Un naso elettronico per scoprire i tumori

aperturaL’analisi dei composti volatili emessi dal corpo umano è considerata una delle più promettenti applicazioni della ricerca sui sensori artificiali con importanti ricadute nella diagnostica medica. Corrado Di Natale è professore ordinario di elettronica presso l’Università di Roma Tor Vergata, insegna «Dispositivi Elettronici e Sensori» e «Sensori Chimici e Biosensori» nei corsi di laurea in Ingegneria Elettronica. La sua attività scientifica si è sempre svolta nell’ampio settore della sensoristica, in particolare dei sensori chimici e biosensori, il tratto più originale di questa attività riguarda i sistemi sensoriali artificiali, in particolare l’olfatto e il gusto. Ha contribuito allo sviluppo dei cosiddetti nasi elettronici e lingue elettroniche e alla loro applicazione in diversi settori, per esempio le applicazioni dei sistemi olfattivi artificiali alla diagnostica medica.

Professor Di Natale che cosa si occupa il Sensor Group da lei diretto assieme al Professor Paolesse?
Il gruppo di ricerca del Sensors group dell’Università di Roma Tor Vergata è diviso in due laboratori: uno diretto da me al Dipartimento di Ingegneria Elettronica, e l’altro diretto dal Professor Roberto Paolesse al Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche. Le nostre competenze complementari ci consentono di studiare tutti gli elementi che compongono il sensore chimico. Abbiamo scelto di utilizzare come materiale sensibile le metalloporfirine, queste sono molecole che trovano un ampio utilizzo in natura (per esempio il trasporto di ossigeno nella emoglobina o la fotosintesi clorofilliana). Sfruttiamo le proprietà di legame di queste molecole, sintetizzate nei nostri laboratori, allo scopo di massimizzare la sensibilità verso i composti chimici di interesse, per realizzare dei sensori chimici basati sulla misura della variazione di massa, delle proprietà ottiche e del potenziale di superfice. Oltre a realizzare i sensori progettiamo e realizziamo dei sistemi sensoriali completi quale, per esempio, il naso elettronico, quest’ultimo si basa sul principio della selettività combinatoria proprio dell’olfatto naturale. Nell’olfatto i singoli recettori non sono sensibili a una singola specie chimica ma piuttosto un singolo recettore «sente» più composti volatili e la stessa specie è «sentita» da più recettori, poiché i recettori sono differenti l’insieme dei segnali fornisce un «fingerprint» che identifica univocamente l’odore. Nel nostro caso, utilizzando una matrice di sensori con diverse metalloporfirine si ottiene, in principio, lo stesso tipo di discriminazione. Nel corso degli anni ci siamo specializzati nell’utilizzo del naso elettronico in differenti contesti applicativi come per esempio il controllo della qualità e della freschezza degli alimenti, la diagnosi medica e il controllo ambientale. Oltre alla diagnosi di tumore polmonare, abbiamo ottenuto risultati incoraggianti anche per altre patologie come per esempio l’asma e il melanoma (in questo caso misurando l’emissione della pelle). Per quanto riguarda il controllo ambientale lo strumento può essere utilizzato per esempio per mappare l’impatto ambientale di sorgenti di odore.

Ci può spiegare in dettaglio la vostra ricerca in merito all’uso dei moscerini della frutta per individuare i composti volatili prodotti da cellule tumorali?

Corrado Di Natale.

Corrado Di Natale.


