Dr. Nanotech contro Cancro

Se sei tra il terzo della popolazione che un giorno svilupperà il cancro, il tuo corpo conterrà segnali di pericolo ben prima che il medico sia in grado di diagnosticare la malattia. Se questi sottili segnali nelle tue cellule e nel tuo flusso sanguigno potessero essere rilevati solo prima, avresti maggiori possibilità di sopravvivere. Il problema è che i cambiamenti che segnano le prime fasi del cancro sono notevolmente complessi – e spesso lievi, anche a livello molecolare.

Ma James Heath, un chimico fisico del California Institute of Technology, crede che la nanotecnologia potrebbe finalmente fornire la soluzione a questo enigma molecolare. Heath sta scommettendo che banchi di fili di silicio ultrapiccoli, ciascuno realizzato per rilevare una specifica proteina correlata al cancro, potrebbero rilevare anche i cambiamenti più sottili nella chimica del nostro corpo. I nanosensori che Heath e i suoi colleghi del Caltech stanno sviluppando cercheranno simultaneamente centinaia o addirittura migliaia di biomolecole diverse in, diciamo, una goccia di sangue. Se funzionano, questi nanosensori potrebbero essere la base per test sul cancro che non sono solo più accurati ma, poiché non comportano il campionamento dei tessuti e l'analisi di laboratorio, più economici e convenienti di quelli ora disponibili.

Questa storia faceva parte del nostro numero di febbraio 2005

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Questo non dice molto, ovviamente. Lo screening per la maggior parte dei tumori rimane primitivo, spesso comportando semplici esami fisici per trovare prove di crescita del tumore o metodi di imaging grezzi come mammografia e raggi X. Esistono esami del sangue per alcuni tipi di cancro, come quello alla prostata e alle ovaie, ma le loro prestazioni sono pessime; non solo sono lenti e costosi, ma sono notoriamente inaffidabili. Per diagnosticare il cancro alla prostata, ad esempio, i medici cercano una proteina chiamata PSA (antigene prostatico specifico) nel sangue. Ma solo il 25-30% degli uomini che attraversano il processo estremamente stressante di avere biopsie tissutali a causa degli alti livelli di PSA nel sangue hanno effettivamente il cancro alla prostata. Il PSA è sempre nella prostata, fa notare Heath, e viene continuamente disperso nel sangue in piccole quantità. Quando c'è una sorta di trauma alla prostata – che potrebbe essere il cancro o qualcos'altro – fuoriesce in quantità maggiori. Ma è un indicatore molto scarso per il cancro alla prostata in fase iniziale, dal momento che non c'è davvero troppo trauma alla prostata in quella fase.

Un test del cancro più accurato rifletterebbe meglio la complessità degli eventi biomolecolari. L'ambizione di Heath è quella di costruire dispositivi in ​​grado non solo di effettuare più misurazioni contemporaneamente, da una goccia di sangue o da poche cellule prelevate da un particolare tessuto, ma anche di rilevare quantità estremamente piccole di biomolecole. Stiamo cercando di sviluppare un test basato sulla puntura del dito, spiega. Vorremmo che questo test alla fine fosse qualcosa di analogo a quello che viene utilizzato per i diabetici. I diabetici possono ora monitorare i propri livelli di glucosio e, poiché possono farlo regolarmente, prendono il controllo della malattia. Vorremmo sviluppare una piattaforma analoga per il cancro.

Ricomporre il puzzle
La ricerca sul cancro potrebbe sembrare un luogo improbabile in cui sia finito James Heath. Come studente laureato alla Rice University di Houston nei primi anni '80, ha iniziato a studiare le proprietà di piccoli pezzi di materiali. Faceva parte della squadra che, nel 1985, scoprì la molecola di carbonio C60 a forma di pallone da calcio; la scoperta ha fatto vincere al professore di Heath, Richard Smalley, un premio Nobel 11 anni dopo e ha contribuito a lanciare l'interesse di oggi per le nanotecnologie. Ma in seguito Heath ha spostato la sua attenzione sui semiconduttori, come il silicio, utilizzati dall'industria della microelettronica, cercando modi per modellarli in dispositivi sempre più piccoli. Di recente, lui e i suoi collaboratori dell'Università della California, a Santa Barbara, hanno ideato un metodo per realizzare fili di silicio larghi pochi nanometri, circa dieci volte più piccoli delle caratteristiche più piccole dei circuiti integrati odierni.

Il progresso è stato una pietra miliare nella continua miniaturizzazione dell'elettronica. E, dice Heath, speravamo che risolvendo un problema così difficile si sarebbero presentate altre opportunità. Lo hanno fatto: Heath ha realizzato che questi nanofili potrebbero anche fungere da biosensori ultrasensibili.

Si è anche reso conto, tuttavia, che incorporare i nanofili in uno strumento diagnostico efficace non sarebbe stato facile. I cambiamenti nello stato di salute di una persona si riflettono in oscillazioni selvagge nelle concentrazioni di biomolecole quando diversi geni si accendono e si spengono. Ma negli ultimi anni, genetisti e biologi molecolari si sono resi conto che i geni generalmente non agiscono in modo indipendente. Tendono ad operare in gruppi e reti e possono regolare l'espressione dell'altro. Quindi, dare un senso alle impronte molecolari della malattia richiede una comprensione a livello di sistema di come i geni e le proteine ​​lavorino insieme.

