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Studiare i piccolissimi dettagli di cellule e molecole: il futuro (ambizioso) degli ultrasuoni

Grazie agli ultrasuoni sarà possibile guardare i più piccoli dettagli di cellule e molecole all’interno del nostro corpo. Ad esempio le cellule neoplastiche di un tumore, ma anche la flora batterica che vive nell’intestino umano.

Quando sentiamo la parola “ultrasuoni” pensiamo a un controllo medico, come quelli cui si sottopongono le donne in gravidanza, oppure all’abilità dei pipistrelli che sfruttano queste onde sonore per ispezionare l’ambiente e cercare piccole prede. Ma il campo dell’imaging, che fa rimbalzare gli ultrasuoni sui tessuti d’interesse per rivelarne le caratteristiche, sta andando verso una nuova era. In futuro potrebbe diventare la tecnologia d’elezione per studiare non solo l’anatomia “macroscopica”, ma guardare i più piccoli dettagli di cellule e molecole all’interno del nostro corpo. Ad esempio le cellule neoplastiche di un tumore, ma anche la flora batterica che vive nell’intestino umano.

Così apparirebbero le vescicole “al lavoro” all’interno del corpo umano. Crediti immagine: Barth van Rossum for Caltech

Studi e ricerche

Al California Institute of Technology, più noto come Caltech, gli studi sulle tecniche di protein engineering vanno proprio in questa direzione. Gli ingegneri hanno sviluppato delle nanostrutture, microscopiche vescicole di gas, che riflettono le onde sonore. Somministrandole a un paziente in prossimità dei tessuti che si vuole indagare, come un cancro o un’altra patologia, permetterebbero al medico di visualizzarli con estrema precisione e ottenere nuove preziose informazioni sulla malattia. Modificando le proteine sulle mini-vescicole è possibile far sì che abbiano come obiettivo uno specifico tipo di cellule, ma anche che durante il “viaggio” e una volta raggiunto l’obiettivo emettano dei forti segnali che permettano di monitorarle e visualizzarle. Proprio come una normale ecografia permette di vedere il feto che cresce, ma su scala infinitamente più piccola: dal livello anatomico a quello cellulare e molecolare.

L’ispirazione, come spesso succede, è arrivata agli scienziati dalla natura

Specificamente dalle vescicole piene di gas sfruttate da Anabaena, un genere di cianobatteri acquatici (un tempo noti col nome di “alghe azzurre”), per controllare il galleggiamento e l’esposizione alla luce del Sole. Gli ingegneri Caltech si sono resi conto che le vescicole riflettevano le onde sonore, e hanno verificato la loro ipotesi con dei primi studi condotti su dei modelli animali. L’intuizione è stata poi quella di “migliorare” le vescicole, o meglio integrare la loro preziosa attività con delle proteine naturali che potessero indirizzarle ove richiesto, oltre a conferire alla struttura forza ed evitarne la rottura.

Una colonia “a collana” di cianobatteri del genere Anabaena. Crediti foto: Wikimedia Commons, Veryn4ik89, CC BY-SA 4.0

I mattoncini Lego molecolari

Mikhail Shapiro, senior author dello studio che si è guadagnato la copertina della rivista scientifica ACS Nano, non perde l’occasione di paragonare le sue nanostrutture a dei “mattoncini Lego molecolari”, in cui l’incastro di diverse proteine permette di personalizzare la vescicola in base alle necessità ma anche di visualizzare varie molecole con colori differenti (e non solo il bianco e nero che oggi conosciamo per le immagini da ultrasuoni). Le tecniche di ingegneria genetica hanno già permesso di fare una verifica pilota, indirizzando le vescicole a riconoscere e avvicinare una specifica sequenza di amminoacidi tipica delle integrine, delle glicoproteine che vengono prodotte in quantità anormale nelle cellule tumorali. “Aggiungere queste funzionalità alle vescicole è come incastrare un nuovo mattoncino Lego. È un sistema modulare”, dice Shapiro.

La creazione di diversi modelli di vescicola ha già dato i primi frutti, permettendo di immaginare future applicazioni mediche.

Modificando la forza delle “proteine Lego”, all’aumento della pressione degli ultrasuoni le popolazioni di vescicole collassano più o meno velocemente. Via via che questo accade, il segnale degli ultrasuoni diminuisce ed è possibile mapparlo con diversi colori: se ogni popolazione di vescicole (con diversi livelli di forza) verrà progettata per raggiungere specifiche cellule, i ricercatori potranno essere in grado di visualizzare diverse cellule in vari colori. Distinguendo così con più facilità, ad esempio, le cellule tumorali da quelle coinvolte nella risposta immunitaria. “E monitorando, perciò, i progressi di un trattamento terapeutico”.

@Eleonoraseeing

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