilevato l’isopropanolo in una soluzione contenente 12 molecole di alcol per un milione di molecole d’acqua.
Ad oggi, il sensore ibrido può analizzare solo soluzioni a due componenti, ma i ricercatori che lo hanno sviluppato hanno l’obiettivo di renderlo adatto per analiti multicomponente coprendo recettori speciali (aptameri, anticorpi, DARPin e peptidi) sulla superficie del sensore utilizzando canali microfluidici.
“Oggi, l’attrezzatura sperimentale necessaria per il funzionamento del dispositivo è piuttosto ingombrante. La configurazione include una pompa peristaltica, un laser sintonizzabile, un fotorilevatore, un chip e un PC per l’elaborazione dei dati“, ha spiegato lun autore della ricerca Aleksei Kuzin, laureato in HSE e attuale dottorando presso Skoltech: “In futuro, speriamo di produrre un dispositivo compatto e portatile per test rapidi che riduca i tempi e i costi della diagnosi del cancro, del monitoraggio e della valutazione della risposta al trattamento”.
