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IN DEPTH: rilevare la profondità di tumori cerebrali

Intervista a Ferruccio Pisanello e Massimo De Vittorio del Center for Biomolecular Nanotechnologies (CBN@UniLe) di IIT

Da ormai quasi un decennio il Centro per le nanotecnologie biomolecolari (CBN) dell’IIT a Lecce vede tra le sue attività principali lo sviluppo di sistemi in fibra ottica per studiare il cervello. Con il proof-of-concept IN DEPTH, la tecnologia sviluppata dai team di Ferruccio Pisanello – coordinatore della linea di ricerca “Multifunctional neural interfaces” e Massimo De Vittorio (coordinatore del CBN) viene perfezionata al fine di diventare uno strumento a supporto degli interventi di chirurgia cerebrale.

Il lavoro nasce nel 2012 dalla collaborazione tra il gruppo di Lecce e il team coordinato da Bernardo Sabatini alla Harvard Medical School a Boston. L’obiettivo era sviluppare dei sistemi ottici per portare e raccogliere luce nel cervello. IN DEPTH è un progetto che prende i risultati degli sviluppi tecnologici di base e cerca di portarli verso il mercato, tramite lo sviluppo di un dispositivo”. In particolare, lo scopo del progetto è quello di rilevare la profondità di tumori cerebrali attraverso metodologie ottiche accoppiate a metodologie di rilevamento del segnale elettrico dei neuroni nel cervello durante l’operazione chirurgica. “In sostanza – spiega Pisanello – si tratta di piccoli aghi di vetro con cui da un lato è possibile monitorare otticamente siti tumorali e capire quanto sono profondi (grazie anche all’introduzione di un colorante funzionale non tossico nel sito tumorale), dall’altro lato anche durante l’intervento c’è la possibilità di leggere quello che sta succedendo al segnale nervoso. Immaginiamo, quindi, di inserire questo aghetto in profondità e, mentre il chirurgo asporta la regione tumorale, controllare se ci siano o meno nelle vicinanze delle alterazioni cospicue del segnale elettrico. Questo serve per prendere decisioni opportune in tempo reale”.

Finora abbiamo parlato della tecnologia per monitorare l’attività neuronale. Ma ci sono tecniche di caratterizzazione ottica ed elettrica per verificare anche la riuscita del processo tecnologico e l’applicabilità e la validità dell’approccio. “Queste verifiche – spiega De Vittorio – vengono svolte inizialmente mediante dei test in campioni da laboratorio, che in qualche modo ci permettono di studiare il funzionamento del dispositivo; in seguito, una volta verificato il funzionamento della sonda, passiamo a dei test su modelli animale. Ci sono quindi delle attività che vanno dall’idea alla fabbricazione e prototipazione, alla verifica dei test e caratterizzazione, all’applicazione preclinica su modelli animale. Tutte queste fasi vengono condivise tra i gruppi di ricerca coinvolti nel progetto: c’è chi è più coinvolto nella fase di ideazione, chi invece nella fase di verifica, ecc. Si tratta, cioè, di un tema che sviluppiamo in modo molto integrato”.

Esistono tecnologie più datate sul fronte dell’utilizzo di sonde ottiche per il cervello. Ciò che si faceva prima della tecnologia che hanno proposto Pisanello e De Vittorio e che è stata brevettata e condivisa con la comunità scientifica, si fa ancora oggi ma con scarsa efficienza, perché richiede l’utilizzo di fibre ottiche tradizionali, che hanno due svantaggi principali: in primo luogo procurano danni importanti all’atto dell’inserimento; inoltre, dal punto di vista funzionale hanno un’efficacia molto più scarsa, perché leggono il segnale soltanto dalla posizione immediatamente sottostante alla fibra che viene inserita. Quindi, per riuscire a capire la profondità di una zona malata, con una fibra tradizionale dovremmo andare a inserirla molto in profondità, rischiando di creare danni. “Nel nostro caso, invece – spiega De Vittorio – la fibra ottica è sottile e ha una forma conica che le permette di raccogliere luce anche lateralmente. Si ha cioè un’estensione assiale, oltre a quella verticale. Questo ci consente di muovere il meno possibile la fibra e quindi di non lacerare il tessuto. Inoltre, sul lato conico della fibra abbiamo applicato degli elettrodi che consentono di leggere l’attività neuronale in ogni direzione, contestualmente all’utilizzo di segnali ottici”. Data una sonda classica, la parte di volume sottostante che essa riesce a monitorare è molto piccola; la fibra conica, invece, riesce a osservare un volume molto maggiore, riuscendo così a vedere più in profondità. Ma con quale tipo di luce operano queste sonde, per riuscire a osservare il tessuto cerebrale? “Di solito – spiega Pisanello – i coloranti utilizzati per l’osservazione del tessuto cerebrale vengono eccitati otticamente nella frequenza del blu e hanno un segnale di risposta di fluorescenza nel verde, ma la tecnologia che stiamo sviluppando opererà dal blu fino (quasi) all’infrarosso. In altre parole, la tecnologia di per sé funziona nell’intera gamma cromatica, ma l’applicazione specifica è stata portata avanti finora dai neuroscienziati nel visibile. Ciò non toglie che una buona parte della comunità scientifica stia cercando di spostare la finestra ottica verso il rosso e l’infrarosso, perché propagano con maggior facilità nel tessuto cerebrale”.
Benché siano stati fatti grandi passi in avanti, la strada è ancora lunga. Mentre prima il lavoro era incentrato solo sul controllo delle attività neuronali, adesso Pisanello e De Vittorio, coi rispettivi gruppi di ricerca, si stanno concentrando sul monitoraggio di patologie come i tumori o l’epilessia. L’obiettivo è infatti lavorare per aggiungere funzioni alla nuova fibra ottica, al fine di allargare lo spettro delle applicazioni nel cervello. Il passo successivo sarà invece riuscire ad applicare questa tecnologia non solo al tessuto cerebrale, ma anche ad altre parti del corpo. “In qualsiasi organo ci sia la possibilità di applicare coloranti – osserva De Vittorio – la fibra ottica è applicabile. Questo ci dice che sarà sicuramente possibile adattare la tecnologia ad altri organi. Ma ogni parte del corpo possiede proprietà meccaniche, ottiche ed elettriche diverse, perciò dovremo capire come calibrare la tecnologia di volta in volta. Inoltre, la fibra ottica utilizzata per il cervello – che ha una consistenza morbida e gelatinosa – è sottilissima. Se applicassimo la tecnologia ad altri organi, invece, la fibra ottica richiesta sarebbe probabilmente meno sottile e meno rigida”.

Pisanello e De Vittorio: un tempo discepolo e maestro, oggi due colleghi. Un esempio non solo di qualità della ricerca, ma anche di come questa possa e debba essere tramandata, evolvendo incessantemente nel tempo.

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