Sensori per gas applicati alla diagnostica tumorale

L’unione delle forze di una unità di ricerca, quale il Laboratorio Sensori dell’Università di Ferrara, e di una giovanissima realtà aziendale come SCENT S.r.l. permette di coprire tutti i gradini dello sviluppo di dispositivi medici, dalla progettazione al trasferimento tecnologico. 
Di Giulia Zonta, Nicolò Landini, Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra, Università di Ferrara e SCENT S.r.l, Cesare Malagù, Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra, Università di Ferrara

Il team del Laboratorio Sensori (LS) del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell'Università di Ferrara si occupa da oltre un ventennio dello studio e della realizzazione di sensori per gas. Tali dispositivi sono basati su materiali semiconduttori sotto forma di piccoli grani di dimensioni nanometriche, capaci di variare la propria resistenza elettrica quando entrano in contatto con i gas. I sensori sono inseriti all’interno di un circuito elettrico ed il segnale generato dalla reazione di superficie col gas rappresenta la cosiddetta “risposta” del sensore. Essendo questi dispositivi molto piccoli (in Figura 1 sono comparati con le dimensioni di 5€cent), essi risultano anche estremamente versatili e facilmente implementabili in strumenti di vario tipo. Ciò li rende adatti alle più svariate applicazioni, come ad esempio il monitoraggio ambientale, domestico ed industriale o la ricerca medica. Nel corso degli ultimi cinque anni, la ricerca del LS si è concentrata proprio sull’applicazione dei sensori per gas alla medicina preventiva.

L’idea è nata a partire da una ricerca bibliografica [1, 2] grazie alla quale siamo venuti a conoscenza dei cosiddetti “biomarcatori” tumorali, ossia composti volatili originati dalla modificazione della membrana cellulare (reazione chiamata di perossidazione) nel corso del manifestarsi di un tumore. Ciascuno stadio e tipologia tumorale dà luogo all’emissione di biomarcatori di diversa natura, identificabili sia direttamente, nell’ambiente circostante le cellule stesse, che indirettamente all’interno dei fluidi corporei (sangue, respiro, urine, gas intestinali o feci) [3]. La potenzialità di tali biomarcatori nell’ambito della diagnostica tumorale assume una portata elevatissima, in quanto l’identificazione degli stessi rappresenta un segnale d’allarme inequivocabile della presenza del tumore, sin dai primi stadi. 

La rivelazione di tali composti prima della degenerazione del tumore allo stadio maligno e/o metastatico rappresenterebbe una metodologia non invasiva di screening che potrebbe salvare la vita a molte persone. Essendo i sensori prodotti al LS sensibili a concentrazioni di gas anche estremamente basse (fino a decine di parti per miliardo), essi sembrano adattarsi perfettamente a questo scopo. Il team LS si è da subito concentrato in particolar modo sul cancro al colon retto, altresì indicato con l’acronimo CCR. Le prime ricerche del team sono state effettuate in laboratorio, studiando le risposte di materiali per sensori molto differenti tra loro a biomarcatori per il CCR (come 1-iodo-nonano e decanale) e gas tipici dell’atmosfera intestinale, immaginando di riprodurre l’atmosfera interna all’intestino in una cameretta di misura chiusa ermeticamente, nella quale sono stati inseriti i sensori. I gas interferenti (come azoto, ossigeno, idrogeno, metano, etc.), contenuti in bombole, sono stati diffusi all’interno della camera di misura mediante flussimetri e tubi in Teflon, mentre i biomarcatori (in origine in forma liquida) sono stati fatti evaporare e condotti alla camera per mezzo di un flusso di aria.

