Emergenza COVID, lotta al cancro e alle malattie neurodegenerative richiedono tecnologie diagnostiche sempre più avanzate, in grado di rilevare precocemente l’insorgenza delle varie patologie al fine di rendere le terapie sempre più efficaci e personalizzate.
Queste necessità impongono agli ingegneri elettronici lo sviluppo di sensori biologici sempre più sofisticati in grado di rilevare in maniera semplice, veloce e affidabile le molecole biologiche bersaglio a bassissime concentrazioni, così da fornire ai medici informazioni tempestive e dettagliate sul tipo di patologia e permettere loro di intervenire tempestivamente con terapie efficaci e personalizzate.
Al momento, esiste un enorme interesse verso lo sviluppo di tecniche di diagnostica molecolare basate su biosensori all’avanguardia, che stanno emergendo come nuova frontiera della medicina di precisione in virtù del loro potenziale come strumenti avanzati di screening, diagnosi precoce e monitoraggio in tempo reale degli effetti terapeutici.
Il mondo della ricerca sta cercando di rispondere a tali esigenze attraverso lo sviluppo di biosensori innovativi in grado di analizzare velocemente ed “in vivo” i diversi tipi di fluidi biologici (sangue, urine, saliva, sputum).
In questo contesto, le tecnologie delle fibre ottiche rappresentano dei candidati estremamente promettenti, vista la loro naturale attitudine a essere facilmente integrati in aghi e cateteri per diagnosticare i vari agenti patogeni e molecole bersaglio, direttamente all’interno del paziente con approcci minimamente invasivi. Uno studio recente in collaborazione tra l’Università del Sannio e l’Università di Napoli “Federico II” ha dimostrato la possibilità di sviluppare biosensori fotonici innovativi basati sull’integrazione di metasuperfici, fibre ottiche e nanotecnologie in grado di rilevare concentrazioni estremamente basse di molecole biologiche clinicamente rilevanti.
Lo studio, pubblicato nella prestigiosa rivista Laser & Photonics Reviews, è stato guidato dai professori Marco Consales e Andrea Cusano del Dipartimento di Ingegneria dell’Università del Sannio. Il team di ricerca comprende i Dr. Giuseppe Quero, Sara Spaziani, Maria Principe e Alberto Micco, e il Prof. Vincenzo Galdi, dello stesso Dipartimento, e il Prof. Antonello Cutolo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica edelle Tecnologie dell’informazione dell’Università di Napoli “Federico II”.
“In estrema sintesi, i biosensori in fibra ottica sviluppati, grazie a opportune metasuperfici realizzate utilizzando le più moderne nanotecnologie, sfruttano l’interazione della luce con le molecole da rilevare, che si traduce in caratteristiche direttamente osservabili nello spettro di luce riflessa dalla fibra – spiega Marco Consales -. Per le concentrazioni molto basse di interesse pratico in ambito biologico, tale interazione è però troppo debole e difficilmente rivelabile. Per amplificare questa risposta, abbiamo integrato sulla punta della fibra una ‘metasuperficie’ costituita da uno strato sottile di oro in cui abbiamo praticato una serie di fori rettangolari di dimensioni nanometriche e geometria accuratamente progettata. L’effetto ultimo della metasuperficie è una modifica locale delle leggi classiche di riflessione e rifrazione dell’ottica, che comporta un’amplificazione significativa nella capacità di riconoscere le molecole bersaglio anche se presenti in minima quantità”.
“Per valutare l’applicabilità in condizioni realistiche in ambito biologico, abbiamo studiato l’interazione biomolecolare tra biotina e streptavidina – aggiunge Andrea Cusano -. In ottimo accordo con le previsioni teoriche, abbiamo osservato una sensibilità molto elevata, in linea con quelle delle piattaforme più performanti, a fronte di una superficie attiva circa mille volte più piccola. Il nostro sensore è in grado di rivelare concentrazioni estremamente basse dell’ordine del picomolare. Si tratta di risultati estremamente promettenti che rappresentano un primo importante passo verso l’integrazione in aghi e cateteri per applicazioni di diagnostica molecolare ‘in vivo’ per biopsia liquida nel caso di cancro e patologie neurodegenerative.Le stesse piattaforme potranno costituire la base tecnologica per tamponi a basso costo in grado effettuare screening virologici e batteriologici in maniera veloce ed estremamente affidabile. Abbiamo già avviato la traslazione delle piattaforme sviluppate in applicazioni medicali con particolare riferimento ai tumori al seno, alla prostata ed al fegato nell’ambito dei progetti di Ricerca ‘NANOCAN – NANOfotonica per la lotta al CANcro’ e ‘NEON – Nanofotonica per nuovi approcci diagnostici e terapEutici in Oncologia e Neurologia’, e i primi risultati sembrano molto promettenti.
Inoltre, Unisannio insieme con il Centro Regionale di Competenza sull’Information and Communication Technologies (CeRICT) sta investendo pesantemente nello sviluppo di nanotecnologie innovative per applicazioni alla medicina di precisione, come dimostrato dalla nascita di una Infrastruttura di Ricerca completamente dedicata. Stiamo parlando del nuovo ‘Centro di Optoelettronica e Nanofotonica per la Salute dell’uomo – CNOS’ con sede in Benevento che sarà dotato delle più moderne nanotecnologie e biotecnologie per lo sviluppo di tecniche diagnostiche e terapeutiche di nuova generazione basate sull’uso della luce.”
