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Diagnostica Tecnologie di supporto

I nuovi dispositivi “smart” che rivoluzioneranno il mondo della diagnostica

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Scritto da Lorenzo Morelli

Abbiamo visto nel precedente articolo – TBIcheck: il dispositivo smart che rileva lesioni cerebrali con una goccia di sangue – che la diagnostica sta diventando sempre più a “portata di mano”, sempre più “smart”: questo dispositivo è solo uno degli ultimi strumenti di diagnostica rapida sviluppati fino ad oggi.

Nell’ultimo anno il mercato delle health-technologies e la sostenibilità delle spese mediche per individuo ha virato nella direzione di riduzione di costi e tempi di elaborazione dei risultati strumentali.
Sono stati dunque sviluppati diversi test diagnostici di questo genere, differenziati dalla scelta dei biomacatori per la rilevazione delle malattie, dalla tipologia di malattie stesse e dalla tecnologia usata. Ovviamente la commercializzazione e l’uso abituale di queste nuove tecnologie richiederà tempo in quanto dovranno avere una approvazione da parte degli organi governativo-istituzionali competenti.

Vediamo dunque quali altri sono questi dispositivi.


CancerSeek: il rilevatore di tumori

CancerSeek come suggerisce il nome, ha il compito di individuare cellule tumorali sempre attraverso l’analisi ematica di un quantitativo minimo di sangue, ma contrariamente a TBIcheck, dove i marcatori erano esclusivamente di natura proteica, questo test usa come marcatori proteine e DNA.

Sviluppato agli inizi del 2018 il test è in grado di identificare fino a otto diversi tipi di tumori.Messo a punto da un team di ricercatori, guidati da Nickolas Papadopoulos della Johns Hopkins University di Baltimora, lo hanno testato su 1005 persone che avevano già ricevuto diagnosi per appunto otto diversi tipi di tumore (alle ovaie, al fegato, allo stomaco, pancreas, esofago, colon-retto, polmone o mammella), senza metastasi, di stadio compreso tra I e III. Come già detto questo dispositivo utilizza due diversi tipi di biomarcatori per l’identificazione dei tumori: DNA e proteine. La positività al test si ha appunto nel momento in cui vengono rivelate o mutazioni nei geni o elevati livelli delle proteine nel siero sanguigno.

(Funzionamento di CancerSeek)

A seguito del testing effettuato sui pazienti, CancerSeek è riuscito a identificare i tumori con un grado di “sensibilità” alquanto diverso: nel caso del tumore al seno non superava il 33% mentre nel caso del tumore alle ovaie la sensibilità arrivava al 98%; tutti tumori difficili da identificare. In alcuni casi è stato possibile avere anche informazioni sul sito di origine del tumore.

Purtroppo è rimasta una grossa limitazione sull’applicabilità di questo test in ambito clinico: la rilevazione con una discreta sensibilità del dispositivo si scontra con le condizioni nelle quali riesce ad identificare l’origine del tumore: cioè (ad oggi) solo su persone che hanno già manifestato sintomi o per i quali sono stati già diagnosticati i tumori stessi. Nonostante sia risultato che il test avesse sensibilità altissima nello stadio I per quelli al fegato (100%), al tempo stesso c’era un’ulteriore problema: le proteine utilizzate non erano marcatori specifici solo dei tumori e andavano dunque a falsarne l’esito.

CancerSeek al momento è in fase di test su un campione di donne di età compresa tra i 65 e i 75 anni, senza diagnosi di tumore. Colore che risulteranno positive al test per due volte verranno poi sottoposte a esami di imaging per confermare l’eventuale presenza del tumore e ciò potrebbe potenzialmente portarlo ad un futuro impiego concreto.

Un chip microfluidico per la diagnosi della BPCO

Un team di ricercatori del Laboratorio di Immunologia dell’Università di Manitoba, nel 2016, ha sviluppato un dispositivo in grado di diagnosticare la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) utilizzando un chip microfluidico e piccoli campioni di sangue.

In uno specifico studio sui costi della morbosità correlata alla spesa per gli esami strumentali per individuo per la BPCO, negli Stati Uniti, si evince che la quota maggiore (73%) della spesa medica totale è imputabile al solo ricovero in ospedale. La restante quota di spesa risulta equamente distribuita tra visite ambulatoriali (15%) e costi per i farmaci (12%); la spesa medica totale risulta così sproporzionalmente distribuita. In uno studio prospettico, ad un anno, su un campione di oltre 1500 pazienti con BPCO sono stati calcolati i costi in funzione della gravità della malattia: è risultato pressoché doppio rispetto a quelli con asma.

É apparsa chiara quindi l’importanza di diagnosticare i pazienti ad elevato rischio di sviluppare BPCO non solo in termini di costo per le famiglie e delle strutture, ma anche per non dover avere casi di “overtreatment” cioè esami clinici, anche invasivi ed inutili. Su questa linea guida il team di scienziati guidati da Francis Lin del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Manitoba, hanno sviluppato appunto il dispositivo.

(Struttura e funzionamento del test per BPCO)

Prelevati pochi microlitri di sangue da un donatore sano, vengono posizionati su un chip microfluidico: i globuli bianchi del sangue del donatore, saranno attratti dal campione di espettorato, qualora il paziente sia affetto da BPCO e si muoveranno attraverso il gradiente imposto dal chip stesso. In base al numero di globuli bianchi che transitano verso l’alto sulla pendenza del gradiente (verso il campione del paziente), il chip può diagnosticare la BPCO.Anche in questo caso il vantaggio di questo metodo è che il sangue non richiede ulteriore manipolazione, viene utilizzata una piccola goccia di sangue intero e la procedura non richiede strutture specializzate per l’elaborazione e il test dei campioni. Il test può richiedere al massimo 25 minuti, non giorni.

