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Utilizzando le nanostrutture che si trovano sulle ali delle farfalle, gli scienziati hanno sviluppato un modo semplice ed economico per analizzare i tessuti cancerosi.
I ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno trovato un alleato insolito nella ricerca per rendere la diagnosi del cancro più veloce, più accurata e più accessibile in tutto il mondo: la farfalla Morpho.
Conosciuta per le sue scintillanti ali blu, la farfalla Morpho deve la sua brillantezza non ai pigmenti, ma a strutture microscopiche che manipolano la luce
. Ora, i ricercatori stanno sfruttando quelle stesse strutture per ottenere informazioni dettagliate sulla composizione fibrosa dei campioni di biopsia del cancro, senza la necessità di colorazioni chimiche o costose apparecchiature di imaging.
I risultati sono dettagliati in un articolo pubblicato su Advanced Materials.
La fibrosi, l’accumulo di tessuto fibroso, è una caratteristica chiave di molte malattie, tra cui i disturbi neurodegenerativi, le malattie cardiache e il cancro.
In oncologia, la valutazione dell’entità della fibrosi in un campione bioptico può aiutare a determinare se il cancro di un paziente è in uno stadio iniziale o avanzato.
“La grande sfida, tuttavia, è che è estremamente difficile distinguere tra queste fasi utilizzando gli attuali metodi clinici”, ha detto l’autrice senior dello studio Lisa Poulikakos, professoressa presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Questi metodi si basano sulla colorazione dei tessuti per evidenziare le strutture chiave nella biopsia tumorale, ma i risultati possono essere soggettivi: un patologo potrebbe interpretare un campione in modo diverso da un altro.
E mentre esistono tecniche di imaging più avanzate in grado di fornire dettagli più ricchi, richiedono attrezzature costose e specializzate che molte cliniche semplicemente non hanno.
È qui che entra in gioco la farfalla Morpho. Poulikakos e il suo team hanno scoperto che posizionando un campione bioptico sopra un’ala di farfalla Morpho e visualizzandolo sotto un microscopio standard, possono valutare se la struttura di un tumore indica un cancro in fase iniziale o avanzata, senza la necessità di macchie o costose macchine di imaging.
“Possiamo applicare questa tecnica utilizzando microscopi ottici standard che le cliniche già possiedono”, ha detto Poulikakos. “Ed è più oggettivo e quantitativo di quello che è attualmente disponibile”.
L’idea di questo metodo è venuta a Paula Kirya, una studentessa laureata in ingegneria meccanica presso l’UC San Diego e prima autrice dello studio.
Kirya aveva precedentemente studiato le ali della farfalla Morpho e le loro proprietà ottiche mentre era una studentessa universitaria di ricerca al Pasadena City College.
Quando si è trasferita alla UC San Diego ed è entrata a far parte del laboratorio di Poulikakos, dove i ricercatori costruiscono nanostrutture sintetiche per l’imaging dei tessuti biologici, ha riconosciuto un’opportunità.
“Avevo immaginato le ali delle farfalle, studiando come reagiscono ai diversi ambienti”, ha detto. “E quando ho visto cosa stava facendo il laboratorio, ho pensato: ‘Il Morpho ha naturalmente questa proprietà, perché non usarlo?'”
I ricercatori hanno scoperto che le micro e nanostrutture dell’ala rispondono fortemente alla luce polarizzata, un tipo di luce che si propaga in una direzione specifica.
Anche le fibre di collagene, che sono un componente strutturale chiave del tessuto fibrotico, interagiscono con la luce polarizzata, ma i loro segnali sono deboli.
Posizionando un campione bioptico sopra un pezzo di un’ala di farfalla Morpho, i ricercatori hanno amplificato questi segnali, rendendo più facile analizzare la densità e la disposizione delle fibre di collagene.
I segnali risultanti possono quindi essere tradotti in una misura della densità e dell’organizzazione delle fibre di collagene nel campione bioptico.
Per fare ciò, i ricercatori hanno sviluppato un modello matematico basato sul calcolo di Jones, un metodo per analizzare la luce polarizzata. I
l modello correla l’intensità della luce con la densità e l’organizzazione delle fibre di collagene, fornendo una metrica quantificabile per valutare la fibrosi all’interno del tessuto.
Utilizzando questo approccio, i ricercatori hanno analizzato campioni di biopsia del cancro al seno umano densi e sparsi di collagene forniti dai collaboratori dello studio e coautori Jing Yang, professore nei Dipartimenti di Farmacologia e Pediatria presso la UC San Diego School of Medicine e co-leader del Cancer Biology and Signaling Program presso il Moores Cancer Center, e Aida Mestre-Farrera, scienziata post-dottorato nel gruppo di Yang.
I loro risultati sono stati paragonabili ai metodi di colorazione convenzionali e a un metodo di imaging avanzato e ad alto costo.
“Essenzialmente, stiamo cercando di espandere queste procedure con un’alternativa senza macchie che non richiede altro che un microscopio ottico standard e un pezzo di un’ala Morpho”, ha detto Kirya.
“In molte parti del mondo, lo screening precoce del cancro è una sfida a causa delle limitazioni delle risorse. Se riusciamo a fornire uno strumento più semplice e accessibile, possiamo aiutare un maggior numero di pazienti a ricevere una diagnosi prima che i loro tumori raggiungano stadi aggressivi”.
Mentre l’attuale studio si è concentrato sul cancro al seno, i ricercatori ritengono che la loro tecnica potrebbe essere applicata a una vasta gamma di malattie fibrotiche.
“Siamo entusiasti di sfruttare questa tecnica per tutti i tipi di diagnostica tissutale”, ha affermato Poulikakos.
“È stato davvero sorprendente vedere quanto bene la natura avesse già progettato una soluzione attraverso l’ala di farfalla Morpho e le sue micro e nanostrutture naturali. Il nostro lavoro dimostra che la natura ci ha dato qualcosa che può aiutarci a visualizzare i tessuti malati senza la necessità di costose strutture di fabbricazione”.
Immagine: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
