La diagnosi precoce del cancro è da sempre una delle più grandi sfide della medicina moderna. Ora, scienziati della Shenzhen University hanno sviluppato un potente sensore basato sulla luce in grado di rilevare quantità estremamente ridotte di biomarcatori tumorali nel sangue, persino prima che un tumore diventi visibile agli esami di imaging.
Questa tecnologia rivoluzionaria, recentemente pubblicata sulla rivista scientifica Optica, potrebbe aprire la strada a semplici esami del sangue di routine capaci di individuare i primi segnali di allarme del cancro e di molte altre malattie.
Perché la diagnosi precoce del cancro è così difficile
I biomarcatori tumorali – come proteine, frammenti di DNA e microRNA – possono indicare se un tumore è presente, come sta evolvendo e persino il rischio che una persona sviluppi la malattia.
Il problema è che, nelle fasi iniziali del cancro, questi biomarcatori sono presenti in concentrazioni estremamente basse, spesso troppo deboli per essere rilevate con le tecnologie diagnostiche tradizionali.
Molti test attuali richiedono processi di amplificazione chimica per aumentare il segnale molecolare, rendendo l’analisi più lenta, costosa e complessa.
Individuare il cancro prima che sia visibile a una TAC è rimasto a lungo un obiettivo ambizioso della ricerca scientifica. Fino ad oggi.
Come funziona il sensore a luce potenziato da CRISPR
Guidato dal ricercatore Han Zhang, il team ha sviluppato un sensore che combina:
- nanostrutture di DNA
- punti quantici
- tecnologia di gene editing CRISPR
- una tecnica ottica avanzata chiamata generazione di seconda armonica (SHG)
Questo approccio consente di rilevare anche i più deboli segnali molecolari presenti in una singola goccia di sangue.
Il ruolo della generazione di seconda armonica (SHG)
La SHG è un fenomeno ottico non lineare in cui la luce incidente viene convertita in luce con metà della lunghezza d’onda.
Poiché questa tecnica genera pochissimo rumore di fondo, permette misurazioni estremamente precise e sensibili.
Nel sensore sviluppato dal team, la SHG avviene sulla superficie di un semiconduttore bidimensionale chiamato Molybdenum disulfide (MoS₂), che migliora ulteriormente la qualità del segnale.
Nanotecnologia del DNA e fisica quantistica insieme
Per ottenere un controllo su scala nanometrica, i ricercatori hanno creato tetraedri di DNA, minuscole strutture a forma di piramide costruite interamente con DNA.
Queste strutture fungono da impalcature programmabili, posizionando i punti quantici a distanze estremamente precise dalla superficie del MoS₂.
I punti quantici amplificano il campo ottico locale, aumentando il segnale SHG e rendendo rilevabili anche concentrazioni infinitesimali di biomarcatori.
“Non consideriamo il DNA solo come materiale biologico, ma come mattoni programmabili”, ha spiegato Zhang. “Questo ci consente di assemblare i componenti del sensore con una precisione di pochi nanometri”.
CRISPR garantisce una specificità senza precedenti
Il sistema integra la tecnologia CRISPR-Cas per il riconoscimento altamente specifico dei biomarcatori.
Quando la proteina Cas12a identifica il suo bersaglio molecolare, taglia i filamenti di DNA che ancorano i punti quantici. Questo provoca una riduzione misurabile del segnale SHG, indicando con chiarezza la presenza del biomarcatore.
Essendo un sistema senza amplificazione, evita molte delle limitazioni dei test molecolari tradizionali, mantenendo al contempo un’elevatissima sensibilità.
Rilevazione del cancro ai polmoni a livelli sub-attomolari
Per valutare l’efficacia del sensore in condizioni reali, i ricercatori si sono concentrati su miR-21, un microRNA fortemente associato al cancro ai polmoni.
Dopo i test iniziali in laboratorio, il sistema è stato utilizzato su siero umano di pazienti oncologici, simulando un vero esame del sangue. I risultati sono stati sorprendenti:
- rilevazione di miR-21 a livelli sub-attomolari
- altissima specificità per il bersaglio tumorale
- nessuna interferenza da RNA simili
- segnali chiari anche in presenza di pochissime molecole
Secondo Zhang, questa tecnologia potrebbe consentire:
- screening precoce del cancro ai polmoni prima della visibilità alla TAC
- monitoraggio frequente dei biomarcatori
- valutazione rapida dell’efficacia dei farmaci
- terapie oncologiche sempre più personalizzate
Invece di attendere mesi per i risultati delle immagini diagnostiche, i medici potrebbero monitorare l’evoluzione della malattia settimanalmente o persino quotidianamente.
Oltre il cancro: una piattaforma diagnostica universale
Uno degli aspetti più promettenti di questa tecnologia è la sua programmabilità.
La piattaforma potrebbe essere adattata per rilevare:
- virus
- batteri
- tossine ambientali
- biomarcatori di malattie neurodegenerative come l’Alzheimer
Questo la rende una base ideale per una nuova generazione di strumenti diagnostici rapidi, sensibili ed economicamente sostenibili.
Verso test portatili e diagnosi al letto del paziente
Attualmente il sistema è ancora di tipo laboratoriale, ma il prossimo obiettivo del team è la miniaturizzazione.
I ricercatori puntano a sviluppare una versione portatile, utilizzabile:
- al letto del paziente
- negli ambulatori
- in aree remote o con risorse sanitarie limitate
- per controlli di prevenzione periodici
Se questo obiettivo verrà raggiunto, la tecnologia potrebbe semplificare enormemente la diagnosi precoce, migliorare i tassi di sopravvivenza e ridurre drasticamente i costi sanitari.
Il futuro dello screening oncologico
La diagnosi precoce è uno dei fattori più importanti per aumentare le probabilità di sopravvivenza al cancro. Un semplice esame del sangue in grado di rilevare la malattia prima delle immagini diagnostiche potrebbe rivoluzionare la medicina preventiva.
Unendo nanotecnologia, fisica quantistica e CRISPR, i ricercatori hanno compiuto un passo decisivo verso un futuro in cui il cancro potrà essere individuato prima, trattato meglio e sconfitto con maggiore efficacia.
