tumori, infiammazione e disturbi circolatori disturbano localmente l'equilibrio acido-base dell'organismo. Questi cambiamenti nel valore del pH potrebbero essere utilizzati ad esempio per verificare il successo dei trattamenti contro il cancro. Fino ad ora, però, non esisteva un metodo di imaging per rendere visibili tali cambiamenti nei pazienti. Ora un team dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha sviluppato un sensore di pH che rende visibili i valori di pH attraverso la risonanza magnetica (MRI) - in modo non invasivo, modo privo di radiazioni.

Quattro anni fa, durante un esperimento di risonanza magnetica con cellule tumorali, Il fisico TUM Dr. Franz Schilling ha trovato segnali da una molecola che era molto sensibile ai cambiamenti di pH. La molecola, che è stato identificato come acido zimonico in successive indagini, potrebbe svolgere un ruolo importante nel futuro dell'imaging medico. Come biosensore per i valori di pH, potrebbe fornire intuizioni sul corpo che erano state impossibili in passato.

"Un metodo di imaging del pH appropriato consentirebbe di visualizzare cambiamenti anormali nei tessuti e in particolare nei processi metabolici dei tumori, " spiega Franz Schilling. Le aree che circondano i tumori e le infiammazioni sono solitamente leggermente più acide delle aree che circondano i tessuti sani, un fenomeno forse legato all'aggressività dei tumori. Schilling vede ulteriori potenziali usi nelle prognosi del trattamento:"I valori di pH sono interessanti anche quando si tratta di valutare l'efficacia dei trattamenti contro i tumori. Anche prima che un tumore trattato con successo inizi a ridursi, il suo metabolismo e quindi il valore del pH dell'area circostante potrebbe cambiare. Un metodo di imaging del pH appropriato indicherebbe in una fase molto precedente se è stato selezionato o meno l'approccio giusto".

Schilling è ora direttore del gruppo di lavoro per l'imaging preclinico e la fisica medica presso la clinica e il policlinico di medicina nucleare nel TUM Klinikum rechts der Isar. Negli anni passati, si è unito ai colleghi dei dipartimenti di Fisica, Chimica e Medicina per ricercare l'acido zimonico come biosensore. Nel diario Comunicazioni sulla natura il team descrive come può essere utilizzato per rappresentare in modo affidabile i valori di pH nei corpi dei piccoli animali.

MRI-Imaging con vincoli di tempo

Per rendere visibili i valori di pH utilizzando l'acido zimonico, la molecola viene iniettata nel corpo e quindi viene eseguita un'indagine di risonanza magnetica (MRI) del tessuto dell'oggetto. In termini molto semplificati:in un forte campo magnetico, le onde radio eccitano gli spin nucleari dell'acido zimonico all'oscillazione. Le reazioni dei nuclei vengono quindi registrate. Questi dati vengono utilizzati per calcolare gli spettri di frequenza che a loro volta forniscono informazioni sulle proprietà chimiche dell'ambiente molecolare dei nuclei. In definitiva, il valore del pH in qualsiasi punto esaminato nel tessuto può essere rappresentato in base ai cambiamenti molecolari dipendenti dal pH nell'acido zimonico.

L'acido zimonico deve essere marcato con carbonio 13 per essere visibile nelle immagini MRI. Ciò significa che le molecole contengono atomi di carbonio 13 (13C) invece dei "normali" atomi di carbonio 12. Ma l'acido zimonico marcato in questo modo non è ancora misurabile:il suo segnale MRI è troppo debole. "Utilizziamo quindi un metodo relativamente nuovo, iperpolarizzazione, " spiega Stephan Düwel, fisico e primo autore dello studio. "Usiamo un dispositivo speciale per trasferire la polarizzazione degli elettroni ai nuclei atomici 13C utilizzando microonde a temperature molto basse, che si traduce in un segnale MRI fino a 100, 000 volte più forte." Un liquido caldo viene quindi utilizzato per riportare rapidamente l'acido zimonico a temperatura ambiente.

Dopodichè, gli scienziati devono agire rapidamente. Il biosensore viene iniettato per via endovenosa nell'organismo, quindi la risonanza magnetica deve essere eseguita immediatamente:ci vogliono solo 60 secondi perché l'effetto di amplificazione del segnale dell'iperpolarizzazione svanisca di nuovo. "Stiamo attualmente lavorando per espandere questa finestra temporale, " dice Düwel. "Da un lato, stiamo cercando di migliorare le proprietà RM dell'acido zimonico con opportune modifiche alla molecola; D'altra parte, stiamo cercando altre molecole sensibili al pH, " spiega il biochimico Christian Hundshammer, secondo autore dello studio.

Vantaggi rispetto ad altri approcci

Franz Schilling e il suo team sono riusciti a dimostrare che il loro metodo è sufficientemente sensibile da rappresentare variazioni del valore del pH nell'organismo rilevanti dal punto di vista medico. Utilizzando l'acido zimonico è inoltre possibile indagare in modo specifico il valore del pH all'esterno della membrana cellulare:con altri biosensori spesso non è chiaro se i cambiamenti misurati avvengano all'interno o all'esterno della cellula (intracellulare o extracellulare). Questo è importante perché il valore intracellulare è solitamente stabile, mentre i cambiamenti nel metabolismo hanno un impatto molto maggiore sul valore extracellulare.

A differenza dei metodi ottici, che sono limitate alla penetrazione superficiale nel corpo a causa della scarsa trasparenza dei tessuti, non ci sono limitazioni alla profondità di penetrazione per la risonanza magnetica. È stato inoltre dimostrato che l'acido zimonico non è tossico nelle concentrazioni utilizzate con i piccoli animali e si crea anche a basse concentrazioni come sottoprodotto del metabolita acido piruvico presente nell'organismo.

"Riteniamo che l'acido zimonico sia un biosensore molto promettente per le applicazioni sui pazienti, " dice Franz Schilling. Per il momento, però, sono previsti ulteriori studi preclinici per accertare i vantaggi di questo nuovo biomarcatore di imaging rispetto ai metodi convenzionali e per migliorare ulteriormente la risoluzione spaziale dell'imaging del pH.