È qui che entra in gioco il collaboratore di Heath, Leroy Hood, fondatore dell'Institute for Systems Biology di Seattle. I biologi dei sistemi considerano la cellula come un ingegnere elettrico guarda un circuito complesso: come un sistema di componenti altamente interconnessi che si accendono a vicenda e segnali di spegnimento e relè. I sensori di Heath potrebbero fornire migliaia di indizi sullo stato di salute di una persona, ma l'approccio di biologia dei sistemi di Hood è necessario per mettere insieme tutte quelle informazioni in un'immagine coerente.

Hood e il suo team, ad esempio, hanno esaminato come i geni vengono espressi per produrre proteine ​​nelle cellule e nei tessuti colpiti dal cancro alla prostata. La nostra idea, dice Hood, è che la differenza tra cellule normali e malate è che le reti regolatorie di proteine ​​e geni nelle cellule malate sono state perturbate e queste perturbazioni della malattia si riflettono in modelli alterati di espressione proteica controllati dalle reti. Una frazione di queste proteine ​​perturbate troverà la sua strada nel sangue e costituirà impronte molecolari che sono diagnostiche non solo della salute e della malattia, ma di quale malattia e di quale tipo di una particolare malattia. (Esistono almeno tre diversi tipi di cancro alla prostata, per esempio.)

Abbiamo identificato 300 geni [marcatore di cancro] che sono espressi in modo univoco nella prostata, afferma Hood, e prevediamo che circa 62 di questi possano essere secreti nel sangue. Abbiamo testato uno di questi producendo anticorpi contro di esso e dimostrato che era presente solo nel sangue di pazienti con cancro alla prostata. Il team di Hood sta ora testando altre cinque proteine ​​secrete dal cancro alla prostata. Ha anche trovato una serie simile di geni che dovrebbero essere diagnostici per il cancro ovarico.

Una situazione fluida
Come sarebbe esattamente un nanosensore per rilevare tali proteine? Per trasformare un nanofilo in un transistor, i ricercatori portano ciascuna delle sue estremità a contatto con fili metallici in modo che possa essere attraversata da una corrente. Quindi posizionano un elettrodo vicino al nanofilo. La carica di questo elettrodo altera la conduttività del nanofilo, accendendolo e spegnendolo, tutte cose familiari a qualsiasi ingegnere elettrico.

Heath trasforma quindi i suoi transistor a nanofili in minuscoli biosensori. Diciamo, per esempio, che un nanofilo deve fungere da sensore per una particolare proteina. I ricercatori rivestono la superficie del filo con anticorpi che si attaccheranno alla proteina bersaglio ma non ad altre molecole. Quando le proteine ​​si legano agli anticorpi, interagiscono con gli elettroni che viaggiano nello strato superficiale del nanofilo, alterandone la conduttività. Se il filo è spesso solo pochi nanometri, c'è un cambiamento significativo - e misurabile - nella sua conduttività complessiva. Se il filo è davvero, molto piccolo, dice Heath, invece di metterci una tensione, possiamo metterci delle molecole, e un evento chimico è ciò che fa cambiare il transistor.

Le loro piccole dimensioni rendono inoltre i dispositivi molto sensibili. In definitiva, il numero di molecole necessarie per produrre una lettura dipenderà da quanto strettamente si legano ai gruppi di recettori sulla superficie del sensore; ma potrebbe essere possibile rilevare singole molecole. Heath afferma che, sebbene il suo gruppo non abbia ancora raggiunto quel livello di sensibilità, è riuscito a rilevare solo poche molecole. (Charles Lieber dell'Università di Harvard, nel frattempo, ha dimostrato che i nanosensori possono rilevare una singola particella virale*).

Ma non è solo l'alta sensibilità su cui Heath fa affidamento per una diagnosi facile e precoce della malattia. Possiamo realizzare migliaia di questi sensori in un'area molto piccola, dice. Ciò significa la capacità di schermare i vari contenuti molecolari delle singole cellule. Heath sta collaborando con l'esperto di microfluidica della Stanford University Stephen Quake per fabbricare chip in cui i fluidi pompati in canali microscopici trasportano singole cellule in posizione su una matrice di nanosensori, dove possono essere studiate una alla volta.

Alla fine, tutta questa tecnologia deve essere integrata in un dispositivo che può essere utilizzato in clinica, il che significa risolvere problemi ancora più tecnici e pratici. Nel 2003, l'Institute for Systems Biology, Caltech, e l'Università della California, Los Angeles, hanno istituito la NanoSystems Biology Alliance per garantire che i nuovi strumenti riflettano gli ultimi progressi nella biologia e nell'immunologia del cancro. La diagnosi di cancro e altre malattie, afferma Quake, verrà eseguita automaticamente, in pochi secondi o minuti, su una manciata di cellule o sul loro contenuto. E quella congettura, prevede, sarà trasformata in realtà entro questo decennio.

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