Diagnosticare le malattie con lo smartphone

15 Mar 2014

Gli smartphone sono in grado di darci indicazioni quando ci perdiamo, inviano foto e video ai nostri amici in pochi secondi, e ci aiutano anche a trovare il migliore ristorante nel raggio di 5 km.

Ma i ricercatori dell'Università di Houston stanno usando lo smartphone per un'altra funzione molto importante: diagnosticare le malattie in tempo reale.

Essi stanno sviluppando un sistema diagnostico delle malattie che genera risultati che potrebbero essere letti usando solo uno smartphone e una lente/obiettivo da 15 Euro abbinabili. Il sistema è un'invenzione di Jiming Bao, assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, e di Richard Willson, Professore «Huffington-Woestemeyer» di Ingegneria Chimica e Biomolecolare. E' stato creato grazie alle sovvenzioni del National Institutes of Health e dalla Fondazione Welch, ed è stato pubblicato nel numero di Febbraio in ACS Photonics.

Questo nuovo dispositivo, come in sostanza tutti gli strumenti diagnostici, si basa su interazioni chimiche specifiche che si formano tra qualcosa che causa una malattia (un virus o batteri, per esempio) e una molecola che si lega solo con quella cosa, come un anticorpo anti-malattia. Per esempio, il legame che si forma tra un batterio streptococco e un anticorpo che interagisce solo con lo streptococco, può supportare una diagnosi a prova di bomba. Il trucco è trovare un modo per rilevare queste interazioni chimiche in modo rapido, semplice ed economico.

La soluzione proposta da Bao e Willson comporta un semplice vetrino e un sottile strato di oro con migliaia di fori in esso. La creazione di questo vetrino è di per sé una conquista. Questo lavoro, guidato da Bao, inizia con un vetrino standard rivestito di un materiale fotosensibile noto come «fotoresist». Un laser poi crea una serie di frange di interferenza - fondamentalmente linee - sul vetrino, e dopo averlo ruotato di 90 gradi, ne crea un'altra serie. Le intersezioni di queste due serie di linee creano un modello a rete di esposizione agli UV sul fotoresist.

Il fotoresist viene poi sviluppato e lavato. Mentre la maggior parte del vetrino viene quindi eliminato, i punti circondati da linee laser che si intersecano (i "buchi" nella rete da pesca) restano coperti, formando di base delle colonne di fotoresist.
Successivamente, si espone il vetrino a dell'oro evaporato, che si attacca al fotoresist e alla superficie del vetro pulito circostante. Bao poi esegue una procedura chiamata «lift-off», che lava via essenzialmente le colonne del fotoresist e la pellicola d'oro attaccata.

Il risultato finale è un vetrino ricoperto da una pellicola di oro con file e colonne ordinate di fori trasparenti dove la luce può passare attraverso. Questi fori, che misurano circa 600 nanometri ciascuno, sono fondamentali per il sistema. Il dispositivo di Willson e Bao diagnostica una malattia bloccando la luce con un legame di anticorpo della malattia, oltre ad alcuni ingredienti aggiuntivi.

Qui è dove entra in gioco Willson, ingegnere biomolecolare di fama internazionale, che inizia mettendo gli anticorpi della malattia nei fori, dove sono indotti ad attaccarsi alla superficie del vetro. Successivamente, egli scorre un campione biologico sul vetrino. Se il campione contiene i batteri o i virus che cerca, si legherà con l'anticorpo nel foro. Questo legame da solo però, non blocca la luce. "La cosa che si lega all'anticorpo probabilmente non è abbastanza grande e grigia da scurire questo buco, quindi bisogna trovare un modo per scurirlo", ha detto Willson. Egli lo fa scorrendo una seconda serie di anticorpi che si legano con i batteri sul vetrino. Gli enzimi che producono particelle d'argento quando sono esposti ad alcune sostanze chimiche, restano attaccati a questi anticorpi.

Può essere rilevante perché:

Sono comuni a molti paesi industrializzati e, ancora di più, a quelli in via di sviluppo, i problemi a diagnosticare i casi di demenza e di Alzheimer.

L'insieme di meccanismi che portano all'Alzheimer, secondo molti studi, iniziano anni o decenni prima dell'insorgenza dei sintomi caratteristici della malattia.

Un sistema come quello prospettato da questo articolo, che si leghi alle sostanze chimiche associate allo sviluppo dell'Alzheimer, potrebbe permettere diagnosi più tempestive, e addirittura precedere l'insorgenza dei sintomi.

Con questa seconda serie di anticorpi, ora collegati a tutti i batteri nei fori, Willson espone l'intero sistema alle sostanze chimiche che favoriscono la produzione di argento. Circa 15 minuti più tardi egli sciacqua il vetrino. Grazie alle proprietà chimiche dell'oro, le particelle d'argento nei fori rimarranno in posizione, bloccando completamente la luce.

Qui è dove entra in gioco lo smartphone. Uno dei vantaggi di questo sistema è che i risultati possono essere letti con strumenti semplici. Un microscopio di base usato nelle aule delle scuole elementari, secondo Willson, fornisce abbastanza luce e ingrandimento per mostrare se i fori sono bloccati. Con qualche piccolo ritocco, una lettura simile potrebbe quasi certamente essere fatto con la fotocamera di un telefono cellulare, un flash e un obiettivo attaccabile. Questo sistema, quindi, promette delle letture accessibili e facili da interpretare. "Alcuni dei sistemi diagnostici più avanzati hanno bisogno di strumentazioni del valore di 200 mila dollari per leggere i risultati", ha detto Willson. "Con questo, è possibile aggiungere 15 Euro al telefono che già abbiamo ed il gioco è fatto".

Ci sono ancora grandi ostacoli tecnici da eliminare prima che il sistema possa essere implementato, dice Willson. Una delle maggiori sfide è trovare un modo di guidare i batteri e i virus del campione fino alla superficie del vetrino per garantire i risultati più accurati. Ma quando questi problemi saranno superati, il sistema sarebbe un ottimo strumento per gli operatori sanitari del settore.

Per esempio, nel sito di un incidente industriale, i fori su un singolo vetrino potrebbero essere popolati con molecole che si legano a 10 potenziali contaminanti, consentendo alla squadra di intervento di valutare rapidamente la situazione. Nelle aree economicamente svantaggiate, tale sistema potrebbe essere usato per selezionare, tra grandi gruppi di persone, quelli con problemi di salute diffusi e gravi, come il diabete.

"Ci sono molte situazioni in cui uno strumento diagnostico abbordabile e semplice da usare e da interpretare potrebbe essere molto utile", ha detto Willson. "Se sia i prodotti monouso che il lettore sono economici, diventa molto più facile estendere il sistema nel mondo reale".

Fonte: Toby Weber in University of Houston (> English text) - Traduzione di Franco Pellizzari.

Riferimenti: Yanan Wang, Archana Kar, Andrew Paterson, Katerina Kourentzi, Han Le, Paul Ruchhoeft, Richard Willson, Jiming Bao. Transmissive Nanohole Arrays for Massively-Parallel Optical Biosensing. ACS Photonics, 2014; 140212061815007 DOI: 10.1021/ph400111u

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