Come i segnali fluorescenti potrebbero consentire impianti di sensori più profondi nel cervello

3 giugno 2022 Di Danielle Kirsh

[Immagine per gentile concessione del Massachusetts Institute of Technology]

I sensori fluorescenti vengono generalmente utilizzati per etichettare e visualizzare una varietà di molecole per dare uno sguardo unico all'interno delle cellule viventi. Tuttavia, il metodo è stato limitato alle cellule coltivate in una piastra da laboratorio o nei tessuti più vicini alla superficie del corpo perché il segnale proveniente dai sensori viene perso quando vengono impiantati troppo in profondità nel corpo.

La tecnica fotonica del team di ingegneri del MIT ha “migliorato drasticamente” il segnale fluorescente, secondo un comunicato stampa. I ricercatori hanno dimostrato che i sensori potrebbero essere impiantati fino a 5,5 cm di profondità nel tessuto e fornire comunque un segnale forte. Una migliore segnalazione potrebbe aiutare i sensori fluorescenti a tracciare molecole specifiche all’interno del cervello o di altri tessuti nelle profondità del corpo per la diagnosi medica o il monitoraggio degli effetti dei farmaci.

"Se si dispone di un sensore fluorescente in grado di sondare informazioni biochimiche in colture cellulari o in strati di tessuto sottili, questa tecnologia consente di tradurre tutti quei coloranti e sonde fluorescenti in tessuti spessi", ha affermato l'autore principale dello studio Volodymyr Koman.

Tradizionalmente, gli scienziati utilizzano diversi tipi di sensori fluorescenti, inclusi punti quantici, nanotubi di carbonio e proteine ​​fluorescenti, per etichettare le molecole all’interno delle cellule. La fluorescenza dei sensori può essere vista puntando su di essi una luce laser. Tuttavia, il metodo non funziona in tessuti spessi e densi o in tessuti profondi perché il tessuto emette una luce fluorescente chiamata autofluorescenza, che rende deboli i segnali dell’impianto.

"Tutti i tessuti sono autofluorescenti e questo diventa un fattore limitante", ha detto Koman. "Man mano che il segnale proveniente dal sensore diventa sempre più debole, viene superato dall'autofluorescenza dei tessuti."

I ricercatori del MIT hanno modulato la frequenza della luce fluorescente emessa dal sensore in modo che potesse essere più facilmente distinguibile dall’autofluorescenza dei tessuti. Chiamato filtraggio della frequenza indotta dalla lunghezza d'onda (WIFF), il metodo utilizza tre laser per creare un raggio laser con una lunghezza d'onda oscillante.

Secondo i ricercatori, i raggi oscillanti vengono proiettati sui sensori e fanno sì che la fluorescenza emessa dal sensore raddoppi la sua frequenza. Il segnale può quindi essere facilmente individuato dall'autofluorescenza dello sfondo. I ricercatori hanno riferito di aver migliorato il rapporto segnale-rumore del sensore di oltre 50 volte.

I ricercatori suggeriscono che il metodo potrebbe essere utilizzato per monitorare l’efficacia dei farmaci chemioterapici. Per dimostrarne l’utilizzabilità, il team si è concentrato sul glioblastoma. I pazienti affetti da questa forma aggressiva di cancro al cervello in genere vengono sottoposti a un intervento chirurgico per rimuovere quanto più tumore possibile e quindi ricevono la chemioterapia per eliminare le cellule tumorali rimanenti.

“Stiamo lavorando sulla tecnologia per realizzare piccoli sensori che potrebbero essere impiantati vicino al tumore stesso, in grado di dare un'indicazione sulla quantità di farmaco che arriva al tumore e se viene metabolizzato. Si potrebbe posizionare un sensore vicino al tumore e verificare dall’esterno del corpo l’efficacia del farmaco nell’ambiente reale del tumore”, ha affermato Michael Strano, autore senior dello studio e professore di ingegneria chimica Carbon P. Dubbs al MIT.

Quando il farmaco antitumorale temozolomide entra nel corpo, viene scomposto in composti più piccoli e il team del MIT ha progettato un sensore per rilevare il composto noto come AIC. Hanno scoperto che l'impianto poteva essere posizionato fino a 5,5 cm di profondità nel cervello di un animale e poteva leggere il segnale proveniente dal sensore anche attraverso il cranio dell'animale.

I ricercatori suggeriscono che i sensori potrebbero essere utilizzati anche per rilevare le firme molecolari della morte delle cellule tumorali. Il metodo WIFF potrebbe essere utilizzato per migliorare il segnale di altri tipi di sensori, compresi i sensori basati su nanotubi di carbonio che rilevano perossido di idrogeno, riboflavina e acido ascorbico.

"La tecnica funziona a qualsiasi lunghezza d'onda e può essere utilizzata per qualsiasi sensore fluorescente", ha affermato Strano. "Poiché ora hai molto più segnale, puoi impiantare un sensore a profondità nel tessuto che prima non erano possibili."