Queste ricerche preliminari hanno permesso di comprendere quali fossero i materiali più adatti per identificare i biomarcatori del CCR nell’intestino ed hanno fornito il materiale per la pubblicazione di due articoli su rivista [4, 5]. Il CCR si classifica al terzo posto per diffusione nel mondo tra le diverse tipologie di tumori, ma presenta anche un elevato tasso di curabilità se identificato per tempo (quando ancora allo stadio di polipo). Lo screening preventivo è perciò fondamentale. Ad oggi, in Italia il Sistema Sanitario Nazionale si affida alla ricerca del sangue occulto nelle feci, o FOBT (dall’inglese “fecal occult blood test”), a cadenza biennale su tutti i soggetti tra i 50 e i 69 anni di età. Questo test ricerca nelle feci i prodotti del sanguinamento dei polipi intestinali. Se un soggetto risulta positivo al FOBT, viene immediatamente invitato ad eseguire la colonscopia per l’accertamento della diagnosi e l’eventuale rimozione del tumore. Tuttavia il FOBT presenta un alto numero sia di falsi negativi (circa 20%), ossia tumori non identificati per mancato sanguinamento, che di falsi positivi (circa 60%) dovuti alla presenza di tracce di sangue nelle feci causate da patologie infiammatorie.

Per questo motivo i membri del team LS hanno realizzato un dispositivo portatile che, grazie ad una serie di sensori scelti, un apparato pneumatico e di una unità per l’elaborazione dei dati sarà in grado di effettuare una diagnosi del CCR mediante l’analisi delle esalazioni gassose prodotte da un campione di feci. L’approccio è diverso da quello delle prime ricerche in quanto il dispositivo non identifica i biomarcatori tumorali singolarmente, ma distingue le miscele sane e malate “odorandole” nella loro totalità.

Una combinazione di sensori di materiali scelti permette di riconoscere la differenza tra l’odore delle feci di soggetti sani da quelle di soggetti affetti da CCR in modo non invasivo. Questo progetto ha potuto nascere anche grazie alla costituzione di una start-up, di nome SCENT S.r.l. (SemiConductor-based Electronic Network for Tumors), per il trasferimento tecnologico del dispositivo e la cui sinergia con UNIFE è fondamentale per l’avanzamento della ricerca. Gli stessi membri del team LS sono anche azionisti e cofondatori della società, che acquista così un know-how che racchiude le esperienze di molti anni di lavoro. Il dispositivo, di nome SCENT A1, è riportato in Figura 2.

Dopo un primo studio di fattibilità effettuato con successo grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Morfologia, Chirurgia e Medicina Sperimentale di UNIFE e che ha portato alla pubblicazione di un articolo e di un libro [6, 7], ad oggi SCENT ha ottenuto il via libera da parte del Comitato Etico e sta effettuando i test per la validazione clinica del dispositivo in collaborazione con i gastroenterologi dell’Ospedale S. Anna e l’Unità Operativa Igiene Pubblica (AUSL) di Ferrara. I soggetti risultati positivi al test FOBT sono invitati, prima di essere sottoposti a colonscopia, a consegnare un campione di feci aggiuntivo congelato, affinché le caratteristiche rimangano inalterate fino all’esecuzione del test. Su tale campione si eseguono i test con SCENT A1 in modo da aumentare i dati statistici e confrontare gli esiti con la colonscopia, eletta a “gold standard”.

Le tecniche di analisi dei dati utilizzate (come l’analisi delle componenti principali) permettono di ottenere dati significativi combinando le risposte dei singoli sensori del dispositivo e di fornire informazioni preziose sullo stato di salute del paziente. È attualmente in corso lo sviluppo di un software dedicato da associare al dispositivo, che permetta l’automatizzazione del sistema e di fornire l’esito del test (positivo o negativo) grazie ad un semplice sistema a soglia.

Le potenzialità di SCENT A1 riguardano un miglioramento del sistema di screening nazionale, affiancandosi al FOBT, senza complicarne troppo le procedure di raccolta. Ciò permetterà non solo di eliminare molti falsi negativi del test, salvando quindi vite di persone che altrimenti non avrebbero approfondito il proprio stato di salute, ma anche di ridurre il numero dei falsi positivi e quindi delle colonscopie inutili. Queste ultime infatti hanno un rischio intrinseco di perforazione intestinale non irrisorio ed è quindi sconsigliabile effettuarle qualora non necessarie. Il vantaggio tuttavia sarà tangibile anche per il Sistema Sanitario Nazionale che, qualora decidesse di adottare il dispositivo negli ospedali, potrà risparmiare in termini economici sui costi di degenza. La ricerca di SCENT ed LS tuttavia è in continua evoluzione ed abbraccia anche rami che si collocano ad un livello antecedente all’impiego diretto dei sensori alla diagnostica. Un secondo prototipo, chiamato SCENT B1 (in Figura 3), è stato concepito con lo scopo di studiare il fenomeno dell’emissione dei biomarcatori tumorali direttamente alla sorgente: le cellule.

