Da giovane fisico nell'ex Unione Sovietica, Igor Sokolov ha studiato il più grande dei grandi:l'intero universo. Ora, come professore di ingegneria meccanica alla Tufts, è concentrato sul piccolo, il nano. Zoomando in avanti, modo in:Sokolov e i suoi colleghi studiano di tutto, dai batteri ai coleotteri fino al livello su scala nanometrica. Ora ha rivolto uno sguardo nuovo a uno dei problemi più antichi della medicina:il cancro.

Lo strumento preferito da Sokolov è il microscopio a forza atomica (AFM), che usa la sua minuscola sonda a forma di dito per misurare minuscole forze su una scala molto piccola, "praticamente tra i singoli atomi, " dice. Si è imbattuto per la prima volta in questa tecnologia quando era uno studente laureato che studiava le origini dell'universo più di 20 anni fa, all'epoca in cui fu inventato l'AFM. Lo ha usato per cercare prove di particelle elementari teoriche. Quando Sokolov non ne trovò, il suo lavoro ha contribuito a mettere a tacere quelle idee.

Presto Sokolov rivolse lo strumento a preoccupazioni più terrene. Entro il 1994, come membro del dipartimento di microbiologia dell'Università di Toronto, è stato tra i primi a utilizzare l'AFM per studiare i batteri. Zoom su un batterio probiotico usato per fare il formaggio svizzero, Sokolov ha rivelato un processo mai documentato prima attraverso il quale la cellula ripara la sua superficie dopo aver subito danni chimici.

L'esperimento ha anche dimostrato la capacità dell'AFM di rilevare i cambiamenti meccanici nelle cellule viventi con una risoluzione senza precedenti, cosa che sarebbe stata utile nel lavoro successivo di Sokolov. "Questo è stato l'inizio del mio amore per le applicazioni biomediche, "dice Sokolov, che ha anche incarichi nei dipartimenti di ingegneria biomedica e fisica.

Uno sguardo più da vicino al cancro

Più recentemente, Sokolov e i suoi colleghi hanno utilizzato la microscopia a forza atomica su alcune delle cellule più misteriose di tutte, quelle maligne. La maggior parte degli strumenti diagnostici esistenti utilizza l'impronta chimica delle cellule per identificare il cancro. In una serie di esperimenti negli ultimi cinque anni, ha cercato differenze fisiche tra le cellule tumorali e le cellule sane che potrebbero aiutare i medici a diagnosticare il cancro prima e in modo più accurato. La diagnosi precoce aumenta sostanzialmente le possibilità di sopravvivenza dei pazienti.

Lui e i suoi collaboratori hanno ottenuto risultati promettenti in studi preliminari che utilizzano cellule cancerose del collo dell'utero e della vescica - "cancri in cui è possibile raccogliere cellule senza biopsie - metodi molto non invasivi, " precisa.

Nel 2009, Sokolov e i suoi colleghi della Clarkson University di New York hanno studiato cellule sane e malate che erano praticamente identiche, biochimicamente parlando. Alla ricerca di qualche differenza fisica o meccanica che possa aiutare a distinguere i due tipi di cellule, i ricercatori hanno scoperto che il rivestimento superficiale che circonda le cellule tumorali, quello che Sokolov chiama lo strato a spazzola pericellulare, era nettamente diverso da quello normale.

"Era decisamente nuovo, " lui dice, osservando che risultati simili sono stati recentemente pubblicati da ricercatori che utilizzano metodi biochimici più tradizionali. "Gli autori hanno chiamato questi risultati il ​​risultato del cambio di paradigma di guardare il cancro".

Lo strato di pennello pericellulare è qualcosa come la pelliccia di una cellula, e può somigliare a quello di un gatto persiano oa quello di un bastardo rognoso. È nella densità e nella dimensione di questo strato di pennello che i ricercatori hanno trovato differenze significative tra le cellule tumorali e le cellule sane. In un articolo del 2009 pubblicato su Nanotecnologia della natura , il team ha riferito di aver osservato uno strato di pennello relativamente uniforme nelle cellule sane, mentre nelle cellule cancerose, videro uno strato di pennello a due livelli, con peli lunghi radi e setole corte e fitte.

