Laser per scoprire i segreti del tessuto sanguigno

I globuli rossi sani hanno una forma che ricorda un salvagente, ma con una fossetta al posto del buco al centro. I globuli rossi malati o danneggiati, invece, spesso cambiano forma, per esempio gonfiandosi quando sono infettati dal parassita che causa la malaria. Rilevare rapidamente una forma irregolare potrebbe un giorno accelerare l’identificazione di malattie del sangue, di alcuni tipi di cancro o anche avvertire le banche del sangue che i globuli rossi che conservano non sono più efficienti, il tutto senza scalfire la pelle o spargere una sola goccia di sangue. Un nuovo approccio di imaging, chiamato fotoacustico, potrebbe trasformare questo sogno in realtà. La procedura, che sfrutta la potenza di luce e suono, si serve dell’induzione di emissione di ultrasuoni con un laser. Un gruppo di ricercatori della Ryerson University di Toronto ha usato onde sonore ad alta frequenza per creare nuove dettagliate immagini dei globuli rossi, permettendo alla scienza di fare un passo avanti verso quel futuro. I risultati sono stati pubblicati sul “Biophysical Journal”.Con la fotoacustica, una goccia di sangue è collocata in un particolare tipo di microscopio che cattura i suoni prodotti dalle cellule stesse. Poi i ricercatori sparano un raggio laser concentrato sui campioni. Subito dopo aver assorbito energia dall’impulso laser, i globuli ne rilasciano una parte in un’altra forma: come onde sonore. Poiché la composizione del sangue consente di assorbire la luce in modo diverso a differenti lunghezze d’onda, grazie ai principi della fotoacustica gli scienziati possono capire vari dettagli della forma della cellula. “E’ come un microfono”, dice l’autore dello studio Michael Kolios, professore di fisica alla Ryerson e direttore di ricerca in applicazioni biomediche degli ultrasuoni. “Ascoltiamo quello che accade.”Il problema è che attraverso questo tipo di imaging non era stato ancora possibile rilevare i cambiamenti nella forma dei globuli rossi al livello necessario per identificare eventuali malattie delle cellule.

Kolios e colleghi della Ryerson hanno ora ottimizzato un microscopio fotoacustico per rilevare frequenze molto elevate, riuscendo a riconoscere forme e dimensioni dei globuli rossi con una definizione mai raggiunta. Il loro successo apre le porte a un futuro che un giorno potrebbe includere dispositivi medici di scansione palmari in grado di tracciare le forme delle cellule.

In precedenza, per i loro esperimenti di fotoacustica i ricercatori potevano usare solo frequenze inferiori a 100 megahertz perché è difficile produrre sensori abbastanza efficienti con cui lavorare a frequenze maggiori. Le immagini realizzate a queste basse frequenze non rivelano molto, permettono agli scienziati di vedere che lì c’è una cella e poco più. Il gruppo di Ryerson è stato in grado di usare onde sonore con frequenze molto più elevate grazie a uno speciale sensore a ultrasuoni. Questo miglioramento ha permesso di “vedere” i globuli rossi con un dettaglio sufficiente per iniziare a stabilirne lo stato di salute.

Tuttavia, i globuli rossi vanno ancora osservati su un vetrino, perché il suono viaggia in modo imprevedibile quando attraversa tessuti e cavità del corpo. Quando una donna incinta fa un’ecografia, per esempio, i medici usano una frequenza molto bassa per ottenere le immagini del feto, perché un’onda ad alta frequenza potrebbe arrivare al feto, ma sarebbe poi rapidamente dispersa e assorbita dal tessuto circostante prima di lasciare il corpo della donna. Analogamente, in fotoacustica l’uso di alte frequenze non genera un’immagine dettagliata di qualcosa che si trovi all’interno del corpo.

Anche se c’è ancora una serie di problemi tecnici su cui lavorare, i ricercatori sono incoraggiati dalla chiarezza delle immagini disponibili con la fotoacustica. Il prossimo passo, dice Lihong Wang, ingegnere biomedico alla Washington University a Saint Louis, è cercare di ottenere informazioni dai punti in cui i vasi sanguigni sono relativamente accessibili, come il braccio. “Questo ispirerà qualche nuovo studio e forse potremo iniziare a considerare le informazioni fotoacustiche per valutare la forma di una singola cellula del sangue”, dice Wang.

Un’applicazione più immediata è il controllo del sangue che sta per essere usato negli ospedali e nella banche del sangue. I globuli rossi “scadono” dopo 42 giorni. “A differenza del latte, che un giorno è buono per essere versato nei vostri cereali e il giorno dopo è acido, per i prodotti del sangue il deterioramento inizia subito, dal giorno zero al giorno 42”, dice Jason Acker, che sta valutando la nuova tecnologia per i Canadian Blood Services, di cui è direttore allo sviluppo. Anche se il sangue è controllato rispetto alla presenza di contaminanti batterici e ai livelli di globuli bianchi ed emoglobina, la qualità del sangue non viene mai valutata, dice Acker, anche se può deteriorarsi più o meno velocemente a seconda di una varietà di fattori.

“Potrebbe essere utile avere a disposizione strumenti per valutare la qualità del prodotto poco prima della trasfusione o prima di consegnarlo a un ospedale.” Kolios ha iniziato i colloqui con i Canadian Blood Services per una partnership di ricerca mirata ad adattare questa tecnologia alla valutazione del sangue nelle banche che lo consrva.

Un’altra applicazione a lungo termine di questa tecnica potrebbe essere la rilevazione dei melanomi, per esempio. “Sono emozionato dal potenziale che questo lavoro ha per la rilevazione in vivo di cellule tumorali circolanti”, perché questa tecnologia è in grado di identificare le cellule tumorali in modo più rapido rispetto ai metodi attuali, dice Wang. Per adattare la tecnologia a un compito del genere, gli scienziati avranno bisogno di calibrare ulteriormente le lunghezze d’onda, dato che i globuli rossi sono di colore rosso, mentre la maggior parte delle cellule del melanoma sono ricche di melanina, che è nera, e assorbe la luce in modo diverso. Ma le possibilità aperte da questa scoperta prospettano agli scienziati un futuro migliore per il rilevamento tempestivo e meno invasivo delle malattie.