Molti tipi di cancro potrebbero essere trattati più facilmente se rilevati in una fase precoce. I ricercatori del MIT hanno ora sviluppato un sistema di imaging, denominato "DOLPHIN, " che potrebbe consentire loro di trovare piccoli tumori, piccolo come un paio di centinaia di celle, nel profondo del corpo.

In un nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato il loro sistema di imaging, che si basa sulla luce del vicino infrarosso, per tracciare una sonda fluorescente da 0,1 millimetri attraverso il tratto digestivo di un topo vivente. Hanno anche dimostrato di poter rilevare un segnale a una profondità di tessuto di 8 centimetri, molto più profondo di qualsiasi tecnica di imaging ottico biomedico esistente.

I ricercatori sperano di adattare la loro tecnologia di imaging per la diagnosi precoce di tumori ovarici e altri tumori che sono attualmente difficili da rilevare fino alle fasi avanzate.

"Vogliamo essere in grado di trovare il cancro molto prima, "dice Angela Belcher, il James Mason Crafts Professor of Biological Engineering and Materials Science al MIT e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research, e il nuovo capo del dipartimento di ingegneria biologica del MIT. "Il nostro obiettivo è trovare piccoli tumori, e farlo in modo non invasivo".

Belcher è l'autore senior dello studio, che appare nel numero del 7 marzo di Rapporti scientifici . Xiangnan Dang, un ex postdoc del MIT, e Neelkanth Bardhan, un Mazumdar-Shaw International Oncology Fellow, sono gli autori principali dello studio. Altri autori includono ricercatori Jifa Qi e Ngozi Eze, l'ex postdottorato Li Gu, postdottorato Ching-Wei Lin, studente laureato Swati Kataria, e Paula Hammond, il professore di ingegneria David H. Koch, capo del dipartimento di ingegneria chimica del MIT, e un membro dell'Istituto Koch.

Immagini più profonde

I metodi esistenti per l'imaging dei tumori hanno tutti dei limiti che impediscono loro di essere utili per la diagnosi precoce del cancro. La maggior parte ha un compromesso tra risoluzione e profondità di imaging, e nessuna delle tecniche di imaging ottico può visualizzare nel tessuto una profondità di circa 3 centimetri. Le scansioni comunemente utilizzate come la tomografia computerizzata a raggi X (TC) e la risonanza magnetica (MRI) possono visualizzare attraverso l'intero corpo; però, non possono identificare in modo affidabile i tumori fino a quando non raggiungono una dimensione di circa 1 centimetro.

Il laboratorio di Belcher ha deciso di sviluppare nuovi metodi ottici per l'imaging del cancro diversi anni fa, quando si unirono al Koch Institute. Volevano sviluppare una tecnologia in grado di visualizzare gruppi molto piccoli di cellule in profondità all'interno dei tessuti e farlo senza alcun tipo di etichettatura radioattiva.

Luce nel vicino infrarosso, che ha lunghezze d'onda da 900 a 1700 nanometri, è adatto per l'imaging dei tessuti perché la luce con lunghezze d'onda più lunghe non si disperde tanto quanto quando colpisce gli oggetti, che consente alla luce di penetrare più in profondità nel tessuto. Per approfittare di questo, i ricercatori hanno utilizzato un approccio noto come imaging iperspettrale, che consente l'imaging simultaneo in più lunghezze d'onda della luce.

I ricercatori hanno testato il loro sistema con una varietà di sonde a emissione di luce fluorescente nel vicino infrarosso, principalmente nanoparticelle di fluoruro di ittrio di sodio che hanno elementi di terre rare come erbio, olmio, o praseodimio aggiunto attraverso un processo chiamato doping. A seconda della scelta dell'elemento dopante, ciascuna di queste particelle emette luce fluorescente nel vicino infrarosso di diverse lunghezze d'onda.

Utilizzando algoritmi che hanno sviluppato, i ricercatori possono analizzare i dati della scansione iperspettrale per identificare le fonti di luce fluorescente di diverse lunghezze d'onda, che consente loro di determinare la posizione di una particolare sonda. Analizzando ulteriormente la luce da bande di lunghezza d'onda più strette all'interno dell'intero spettro del vicino IR, i ricercatori possono anche determinare la profondità alla quale si trova una sonda. I ricercatori chiamano il loro sistema "DOLPHIN", che sta per "Rilevazione di sonde otticamente luminescenti utilizzando immagini iperspettrali e diffuse nel vicino infrarosso".

Per dimostrare la potenziale utilità di questo sistema, i ricercatori hanno tracciato un ammasso di nanoparticelle fluorescenti delle dimensioni di 0,1 millimetri che è stato ingerito e poi viaggiato attraverso il tratto digestivo di un topo vivente. Queste sonde potrebbero essere modificate in modo da mirare ed etichettare in modo fluorescente specifiche cellule cancerose.

"In termini di applicazioni pratiche, questa tecnica ci consentirebbe di tracciare in modo non invasivo un tumore marcato con fluorescenza di 0,1 millimetri, che è un gruppo di circa poche centinaia di cellule. Per quello che ci risulta, nessuno è stato in grado di farlo in precedenza utilizzando tecniche di imaging ottico, "dice Bardani.

Rilevamento anticipato

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter iniettare particelle fluorescenti nel corpo di un topo o di un ratto e quindi visualizzare l'intero animale, che richiede l'imaging a una profondità di circa 4 centimetri, per determinare dove sono finite le particelle. E nei test con imitazioni di tessuti umani e tessuti animali, sono stati in grado di localizzare le sonde fino a una profondità di 8 centimetri, a seconda del tipo di tessuto.

Questo tipo di sistema può essere utilizzato con qualsiasi sonda fluorescente che emette luce nello spettro del vicino infrarosso, inclusi alcuni che sono già stati approvati dalla FDA, dicono i ricercatori. I ricercatori stanno anche lavorando per adattare il sistema di imaging in modo che possa rivelare differenze intrinseche nel contrasto dei tessuti, comprese le firme delle cellule tumorali, senza alcun tipo di etichetta fluorescente.

Nei lavori in corso, stanno usando una versione correlata di questo sistema di imaging per cercare di rilevare i tumori ovarici in una fase iniziale. Il cancro ovarico viene solitamente diagnosticato molto tardi perché non esiste un modo semplice per rilevarlo quando i tumori sono ancora piccoli.

"Il cancro ovarico è una malattia terribile, e viene diagnosticato così tardi perché i sintomi sono così anonimi, "Dice Belcher. "Vogliamo un modo per seguire la ricorrenza dei tumori, e infine un modo per trovare e seguire i tumori precoci quando per la prima volta percorrono il percorso verso il cancro o la metastasi. Questo è uno dei primi passi lungo il percorso in termini di sviluppo di questa tecnologia".

I ricercatori hanno anche iniziato a lavorare sull'adattamento di questo tipo di imaging per rilevare altri tipi di cancro come il cancro del pancreas, cancro al cervello, e melanoma.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.