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MasSpec: la penna high-tech per la diagnosi intraoperatoria dei margini tumorali

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Scritto da Fabio Pullano

Il tasso di sopravvivenza e di recidiva dei pazienti che ricorrono a chirurgia oncologica è influenzato dalla precisione e accuratezza nell’asportazione completa del tessuto neoplastico. Un team di bioingegneri e scienziati dell’ Università del Texas ha inventato una “penna anti-tumorale” tecnologicamente avanzata che, a contatto con il tessuto biologico, in una decina di secondi, riconosce se il tessuto è cancerogeno o meno, consentendo al chirurgo di eseguire una resezione tumorale più accurata e precisa.

Biopsia intraoperatoria in chirurgia oncologica: stato dell’arte

Il trattamento chirurgico di alcuni tipi di tumore, prevedono l’asportazione dell’intera massa neoplastica con un “margine di sicurezza“ di tessuto sano. Se il margine è troppo esteso, il tessuto sano è stato rimosso eccessivamente e potrebbe compromettere la vitalità e funzionalità dell’organo (come ad esempio nel tumore al polmone) o potrebbe indurre a un risultato estetico non soddisfacente (come nei casi di tumore alla mammella).  D’altro canto, se il margine di resezione è ridotto, c’è una alta probabilità che alcune cellule cancerogene non vengano debellate con il rischio di non controllo del tumore a causa di una non completa eradicazione del tumore (Figura 1).


Figura 1. Scientificamente, non esiste ancora un consenso universale sulla definizione dei margini di resezione chirurgica, ovvero la distanza tra il tumore e il bordo del tessuto circostante da asportare. Ovviamente, le raccomandazioni sulla strategia chirurgica da adottare, indicano di ottenere sempre “margini negativi” di resezione per minimizzare i rischi di sopravvivenza locale delle cellule tumorali.

Nasce la necessità di condurre dei test diagnostici intraoperatori per ottenere dei margini negativi di sicurezza.

Allo stato attuale, le tecniche convenzionali prevedono l’esecuzione di biopsia in cui prelievo e diagnosi avvengono durate l’intervento chirurgico. Il campione bioptico viene congelato all’interno di un particolare strumento chiamato criostato, all’interno del quale viene congelato e successivamente tagliato. Il vetrino così allestito, viene trattato con sostanze coloranti specifiche e pronto per la lettura al microscopio dall’anatomo patologo in un laboratorio adibito nei pressi della sala operatoria (Figura 2).

L’esito diagnostico, disponibile non prima di 30-40 minuti dal prelievo del campione bioptico, orienterà il chirurgo nella strategia chirurgica da perseguire.

Figura 2. Biospia estemporanea: l’esame istologico è eseguito immediatamente dopo l’arrivo del campione, mentre l’intervento chirurgico è in atto, in modo da consentire una diagnosi intraoperatoria utile al chirurgo per decidere il prosieguo dell’intervento.

Le criticità principali sono date dall’estemporaneità dei preparati bioptici, che richiedono un tempo più o meno lungo per la processazione e l’analisi del campione durante l’intervento chirurgico, con conseguente prolungamento del tempo anestetico per il paziente.

E’ evidente come il paziente e l’equipe chirurgica possa beneficiare di una diagnosi dei margini di resezione real-time durante l’intervento chirurgico.

I timidi approcci alla diagnosi intraoperatoria real-time come l’elettrocauterizzazione o i trattamenti con laser hanno lo stesso limite dell’analisi con criostato: l’analisi è condotta inducendo delle modificazioni alla struttura molecolare del campione prelevato portando a risultati poco attendibili.

Innovazione tecnologica nella diagnosi intraoperatoria dei margini tumorali

Un team multidisciplinare di scienziati e bioingegneri dell’ Università del Texas ad Austin ha progettato una penna (Figura 3) che, collegata ad uno spettrometro di massa, consente di fare diagnosi tumorale intraoperatoria. Un contributo importante è stato dato dal Prof. Jialing Zhang, ricercatore del laboratorio Eberlin Lab condotto dalla Prof. Livia S. Eberlin, il quale ha rilasciato una intervista esclusiva alla redazione di ingegneriabiomedica.org:  “MasSpec Pen è un dispositivo palmare rivoluzionario che, utilizzando delle gocce d’acqua a contatto con il tessuto biologico, è in grado di rilevare i margini del cancro. Attualmente, i metodi istologici utilizzati per valutare la presenza del cancro durante l’intervento chirurgico sono obsoleti, impiegano più di 30 minuti per essere completati, espongono il paziente ad un incremento del tempo anestetico e del rischio di infezione, e possono essere eseguiti solo su tessuto che è già stato rimosso dal paziente. La penna MasSpec ha il potenziale per rivoluzionare la chirurgia fornendo al chirurgo un dispositivo che consente una caratterizzazione tumorale accurata e rapida  prima che il tessuto venga rimosso, riducendo l’intera procedura di analisi a circa 10 secondi” .