Lo strumento ha un principio di funzionamento simile a quello di SCENT A1, con la differenza che i sensori scelti sono specifici per questo scopo e l’applicazione degli stessi è oggetto di brevetto nazionale. Grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Scienze della Vita e Biotecnologie di UNIFE sono stati effettuati studi sperimentali che mettevano a confronto il respiro di colture cellulari primarie sane (fibroblasti) con cellule “immortalizzate”, ossia aventi subito una modificazione genetica (mediante adenovirus) che le ha rese capaci di riprodursi indefinitamente. Per queste caratteristiche, le cellule immortalizzate sono molto simili a tumori e sono state utili per un primo confronto.

Ciò che è emerso da questo studio è che le emissioni gassose delle cellule immortalizzate danno una risposta più elevata rispetto alle sane, dovuta ai biomarcatori ed al metabolismo più veloce. Da questi primi risultati ha avuto origine il secondo step di questa ricerca, tutt’ora in corso, che mira a confrontare tessuti sani e masse tumorali intestinali prelevate tramite biopsia da soggetti che hanno eseguito la colonscopia.

Lo scopo dello studio è approfondire le dinamiche alla base della produzione di biomarcatori volatili da parte dei tessuti tumorali. SCENT B1 ha inoltre una seconda applicazione nell’ambito della salute, ossia nel monitoraggio post-operatorio dei pazienti, nei mesi e/o anni che seguono l’asportazione di un tessuto tumorale. Grazie all’analisi di esalazioni provenienti da campioni di sangue di 89 pazienti (42 sani e 47 affetti da tumori di varia natura) si è visto come le risposte dei sensori siano molto diverse nei due casi e come la presenza di metastasi contribuisca ad accrescere oltremodo questa differenza. L’unione delle forze di una unità di ricerca, quale il LS di UNIFE, e di una giovanissima realtà aziendale come SCENT S.r.l. permette di coprire tutti i gradini dello sviluppo di dispositivi medici, dalla progettazione al trasferimento tecnologico.


Bibliografia

[1] G. Peng and M. Hakim, Detection of lung, breast, colorectal, and prostate cancers from exhaled breath using a single array of nanosensors, British Journal of Cancer (2010), v. 103 542–551;

[2] D. F. Altomare and M. Di Lena, Exhaled volatile organic compounds identify patients with colorectal cancer, Wiley Online Library (2013);

[3] T. G. de Meij, I. Ben Larbi, M. P. van der Schee, Y. E. Lentferink, T. Paff, J. S. Terhaar sive Droste, C. J. Mulder, A. A. van Bodegraven and N. K. de Boer, Electronic nose can discriminate colorectal carcinoma and advanced adenomas by fecal volatile biomarker analysis: proof of principle study, International Journal of Cancer (2014), v. 134, 1132–1138;

[4] C. Malagù, B. Fabbri, S. Gherardi, A. Giberti, V. Guidi, N. Landini, G. Zonta, Chemoresistive gas sensors for detection of colorectal cancer biomarkers, Sensors (2014), 18982–18992;

[5] G. Zonta, G. Anania, B. Fabbri, S. Gherardi, A. Gaiardo, A. Giberti, V. Guidi, N. Landini, C. Malagù, Detection of colorectal cancer biomarkers in the presence of interfering gases, Sensors and Actuators B (2015), pp.289-295;

[6] G. Zonta, G. Anania, B. Fabbri, A. Gaiardo, S. Gherardi, A. Giberti, N. Landini, C. Malagù, L. Scagliarini, V. Guidi, Preventive screening of colorectal cancer with a device based on chemoresistive sensors, Sensors and Actuators B (2016), v. 238 pp.1098–1101;

[7] N. Landini, G. Zonta, C. Malagù, Detection of tumor markers on feces with nanostructured sensors, Scholars' Press (2015-06-15), ISBN-13: 978-3-639-76538-0.



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