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Lo strumento fornisce informazioni sulla composizione chimica del tessuto cerebrale quando illuminato, consentendo lo studio dei cambiamenti molecolari causati da tumori o traumi.
Monitorare in modo non invasivo i cambiamenti causati nel cervello a livello molecolare dal cancro e da altre patologie neurologiche è una delle grandi sfide della ricerca biomedica.
Una nuova tecnica, ancora in fase sperimentale, raggiunge questo obiettivo introducendo la luce nel cervello dei topi utilizzando una sonda molto sottile.
L’innovativa tecnica, pubblicata oggi sulla rivista Nature Methods, è guidata da un team internazionale che comprende gruppi del Consiglio nazionale delle ricerche spagnolo (CSIC) e del Centro nazionale spagnolo per la ricerca sul cancro (CNIO).
Gli autori si riferiscono alla nuova tecnica come a una “lanterna molecolare”, in quanto fornisce informazioni sulla composizione chimica del tessuto cerebrale in risposta alla luce.
Ciò consente l’analisi delle modificazioni molecolari causate da tumori, sia primari che metastatici, e anche da lesioni come i traumi cranici.
La lanterna molecolare è una sonda di spessore inferiore a 1 mm, con una punta di appena un millesimo di millimetro, invisibile ad occhio nudo.
Può essere inserito in profondità nel cervello senza causare danni (ad esempio, un capello umano misura tra i 30 e i 50 micron di diametro).
La sonda non è ancora pronta per l’uso nei pazienti; Per ora si tratta principalmente di uno strumento di ricerca “promettente” in modelli animali che consente di “monitorare le alterazioni molecolari causate da lesioni cerebrali traumatiche, oltre a rilevare marcatori diagnostici di metastasi cerebrali con elevata precisione”, spiegano gli autori dell’articolo.
Il lavoro è stato svolto dal consorzio europeo NanoBright, a cui partecipano due gruppi spagnoli, quello guidato da Liset Menéndez de la Prida presso il Laboratorio di Circuiti Neuronali dell’Istituto Cajal del CSIC, e il Gruppo di Metastasi Cerebrali del CNIO diretto da Manuel Valiente.
Entrambi sono stati coinvolti nella ricerca biomedica su NanoBright, mentre gruppi dell’Istituto Italiano di Tecnologia e istituzioni francesi come il Laboratoire Kastler Brossel, hanno sviluppato la strumentazione.
Scansionare il cervello con la luce senza alterarlo preventivamente
L’attivazione o la registrazione delle funzioni cerebrali utilizzando la luce non è una novità. Ad esempio, la cosiddetta tecnica optogenetica consente di monitorare l’attività dei singoli neuroni con la luce.
Tuttavia, ciò richiede l’introduzione di un gene nei neuroni che li renda sensibili alla luce. Con la nuova tecnologia ora presentata da NanoBright, è possibile studiare il cervello senza alterarlo a priori, il che rappresenta un cambiamento di paradigma nella ricerca biomedica.
La nuova lanterna molecolare si basa su una tecnica chiamata spettroscopia vibrazionale, che sfrutta l’effetto Raman, una proprietà unica della luce.
“Quando la luce interagisce con le molecole, si disperde in un modo che dipende dalla loro composizione e struttura chimica. Questo scattering produce un segnale distinto, o spettro, che agisce come un’impronta digitale, fornendo informazioni dettagliate sulla composizione del tessuto illuminato”, spiega Liset M. de la Prida del CSIC.
“Possiamo vedere qualsiasi cambiamento molecolare prodotto nel cervello da una patologia o da una lesione”
“Questa tecnologia ci permette di studiare il cervello nel suo stato naturale; Non è necessario modificarlo preventivamente. Ma permette anche di analizzare qualsiasi tipo di struttura cerebrale, non solo quelle che sono state geneticamente marcate o alterate, come nel caso delle tecnologie utilizzate fino ad ora. Con la spettroscopia vibrazionale possiamo vedere qualsiasi cambiamento molecolare nel cervello quando c’è una patologia”, spiega Manuel Valiente, del CNIO.
La spettroscopia Raman è già utilizzata in neurochirurgia, anche se in modo invasivo e meno preciso: “Ci sono stati studi sul suo utilizzo quando si opera su tumori cerebrali nei pazienti,” dice Valiente.
In sala operatoria, una volta asportata chirurgicamente la maggior parte del tumore, è possibile introdurre una sonda di spettroscopia Raman per valutare se le cellule tumorali rimangono nell’area.
Cioè, viene utilizzato solo quando il cervello è già aperto e il foro è abbastanza grande. Ma queste ‘lanterne molecolari’ relativamente grandi sono incompatibili con l’uso minimamente invasivo in modelli animali vivi”.
Per il gruppo CNIO, uno degli obiettivi ora è scoprire se le informazioni fornite dalla sonda consentono di “differenziare diverse entità oncologiche, ad esempio, i tipi di metastasi in base ai loro profili mutazionali, alla loro origine primaria o a diversi tipi di tumori cerebrali”.
Intelligenza artificiale per la ricerca di marcatori diagnostici
Il gruppo del Cajal Institute ha utilizzato la tecnica per studiare le zone epilettogene che circondano le lesioni cerebrali traumatizzanti.
“Siamo stati in grado di identificare diversi profili vibrazionali nelle stesse regioni cerebrali suscettibili alle crisi epilettiche, a seconda della loro associazione con un tumore o un trauma. Ciò suggerisce che le ombre molecolari di queste aree sono influenzate in modo diverso e possono essere utilizzate per separare diverse entità patologiche mediante algoritmi di classificazione automatica, compresa l’intelligenza artificiale”, spiega Liset M. de la Prida.
“L’integrazione della spettroscopia vibrazionale con altre modalità di registrazione dell’attività cerebrale e l’analisi computazionale avanzata con l’intelligenza artificiale ci permetterà di identificare nuovi marcatori diagnostici ad alta precisione, che faciliteranno lo sviluppo di neurotecnologie avanzate per nuove applicazioni biomediche”, riassume il ricercatore del CSIC, Liset M. de la Prida.
