nanoparticelle diagnostiche
Sveva Valguarnera
Sveva Valguarnera

Nanoparticelle per individuare le infezioni in 20 minuti

Indice

Fino alla scoperta degli antibiotici, le malattie infettive rappresentavano una delle più importanti cause di mortalità del mondo: partendo dalla penicillina, negli ultimi 60 anni sono stati sviluppati moltissimi antibiotici e altri farmaci che hanno permesso di curare un elevato numero di malattie infettive, salvando così milioni di vite. Il campo della diagnostica non si è però evoluto con la stessa velocità: dal momento che ogni agente infettivo necessita di una terapia specifica, è estremamente importante poter conoscere con precisione la causa di un’infezione prima di poter curarla. Ad oggi, la maggior parte delle metodologie di diagnostica richiedono tempi abbastanza lunghi, che possono dilatarsi ulteriormente nel caso in cui non si abbiano a disposizione laboratori e strumenti adeguati. Si tratta di un problema che colpisce in modo particolare i paesi in via di sviluppo, nei quali molte patologie poco comuni nel mondo occidentale sono invece endemiche: basti pensare ad esempio alla malaria o alla febbre tifoide, o alle ultime epidemie come quella dell’Ebola.

Diagnosi delle malattie infettive – le tecniche attuali

Le malattie infettive sono tutte quelle malattie provocate da un agente infettivo esterno, come un batterio, un virus o un micete. Esistono dunque due possibilità per la diagnosi di questo genere di patologie: le metodologie di diagnosi diretta, che hanno lo scopo di evidenziare la presenza del microorganismo in un campione biologico, e le metodologie di diagnosi indiretta che determinano invece la presenza di una risposta immunologica alla presenza del microorganismo.

Diagnosi Diretta

I metodi più comuni per la diagnosi diretta sono le indagini colturali; esse consistono nella coltura del campione biologico ottenuto dal paziente – ad esempio sangue, urina, liquido cefalo-rachidiano o altro – in un terreno specifico che permette al microorganismo, se presente, di moltiplicarsi. Il principale difetto delle indagini colturali consiste nei tempi necessari affinché il microorganismo di moltiplichi abbastanza da essere identificato: non tutti i microorganismi infatti si riproducono con la stessa velocità, e in alcuni casi possono essere necessarie anche diversi giorni.

Dopo aver effettuato la coltura, è necessario identificare il microorganismo: a questo scopo si utilizzano delle tecniche di natura immunologica come l’ELISA, che permettono di rilevare la presenza di specifici antigeni presenti sui microorganismi. Un’altra possibilità è rappresentata dalla PCR, Polymerase Chain Reaction: si tratta di una tecnica nella quale si utilizzano specifiche sequenze di RNA che corrispondono ad analoghe sequenze di DNA del microorganismo, e che legandosi ad esse avviano il processo di duplicazione, aumentando così la concentrazione di DNA microbico nel campione in tempi abbastanza bene. Il DNA così amplificato potrà dunque essere visualizzato.

Diagnosi Indiretta

Si tratta di una tecnica meno utilizzata rispetto alla diagnosi diretta; consiste nel cercare nel campione biologico non direttamente il microorganismo, ma gli anticorpi prodotti dal paziente in risposta all’infezione. Dalla concentrazione di anticorpi e dal loro tipo specifico è spesso possibile evidenziare il tipo e il momento dell’infezione.

Diagnosi mediante sonde nanometriche – una nuova frontiera

Pur avendo un’indiscussa validità scientifica, le tecniche di diagnosi diretta hanno diversi svantaggi: necessitano innanzitutto di un laboratorio ben attrezzato, hanno spesso tempistiche di alcuni giorni e sono particolarmente soggette all’errore umano, ad esempio in caso di inquinamento del campione. Dal momento che le malattie infettive rappresentano un problema su scala più vasta nei paesi in via di sviluppo, dove spesso è necessario spedire il campione ad un laboratorio anche molto distante, questi problemi hanno causato la perdita di moltissime vite umane: iniziare la terapia per una patologia diversa da quella realmente in atto, ad esempio, può fare la differenza tra la vita e la morte, o tra un recupero totale e uno solo parziale. Per questo motivo, un gruppo di ricerca canadese guidato da Shana O. Kelley, professoressa all’università di Toronto e dirigente dell’azienda di tecnologie biomediche Xagenic, ha cercato un approccio diverso al problema della diagnostica.

Il motivo per cui si utilizzano la PCR e le indagini colturali, infatti, è da ricercare nel fatto che la concentrazione di microorganismi e marcatori molecolari all’interno di un campione biologico non è particolarmente elevata: si tratta letteralmente di cercare un mucchietto di aghi all’interno di un enorme pagliaio.

Inizialmente il gruppo di ricerca si è ispirato ai dispositivi attualmente esistenti per il controllo della glicemia: il principio alla base del loro funzionamento consiste infatti nell’utilizzo del glucosio per chiudere un circuito, generando così una corrente elettrica proporzionale alla concentrazione di glucosio nel sangue. In modo analogo, per la rilevazione del DNA batterico è stato utilizzato un sensore di spessore millimetrico realizzato in oro, con alla sua estremità una molecola di DNA progettata per aderire perfettamente a una determinata sequenza di DNA batterico. Questo metodo però aveva un grosso problema: non era infatti abbastanza sensibile alle concentrazioni di DNA batterico che normalmente si trovano nel sangue dei pazienti infetti.

La soluzione a questo problema è stata trovata diminuendo le dimensioni della sonda: utilizzando infatti sensori di dimensioni nanometriche, realizzati a forma di “cupola” con molte “spine”, è stato possibile aumentare la probabilità che sensore e bersaglio entrassero effettivamente in contatto. Il metodo è stato successivamente raffinato con la realizzazione di chip in silicio contenenti queste cupole realizzate in oro; aumentando il numero di cupole è stato possibile utilizzare un numero maggiore di particelle esce, arrivando così a identificare fino a 20 tipi di batteri con un solo esame della durata di 20 minuti, dunque perfettamente adatto ad essere utilizzato nell’ambito di una normale visita medica di controllo.

L’utilizzo di questo metodo è ancora sperimentale; i primi test clinici, infatti, avranno luogo quest’anno. Si tratta comunque di un metodo che ha già mostrato di essere enormemente promettente e che potrebbe fare la differenza per moltissime persone.

Altri utilizzi delle nanoparticelle

Questo non è il solo ambito medico in cui le nanoparticelle hanno trovato utilizzo: sono infatti in corso diversi studi volti a valutare la possibilità di utilizzarle in ambito anestetico e oncologico. Ad esempio, un gruppo di ricerca della Northwestern University di Chicago ha recentemente messo a punto un sistema di ricerca del DNA tumorale che si basa sull’utilizzo di nanosfere d’oro, e che potrebbe potenzialmente individuare i tumori nei primissimi stadi della loro esistenza.

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