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Vedere i tumori con i punti quantici
I ricercatori della Carnegie Mellon University (CMU), a Pittsburgh, stanno utilizzando nanoparticelle fluorescenti per visualizzare il tessuto tumorale durante biopsie e interventi chirurgici. La tecnica di imaging, che è in fase di sperimentazione sui roditori, potrebbe essere particolarmente utile per individuare con precisione i tumori durante gli interventi chirurgici per rimuovere i glioblastomi, una delle forme più comuni e aggressive di cancro al cervello. In media, i pazienti sopravvivono meno di un anno dopo la diagnosi con questa forma mortale di cancro al cervello, in parte a causa della difficoltà di rimuovere chirurgicamente l'intero tumore.
Tumori luminosi: I punti quantici fluorescenti iniettati in ratti vivi si accumulano nei tumori cerebrali, ma non nel tessuto circostante. Questa immagine combina una fotografia a luce bianca del cervello con un'immagine a infrarossi in cui il blu è il livello di intensità più basso e il rosso è il più alto. I punti quantici sono concentrati in un tumore nel cervello a sinistra; il cervello a destra, un controllo, non contiene tumori.
Guidato dal chimico CMU Marcel Bruchez e Steven Toms, direttore di neurochirurgia presso il Clinica Geisinger , a Danville, in Pennsylvania, i ricercatori hanno scattato immagini fluorescenti nitide di tumori cerebrali, chiamati gliomi, nei ratti. I ratti sono stati iniettati con nanoparticelle che emettono luce infrarossa quando sono eccitati dalla luce visibile. I raggi infrarossi prodotti dalle nanoparticelle possono essere rilevati da una piccola telecamera e visualizzati dai chirurghi. Questi punti quantici hanno un nucleo fatto di cadmio e tellururo, circondato da un guscio di solfuro di zinco, che è a sua volta circondato da un rivestimento protettivo in polimero.
Questo particolare tipo di tumore è scarsamente distinguibile, afferma Bruchez. E quando si rimuovono i tumori cerebrali, i chirurghi non possono tagliare ampi margini o i pazienti potrebbero perdere la funzione cerebrale.
I chirurghi che rimuovono un tumore al cervello ora si affidano a una foto scattata di recente dalla risonanza magnetica (MRI) per orientarsi. Ma, dice Bruchez, la consistenza del cervello è come una ciotola di Jell-O. Una volta che inizi a tagliare e rimuovere il tessuto, le cose si muovono e non puoi fare affidamento sull'imaging preoperatorio. Dice che i chirurghi lasciano il tessuto del glioma più della metà delle volte.
Una soluzione al problema è eseguire diverse scansioni MRI sul paziente durante l'intervento. Con questa guida aggiuntiva, uno studio ha mostrato che i chirurghi possono rimuovere circa il 15% in più di tessuto di glioma. Ma le sale operatorie che incorporano la risonanza magnetica sono costose e i chirurghi devono utilizzare strumenti speciali che non saranno influenzati dal magnete della risonanza magnetica.
Bruchez e Toms hanno scoperto che i punti quantici luminosi iniettati nel flusso sanguigno di un ratto vengono portati al tessuto del glioma, ma non ad altre aree del cervello, da cellule immunitarie chiamate macrofagi. Queste cellule inghiottono detriti come nanoparticelle e sciamano verso i tessuti infetti e cancerosi come parte della risposta infiammatoria del corpo. I macrofagi non vanno al tessuto cerebrale sano.
Bruchez vuole costruire un sistema di imaging compatibile con le procedure operative standard. L'allestimento di una sala operatoria per l'imaging a infrarossi dei tumori comporterebbe l'aggiunta di una fotocamera digitale a infrarossi e l'installazione di filtri sulle luci per eliminare la luce infrarossa ambientale, assicurando che l'unica luce infrarossa nella stanza provenga da punti quantici. I punti quantici possono essere sintonizzati per emettere luce visibile, il che eliminerebbe la necessità del sistema di imaging, ma i medici dovrebbero spegnere le luci per vedere il bagliore dei tumori, quindi riaccenderle e riaggiustare gli occhi per continuare con l'intervento chirurgico .
Bruchez afferma che lui e i suoi collaboratori hanno ottenuto buoni risultati utilizzando un sistema basato sulla tecnologia per eseguire la rimozione chirurgica dei tumori nei roditori, sebbene questi risultati non siano ancora pubblicati. Si aspetta che il lavoro si applichi in generale a vari tipi di cancro; altre ricerche inedite del suo gruppo, dice, dimostrano che la tendenza dei macrofagi a divorare punti quantici e viaggiare con loro verso il tessuto tumorale vale per molti altri tumori.
Bruchez e Toms stanno anche sviluppando aghi per biopsia con sistemi di imaging ottico. Le biopsie del tumore al cervello sono normalmente lunghe e incostanti. Vai dove credi che sia il tumore, prendi un campione, lo mandi al laboratorio di patologia e aspetti in sala operatoria i risultati, dice Bruchez. Se i chirurghi hanno mancato il tumore, devono prelevare un altro campione e attendere nuovamente i risultati. Se a un paziente venissero iniettati per la prima volta punti quantici alla ricerca di tumore che potrebbero essere rilevati dall'ago per biopsia, il processo potrebbe essere molto più semplice.
La sicurezza dei punti quantici per l'imaging cerebrale deve ancora essere studiata. I nuclei dei punti quantici utilizzati da Bruchez sono fatti di cadmio e, sebbene non ci siano prove finora che i punti quantici contenenti cadmio siano tossici, alcuni ricercatori sono cauti. Il cadmio è molto tossico, sottolinea Wenbin Lin , un chimico dell'Università della Carolina del Nord che sta sviluppando nanoparticelle per la risonanza magnetica ad alto contrasto. Dobbiamo preoccuparci di questo.
In effetti, afferma Bruchez, ci sono preoccupazioni per il cadmio, ma la formulazione utilizzata per l'imaging a fluorescenza dovrebbe rendere il cadmio non biodisponibile. I polimeri organici che circondano il cadmio non possono essere scomposti dai tipici processi biologici, dice. Tuttavia, per affrontare i problemi di tossicità, Bruchez afferma che sta sviluppando tecniche di imaging che richiedono dosi più basse delle particelle e metodi di incapsulamento che rendono il metallo ancora meno biodisponibile.