(Placca aterosclerotica-Immagine Credit Public Domain).
I ricercatori di Skoltech e i loro colleghi si sono avvicinati di un passo a una sonda endoscopica optoacustica funzionante, un dispositivo che potrebbe scivolare all’interno di un vaso sanguigno e analizzare le placche aterosclerotiche illuminandole con luce laser per farle oscillare come la membrana di un altoparlante e tradire la loro composizione chimica con una firma ecografica. Ciò potrebbe rivelarsi utile nella microchirurgia robotizzata e nella diagnostica medica.
Lo studio è stato pubblicato uscito di recente su ACS Photonics.
L’imaging optoacustico è una tecnica diagnostica promettente che potrebbe trovare applicazioni nello screening di routine del cancro al seno, nel rilevamento di placche aterosclerotiche o lesioni cerebrali, tra le altre cose. A differenza di una TAC, il rilevamento optoacustico non utilizza raggi X o altre radiazioni nocive, ma si basa su segnali luminosi e sonori visibili, da cui il nome che combina “ottica” e “acustica”.
L’optoacustica funziona esponendo il tessuto biologico a impulsi di luce laser a una lunghezza d’onda assorbita da alcune molecole significative dal punto di vista medico, ad esempio l’emoglobina o il collagene o forse anche l’acqua. Ogni impulso riscalda le molecole di interesse – chiamate biomarcatori – causando espansione, seguita da contrazione nei momenti prima che arrivi l’impulso successivo. Questa oscillazione periodica trasforma efficacemente i marker in altoparlanti in miniatura che rivelano la loro posizione emettendo ultrasuoni, che possono essere captati da un microfono molto sensibile.
Le virtù della diagnostica optoacustica vanno oltre la sicurezza delle radiazioni. Innanzitutto, c’è la capacità della sonda di sintonizzarsi su specifici biomarcatori: variando la lunghezza d’onda del laser utilizzato per eccitare le onde acustiche, si sceglie quali molecole sono mirate. Oltre a ciò, gli ultrasuoni subiscono un’attenuazione abbastanza bassa nei tessuti biologici. Ciò significa che può viaggiare più lontano prima che il segnale si spenga, rispetto alla luce, offrendo uno sguardo più profondo nel corpo.
Discoteca vascolare. Rappresentazione artistica di una sonda optoacustica che utilizza la tecnologia sviluppata da studi come questo. La sonda entra nel vaso sanguigno per ispezionare la composizione di una placca aterosclerotica. Il dispositivo espone le cellule costituenti alla luce a varie lunghezze d’onda in modo che non possano stare ferme e capti le vibrazioni risultanti con un microfono. Credito immagine: Pavel Odinev/Skoltech
“Quest’anno la Food and Drug Administration ha approvato un sistema di diagnostica optoacustica per lo screening del cancro al seno. Tuttavia, quell’attrezzatura non è destinata ad essere introdotta nel corpo, quindi sia il laser che il microfono sono piuttosto ingombranti”, spiega il ricercatore principale dello studio, il professor Dmitry Gorin di Skoltech.
“Ma a volte un laser non riesce a penetrare abbastanza in profondità, quindi devi mettere una sonda all’interno del corpo per dare un’occhiata più da vicino all’interno di un vaso sanguigno o della vescica, per esempio. Questo sarebbe utile per ispezionare placche aterosclerotiche o forse anche per eseguire microchirurgia su di esse. La sonda deve essere molto sottile e idealmente non dovrebbe avere fili“, aggiunge il ricercatore.
A tal fine, i ricercatori stanno elaborando un setup originariamente proposto dai loro colleghi inglesi. La sonda è costituita da una fibra ottica che trasmette impulsi laser e sulla punta porta una membrana che funge da minuscolo microfono. Ci sono due laser: gli impulsi del primo dovrebbero arrivare alla punta della sonda, passare liberamente attraverso la membrana ed eccitare il biomarcatore. Una volta che emette onde acustiche, vengono captate dalla membrana e un secondo laser legge il segnale dalla membrana.
“Pensa alla sonda come un microfono che utilizza la luce invece dell’elettricità”, commenta il primo autore dello studio, Nikita Kaydanov. “Abbiamo usato una pellicola da 100 nanometri di nanotubi di carbonio come membrana del microfono. Per consentire la lettura del segnale dalla membrana tramite luce laser, abbiamo depositato un cosiddetto specchio di Bragg di biossido di titanio e biossido di silicio sullo strato di nanotubi. Poiché lo specchio oscilla insieme alla membrana, questo modula il segnale laser, consentendo la lettura”.
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Un’altra nuova caratteristica introdotta dai ricercatori di Skoltech è stata l’utilizzo di una guida d’onda microstrutturata a nucleo cavo: la fibra ottica ha una cavità d’aria che corre lungo tutta la sua lunghezza al centro. Il vantaggio dell’utilizzo di tale fibra è che può trasmettere la luce nella gamma del medio infrarosso altrimenti non disponibile. Questo può essere usato per mirare a biomarcatori aggiuntivi: carboidrati, lipidi e proteine, compresi quelli necessari per distinguere tra placche aterosclerotiche che sono relativamente innocue e quelle che richiedono cure mediche.
Lo studio ci avvicina di un passo a una sonda endoscopica optoacustica funzionante. Tra i risultati del team ci sono i dati su come il laser riscalda lo specchio e su come questo influenzi il suo indice di rifrazione. Questa informazione è essenziale per una corretta interpretazione del segnale. “Il nostro esperimento ha anche dimostrato la lettura del segnale con un laser dalla membrana rivestita di specchio oscillante”, afferma Gorin. “Tuttavia, ciò che ha mosso la membrana nel nostro caso non è stata in realtà l’onda sonora emessa dai biomarcatori, ma l’impulso laser iniziale che ha perso parte dell’energia passando attraverso la membrana“.
Secondo i ricercatori, ora che sanno che la lettura del segnale funziona e qual è il segnale di “sfondo” intrinseco del sistema, possono provare a raccogliere le onde ultrasoniche reali dall’ambiente per mostrare che il dispositivo può funzionare per la microchirurgia e la diagnosi della placca aterosclerotica.
Fonte: Technology