Speriamo di definire meglio i criteri di diagnosi della BPCO e di valutare lo stadio della malattia dal test di migrazione cellulare […] speriamo che il test di migrazione cellulare possa fornire più informazioni diagnostiche rispetto ai metodi di diagnosi tradizionali.

(Francis Lin)

Un LoC per la diagnosi e monitoraggio del mieloma multiplo

Il professor Soper e il suo team di ricerca dell’Università del Kansas, finanziati dall’Istituto Nazionale di Immagini Biomediche e Bioingegneria (NIBIB) il 22 gennaio 2018, hanno sviluppato un LoC (Lab-on-a-chip) microfluidico per diagnosticare e monitorare il mieloma multiplo. Anche questo sistema come i precedenti (a basso costo) utilizza un quantitativo esiguo di sangue.
Il mieloma multiplo è una forma di cancro che colpisce le plasmacellule, un tipo di globuli bianchi importante per il sistema immunitario. L’origine di quest’ultime è nel midollo osseo, dove sono 100 volte più prevalenti rispetto al sangue circolante nel sistema sanguigno.

Attualmente per diagnosticare il mieloma multiplo, è necessaria una biopsia del midollo osseo, con la quale si estrare una porzione di midollo della larghezza di una matita e valutata in un laboratorio per la presenza di plasmacellule malate. Dunque l’esigenza di questo dispositivo di diagnostica nasce soprattutto dalla natura molto invasiva della procedura adottata.

(Struttura del LoaC)

Il dispositivo è composto da 50 canali in percorsi sinusoidali prodotti all’interno di una piastra di plastica delle dimensioni di un biglietto da visita. Analogamente a quanto visto precedentemente, gli anticorpi sulla superficie dei canali (derivanti da una quantità di sangue di donatore sano)catturano specificamente le plasmacellule malate.
Il team di Soper, ha lavorato negli ultimi 10 anni per sviluppare test basati sul sangue per una varietà di tumori. Ad oggi stanno usando lo stesso test e la stessa tecnologia per monitorare la recidiva della malattia nei bambini con un’altra forma di tumore del sangue e delle ossa, chiamata leucemia linfoblastica acuta. In uno studio clinico in corso presso il Children’s Mercy Hospital di Kansas City, stanno utilizzando un dispositivo riprogrammato per la ricerca di cellule leucemiche nel sangue circolante, aggirando la necessità di biopsie del midollo osseo.

La diagnostica diventa smart(phone)

Come abbiamo già detto il futuro della diagnostica si incanala sui binari della sostenibilità delle cure e della rapidità. Parallelamente assistiamo ad una continua digitalizzazione delle informazioni, a partire dalla telefonia mobile. Così alcuni ricercatori dell’Università dell’Illinois hanno deciso di unire le due cose: sono riusciti a ricreare l’efficienza dei laboratori medici su uno smartphone.

(TRI-Analyzer applicato sullo smartphone)

Il team di ricerca della facoltà di Bioingegneria, guidato dal professor Brian Cunningham, ha implementato così un sistema relativamente economico, noto come analizzatore spettrometrico di intensità di trasmissione-riflettanza (TRI-Analyzer); questo dispositivo utilizza l’analisi spettrale per eseguire molti dei test di laboratorio più comuni. Date le capacità, è in grado di adattarsi per eseguire un’ampia varietà di test senza la necessità di un laboratorio dedicato. Qualsiasi esame diagnostico che richieda l’utilizzo di un liquido che cambi colore o generi un’emissione luminosa (si pensi ai coloranti fluorescenti), può essere eseguito con questo sistema collegato a uno smartphone.

Il TRI-Analyzer funziona convertendo la fotocamera dello smartphone in uno spettrometro ad alte prestazioni. Nello specifico, essa illumina un fluido campione con il flash LED bianco della fotocamera del telefono. La luce emessa dal campione in risposta, viene raccolta in una fibra ottica (disposta all’interno di una culla di plastica stampata in 3D) e guidata attraverso un reticolo di diffrazione dalla fotocamera interna allo schermo del telefono. Può inoltre misurare simultaneamente più campioni in quanto utilizza una cartuccia che scorre attraverso un’apertura nella parte posteriore della base stampata.

(Funzionamento del sistema su smartphone)

Il team di Cunningham ha utilizzato l’analizzatore TRI per eseguire un test dei disponibili in commercio, quello per rilevare un biomarcatore associato alla nascita prematura nelle donne in gravidanza. I risultati dei test sono stati comparabili a quelli acquisiti con strumentazione spettrometrica di livello clinico. Il costo economico e la trasportabilità rendono questo dispositivo uno strumento inestimabile nel servire le persone che vivono in regioni sottosviluppate in tutto il mondo.

Con l’aiuto della scienza e della tecnologia, si stanno portando i laboratori fuori dall’ospedale, letteralmente, mettendoli nelle mani di persone che ora hanno il potere di salvare e cambiare la vita di chi ne ha più bisogno.

Inoltre, cogliamo l’occasione con questo articolo, per invitare tutti i nostri lettori a donare il sangue: una goccia può fare tanto come abbiamo visto …una donazione molto di più!
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Informazioni autore

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Lorenzo Morelli

Studente e laureando in Ingegneria Clinica presso l'università "La Sapienza" di Roma. Ambiti di interesse: le neuroscienze e tecnologie chirurgiche innovative.

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