Quando osserviamo le cellule biologiche al microscopio, di solito non sono molto colorati. Normalmente, per visualizzarli dobbiamo aggiungere artificialmente il colore, in genere mediante colorazione. Facendo così, possiamo vedere la loro forma e disposizione in un tessuto e determinare se sono sani o meno.

Qualche volta, anche se, la struttura cellulare da sola non è sufficiente per identificare con precisione la malattia, che può portare a diagnosi errate e conseguenze potenzialmente fatali per un paziente. Ma se ci fosse un modo per vedere non solo la struttura delle cellule, ma anche determinare se sono anormali, semplicemente osservando il loro colore intrinseco al microscopio?

Questo era l'obiettivo del nostro team mentre sviluppavamo un nuovo strumento diagnostico medico chiamato NanoMslide. Abbiamo modificato un vetrino da microscopio standard per trasformarlo in un potente strumento per il rilevamento del cancro al seno. La nostra ricerca è pubblicata oggi in Natura .

La diagnosi precoce è fondamentale

Si stima che a una donna australiana su otto verrà diagnosticato un cancro al seno all'età di 85 anni. Come per la maggior parte dei tumori, prendere la malattia in anticipo è fondamentale. Però, una diagnosi accurata delle prime fasi del cancro al seno richiede l'identificazione di un piccolo numero di cellule malate in un tessuto, che può essere incredibilmente impegnativo.

Il NanoMslide può manipolare la luce su scala nanometrica, facendo sì che le cellule si "accendano" con un vivido contrasto di colore. Ciò rende più facile riconoscere le cellule potenzialmente cancerose (o anomalie benigne) all'interno del tessuto.

Fornendo un modo per distinguere istantaneamente quali cellule potrebbero essere cancerose, lo strumento può aiutare a ridurre l'attuale incertezza sulla rilevazione del cancro al seno in fase molto precoce. Con lo screening mammografico, distinguere le anomalie mammarie dai tumori al seno precoci alla biopsia è molto importante, soprattutto perché i tassi di diagnosi errate possono raggiungere il 15%.

Grandi ostacoli allo sviluppo

L'integrazione della nanotecnologia nella diagnostica medica presenta una serie di sfide. Ci sono voluti sei anni di sviluppo per garantire che NanoMslide funzionasse in modo efficace. Alla fine è stata una combinazione di nanofabbricazione all'avanguardia, una quantità significativa di tentativi ed errori e un po' di fortuna che hanno portato alla nostra svolta.

Per decenni, i ricercatori hanno saputo che le cellule cancerose tendono a interagire con la luce in un modo diverso dalle cellule sane. Ciò è dovuto a diversi fattori, come la distribuzione delle proteine ​​all'interno della cellula e le differenze nella sua forma complessiva.

La sfida principale è che queste differenze possono essere estremamente sottili e presentarsi in una varietà di modi. I precedenti approcci alla differenziazione delle cellule cancerose (senza l'uso di coloranti o etichette) tendevano a utilizzare apparecchiature di microscopia specializzate, o tecniche complesse.

Ma questi approcci sono difficili da incorporare nei flussi di lavoro patologici esistenti e possono richiedere formazione e conoscenze specialistiche. Quindi abbiamo adottato un approccio radicalmente diverso.

Successo con i tessuti umani

Piuttosto che concentrarsi sullo sviluppo di un microscopio migliore, ci siamo invece concentrati sul miglioramento del vetrino da microscopio.

Sviluppando uno speciale rivestimento nanofabbricato, abbiamo modificato la superficie di un normale vetrino da microscopio e l'abbiamo trasformata in un enorme sensore. La cosa veramente notevole è che le strutture del sensore sono larghe solo poche centinaia di nanometri, eppure si ripetono con sorprendente precisione su un'area di decine di centimetri, o più.

Mantenendo questo livello di precisione, che è necessario per una fabbricazione affidabile su questa scala, ha compiuto progressi nelle tecniche di nanofabbricazione che sono diventate disponibili in commercio solo negli ultimi sei anni.

Il sensore è attivato dalla luce visibile. E quando un oggetto come un tessuto o una singola cellula entra in contatto con la superficie del sensore, i colori sono prodotti. È questa caratteristica che siamo stati in grado di ottimizzare per consentire ai patologi di rilevare le cellule che sono probabilmente cancerose, solo guardandoli.

I coloranti attualmente utilizzati per colorare i tessuti (per visualizzare la forma e l'architettura delle cellule) normalmente si presentano come uno o due colori. Il NanoMslide rende i tessuti in un bellissimo contrasto a colori, rendendo più facile differenziare più tipi di cellule su un singolo vetrino.

Per il nostro studio, abbiamo testato i vetrini con esperti patologi del cancro al seno, utilizzando sia un modello murino che il tessuto del paziente. Partendo da un modello di piccolo animale ben caratterizzato, il nostro team di fisici, ricercatori sul cancro e patologi del seno sono stati in grado di sviluppare ulteriormente la tecnologia.

Alla fine abbiamo raggiunto il punto in cui potevamo essere sicuri che alcuni dei colori specifici visibili fossero indicativi di cellule cancerose. Ciò ha portato a ulteriori valutazioni della patologia con il tessuto del paziente, dove c'è più complessità da affrontare in termini di diagnosi.

Ancora, anche in questo contesto più impegnativo, il NanoMslide si è comportato alla grande. Ha anche sovraperformato alcuni biomarcatori commerciali, che vengono utilizzati come ausilio per diagnosi borderline (dove il cancro è difficile da distinguere dalle anomalie benigne).

Come passare dal bianco e nero alla televisione a colori

Poiché la tecnologia non si basa su alcuna funzione speciale, o interazioni molecolari specifiche, potrebbe essere potenzialmente applicato ad altri tipi di cancro, anche ad altri tipi di malattie. Un'altra applicazione su cui si sta lavorando è quella di esaminare i risultati delle biopsie liquide, come tamponi sulle guance, per un'analisi immediata al punto di cura.

In Aprile, abbiamo avuto la fortuna di beneficiare dell'apertura di un nuovo strumento presso l'Australian National Fabrication Facility per consentire l'espansione della produzione. Ciò significa che NanoMslide può essere spostato dalla produzione su piccola scala a quella su media scala, permettendoci di esplorare una serie di applicazioni diverse, e produrre il numero di vetrini necessari per un'ulteriore convalida clinica.

La tecnologia potrebbe anche essere estremamente vantaggiosa per il crescente spazio della patologia digitale, dove i colori vividi generati da NanoMslide potrebbero aiutare a sviluppare algoritmi di intelligenza artificiale di prossima generazione per identificare i segni della malattia.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.