Quando gli scienziati hanno spolverato le colture cellulari con particelle fluorescenti, potevano vedere, anche ad occhio nudo, che le particelle si erano attaccate alle cellule cancerose, lasciando un'evidente evidenza della malattia.

"Non hai bisogno di alcun dispositivo per vedere la differenza. Ha creato un gradiente visibile molto forte per le cellule tumorali, "dice Sokolov.

Questo fatto si è rivelato più interessante che utile come strumento diagnostico, anche se. Questo perché le cellule sospette devono essere coltivate in un piatto e gli scienziati possono già identificare le cellule cancerose semplicemente osservandole crescere.

La bomba a orologeria frattale

Quindi il team di Sokolov ha cercato altri parametri che potrebbero allertare i patologi della presenza di cancro. Dopo aver testato molte caratteristiche cellulari, i ricercatori hanno trovato una variazione chiave, un tratto chiamato "dimensionalità frattale".

I frattali sono definiti come modelli "auto-simili" che sembrano più o meno uguali a varie scale. Si verificano spesso in natura. Pensa a un albero:i ramoscelli più sottili con foglie ripetono i motivi dei rami più larghi sottostanti. Sembrano più o meno uguali a quando ingrandisci o rimpicciolisci; perdi il senso della scala senza che un altro oggetto ti dia la mancia.

"I frattali si verificano tipicamente in natura a causa di un comportamento caotico. Anche il cancro è stato associato al caos. Pertanto, molti ricercatori hanno predetto la connessione tra cancro e frattali, "Spiega Sokolov.

E quando il suo team ha usato l'AFM per guardare la superficie delle cellule, i ricercatori hanno visto virtualmente una differenza del 100% nella dimensionalità frattale delle cellule normali e cancerose, una scoperta che hanno riportato sul giornale Lettere di revisione fisica nel 2011.

Più recentemente, Sokolov e i suoi colleghi sono stati in grado di determinare che questa geometria frattale si verifica durante uno specifico, fase intermedia della progressione del cancro. I risultati, recentemente inviati per la pubblicazione, potrebbero un giorno aiutare i medici non solo a diagnosticare la malattia, ma anche a monitorarne la progressione.

"Finora quello che abbiamo visto è abbastanza preciso, molto più preciso che tutto ciò che è disponibile ai medici per diagnosticare il cancro cervicale oggi, ", afferma Sokolov. Nota che il comune Pap test è incline a rivelare falsi positivi e a non avere tumori precoci.

Sebbene il test abbia ridotto i tassi di mortalità sin dalla sua introduzione, non è mai stato oggetto di uno studio controllato randomizzato - il gold standard della ricerca scientifica - e non ci sono definizioni universalmente accettate dei risultati del test, secondo il National Cancer Institute.

"Ha ancora una precisione insufficiente, portando a biopsie inutili costose e spiacevoli, "dice Sokolov.

La ricerca sul cancro è solo uno dei numerosi progetti che Sokolov e i suoi due borsisti post-dottorato insieme a quattro studenti laureati - due ingegneri meccanici e due ingegneri biomedici - hanno in corso nei loro laboratori al 200 di Boston Avenue.

Il gruppo, con i collaboratori del Tufts Medical Center, Dartmouth College e istituzioni in tutta Boston, è anche alla ricerca di altri approcci nanotecnologici per la diagnosi del cancro. Hanno già sviluppato un'alta risoluzione, test ad alta velocità che potrebbe eventualmente portare a un nuovo modo di studiare i cambiamenti nelle cellule quando diventano maligne. Pensando più a lungo raggio, Sokolov fa galleggiare l'idea di una nanoparticella che pattuglia il corpo che può cambiare colore quando rileva qualcosa di brutto.

"Come una bomba a orologeria, alcune di queste cellule diventeranno cancerose, " dice. "Alle prime fasi, il cancro si uccide abbastanza facilmente, quindi una diagnosi precoce può aiutare a sradicarlo".