Questa ricerca scaturisce dalla natura stessa degli studi sui sistemi olfattivi artificiali, il cui paradigma fondamentale per è, ovviamente, il sistema olfattivo naturale. Nel corso degli anni la comunità scientifica dei sensoristi chimici interessati all’olfatto artificiale si è arricchita della presenza di un numero sempre maggiore di neurofisiologi interessati a gettare un ponte tra quello che loro imparano sul funzionamento dell’olfatto e le possibilità tecnologiche di replicarlo in un sistema artificiale. Un collega particolarmente interessato a questi aspetti, il professor Giovanni Galizia dell’Università di Costanza, ha deciso di passare un anno sabbatico nel 2013 presso il mio laboratorio; è un esperto dell’olfatto degli insetti e studia la fisiologia dell’olfatto della drosophila melanogaster, il comune moscerino della frutta, che è un laboratorio ideale per lo studio delle funzionalità degli insetti. Per studiare le proprietà del sistema olfattivo gli animali sono geneticamente modificati, allo scopo di rendere visibile la attività dei recettori olfattivi, questo si ottiene attraverso un gene che esprime una proteina fluorescente che funziona come sensore della concentrazione del calcio intracellulare. Il meccanismo di funzionamento dei recettori olfattivi è basato su una proteina transmembrana che all’esterno della cellula lega la molecola odorosa e in conseguenza del legame produce all’interno della cellula stessa una reazione biochimica che porta alla apertura di un canale del calcio. La misura della risposta dei recettori olfattivi viene quindi realizzata per via ottica con un microscopio che «fotografa» l’epitelio olfattivo sotto luce UV. Le zone dell’epitelio che emettono luce corrispondono ai recettori che sono attivati dall’odore. Lo scorso anno abbiamo lavorato a un progetto finanziato dalla Fondazione Veronesi e mirato alla identificazione in vitro di cellule cancerose, responsabile del progetto è il Dott. Eugenio Martinelli del mio gruppo, grazie a ciò avevamo a disposizione colture di cellule mammarie sia cancerose sia normali. Con il professor Galizia ci siamo domandati se l’olfatto della drosofila fosse sensibile ai composti emessi dalle colture cellulari e soprattutto se le risposte olfattive sono sufficientemente differenti da permettere la identificazione del tipo di cellula. Entrambe le domande hanno avuto risposta positiva, l’olfatto della drosofila risponde alle emissione volatili cellulari e le risposte sono diverse se le cellule sono normali o cancerose. In letteratura ci sono alcune evidenze della capacità di animali di identificare soggetti malati di cancro. Nel nostro caso abbiamo una lettura primaria della risposta cellulare senza nessuna mediazione che coinvolge per esempio la memoria dell’animale, è significativo in tal senso che tutti gli individui che abbiamo testato hanno fornito un segnale positivo. Si prefigura, inoltre, la possibilità di utilizzare un insieme di animali per ridurre le incertezze sperimentali e rafforzare l’identificazione. Il risultato che abbiamo ottenuto è un biosensore sui generis, nei biosensori di solito una reazione biologica viene isolata dal contesto cellulare e trasferita su un trasduttore, dove l’interazione viene convertita in un segnale elettrico. In questo caso, l’animale mantiene la normale funzionalità fisiologica e il trasduttore applicato consiste in una sonda fluorescente che è assolutamente non invasiva.

Sensori
Sono dispositivi fondamentali per lo sviluppo della tecnologia in quanto stabiliscono un ponte tra la elettronica e l’ambiente esterno. Il loro sviluppo richiede una molteplicità di competenze. Per realizzare un sensore chimico sono necessarie competenze di chimica, di scienza dei materiali, di elettronica e di analisi dei dati. In ultimo bisogna comprendere la applicazione del sensore e, quindi, conoscere le tematiche tipiche del settore applicativo.

Sviluppi e progetti futuri
I prossimi passi di questa ricerca riguardano l’identificazione dei recettori olfattivi maggiormente sensibili e selettivi nei confronti dei composti volatili, emessi dalle cellule cancerose. Per un utilizzo pratico di questi risultati possiamo immaginare due scenari entrambi realizzabili. Il primo consiste nella realizzazione di un biosensore funzionalizzato con i recettori olfattivi estratti dall’epitelio olfattivo della drosofila, mentre il secondo consiste nel rafforzare la proprietà di identificazione delle cellule cancerose da parte dell’animale.

di M. Colombini

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