Figura 3. Il Prof. Zhang, impegnato nei test diagnostici con la penna MasSpec

Il razionale del dispositivo si basa sul fatto che le cellule, sia cancerogene che sane, producono piccole molecole durante il metabolismo cellulare coinvolte, fra le altre cose, nei processi biochimici ed energetici che si svolgono negli esseri viventi. Ogni tumore produce specifiche molecole che caratterizzano il tipo di cancro e possono essere utilizzabili a fini diagnostici.

Dal momento che i prodotti del metabolismo cellulare derivanti dalle cellule sane e cangerogene sono differenti fra di loro, MasSpec ha la peculiarità di estrarre e analizzare tali molecole che fungono da biomarcatori e definiscono l’impronta genetica del tumore.

Principio di funzionamento della penna MasSpec

Il Prof. Zhang ci ha spiegato sinteticamente il funzionamento del dispositivo: La penna è collegata attraverso un cavo di Teflon allo spettrometro di massa con una lunghezza di 4,5 metri per disporre di spazio sufficiente al chirurgo durante l’utilizzo. Il principio di base della tecnologia proposta è ben noto come estrazione. Nelle cellule, ci sono specie molecolari biologiche, solubili in acqua, che verranno estratte dalla goccia d’acqua fornita dalla penna. Successivamente, la goccia d’acqua che trasporta queste molecole verrà condotta nello spettrometro di massa, ionizzata e rilevata. (Figura 4).

Figura 4. Il componente principale di MasSpec è la punta monuso in polidimetilsilossano (PDMS), fabbricata con tecnologia 3D, caratterizzata internamente da tre canali dedicati: un orifizio per il passaggio della goccia di acqua dalla penna al tessuto, un orifizio centrale per il rilascio di gas inerte (azoto o anidride carbonica) e un ultimo orifizio nel quale le molecole del tessuto biologico disciolte nella goccia di acqua, vengono estratte e inviate allo spettrometro di massa.

Il chirurgo, posizionando la penna sul tessuto da analizzare e azionando il pedale, attiva il processo di campionatura della durata di 10 secondi. Nello spettrometro di massa, il campione viene ionizzato e gli ioni vengono separati  in base al proprio rapporto massa/carica. A sua volta, gli ioni raggiungono il rilevatore dove l’energia ricevuta è convertita in un segnale elettrico per produrre lo spettro di massa. Sulla base dello spettro di massa ottenuto, il software è in grado di categorizzare le cellule tumorali e quelle sane. L’accuratezza del test diagnostico è risultata essere del 96,3%.

Potenzialmente lo strumento non ha limitazioni e può diagnosticare e caratterizzare qualsiasi tipo di tumore. Il Prof. Zhang ha concluso: “Riteniamo che non vi siano limiti per l’identificazione dei tumori con la penna. Ma avremo bisogno di costruire un database o un modello statistico per ogni tipo di cancro. Nel lavoro pubblicato su Science Translational Medicine, abbiamo riportato quattro tipi di cancro tra cui mammella, tiroide, polmone e ovaia utilizzando 253 tessuti umani. Finora abbiamo analizzato oltre 700 campioni prelavati da paziente e l’applicazione può essere estesa ai tumori cerebrali, ai tumori del pancreas e al melanoma”.

Da questo testimonianza emerge chiaramente la necessità di definire percorsi diagnostici e terapeutici sempre più accurati in linea con la cosiddetta Medicina di Precisione, già oggetto di articolo sul portale ingegneriabiomedica.org. Il dispositivo MasSpec è ambizioso e i primi risultati sembrano molto promettenti e potrebbe diventare uno strumento rivoluzionario nella cura dei pazienti oncologici, come già avvenuto con la robotica e le tecnologie ad ultrasuoni nelle resezioni epatiche.


Riferimenti:

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Informazioni autore

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Fabio Pullano

Ingegnere Biomedico, laurea magistrale con specializzazione in Biomeccanica presso l'Università degli Studi di Pavia.
Lavoro in un'azienda impegnata nella ricerca e commercializzazione di dispositivi medici innovativi nel campo
della Chirurgia Vertebrale, Neurochirurgia, Wound Care e Radiologia Interventistica.

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