Rilevamento di agenti patogeni con la birifrangenza
I ricercatori del Politecnico di Zurigo guidati da Raffaele Mezzenga hanno sviluppato un nuovo metodo diagnostico. Si basa sulla birifrangenza della luce e su speciali vettori lipidici. Con questo metodo, i medici di tutto il mondo potrebbero individuare in modo semplice, rapido e affidabile la malaria, l'Ebola o persino l'HIV.
Niente sembra più semplice di questo: si mette una goccia di sangue su un vetrino e si aspetta qualche minuto. Il vetrino viene poi posto in un dispositivo tra due filtri di luce polarizzata incrociata. Se il campione contiene minuscoli cristalli che rifrangono doppiamente la luce, questa fuoriesce dal dispositivo.
Questo è esattamente ciò che accade se una persona è infetta da malaria: il campione produce un modello di birifrangenza e questo semplice modello "sì o no" può essere utilizzato per rilevare rapidamente e facilmente questo agente patogeno. L'intensità della luce e quindi la quantità dell'agente patogeno in questione possono essere misurate anche con un misuratore di luce disponibile in commercio, collegato a uno smartphone e controllato tramite un'app.
Test rapido favorevole sviluppato
Quello che sembra quasi fantascienza è appena diventato realtà. Il gruppo di ricerca guidato da Raffaele Mezzenga, professore di Alimenti e materiali morbidi, ha recentemente pubblicato un documento scientifico in cui presenta questo nuovo test rapido. La procedura di analisi può essere utilizzata per rilevare non solo gli agenti patogeni della malaria, ma anche virus come l'HIV o il virus Ebola, vari batteri o biomarcatori come il glucosio o il colesterolo.
Il metodo di rilevamento non è solo estremamente veloce, ma anche molto economico rispetto ad altri metodi di rilevamento. Il dispositivo di polarizzazione costa solo 20 franchi, spiega Jijo Vallooran, primo autore della pubblicazione, appena apparsa sulla rivista "Advanced Functional Materials".
Sfruttare la birifrangenza
Per quanto generico sia il concetto alla base di questa nuova tecnologia e per quanto semplice possa sembrare il suo funzionamento, le basi scientifiche alla base dell'invenzione dei ricercatori dell'ETH sono complesse.
Per il loro metodo, gli scienziati utilizzano i cosiddetti cristalli liquidi liotropi, che consistono in strutture auto-organizzate di molecole di grasso in acqua. Il gruppo di ricerca di Raffaele Mezzenga lavora da tempo con questi cristalli liquidi. Gli scienziati li utilizzano anche per altre applicazioni, come la somministrazione di farmaci o la cristallizzazione delle proteine.
I cristalli liquidi liotropi si dispongono in reti speciali con una simmetria unica. Ciò significa che il motivo cubico di base del cristallo liquido si ripete periodicamente. Nel caso delle fasi tridimensionali dei cristalli liquidi, i nanocanali sono formati da doppie membrane lipidiche. Il loro diametro è di pochi nanometri, per cui nel cristallo liquido sono disponibili solo poche molecole d'acqua libere. La maggior parte di esse è legata alle pareti del canale. I cristalli liquidi sono isotropi e quindi non hanno proprietà di birifrangenza della luce. Se osservati tra due filtri di polarizzazione disposti trasversalmente, appaiono neri.
Le reazioni enzimatiche generano un segnale
Per generare la birifrangenza e quindi un segnale, i ricercatori hanno ancora una volta attinto al loro bagaglio di trucchi: Aggiungono alcuni enzimi al cristallo liquido in modo che le reazioni chimiche possano avvenire nei nanotubi. Poiché nei tubi è disponibile pochissima acqua, i prodotti delle reazioni precipitano sotto forma di cristalli. Questi hanno la proprietà della birifrangenza della luce.
Se ora si osserva il campione attraverso i filtri a polarizzazione incrociata, si possono vedere schemi di luce colorata per quando l'enzima ha reagito con la sostanza in esame. "Questo schema di birifrangenza è l'unico segnale che dobbiamo utilizzare per le diagnosi e le analisi", spiega Mezzenga.
Approccio graduale al rilevamento della malaria
All'inizio della loro ricerca, gli scienziati hanno testato il loro sistema con composti chimici che possono essere convertiti enzimaticamente. In seguito hanno perfezionato il metodo e lo hanno adattato a sostanze di rilevanza medica come il glucosio o il colesterolo. In fasi successive, hanno esteso la portata dei test possibili a batteri e virus, iniziando con il virus HI.
Infine, Mezzenga, Vallooran e colleghi sono riusciti a dimostrare che il loro metodo può essere adattato anche per la diagnosi della malaria, che è causata da plasmodi. "I plasmodi invadono i globuli rossi e consumano l'emoglobina, il pigmento rosso del sangue. La parte ematica, che è tossica per i parassiti, si cristallizza e presenta superfici naturalmente birifrangenti. Ciò significa che non dobbiamo etichettare il parassita con anticorpi, né abbiamo bisogno di una reazione enzimatica per ottenere un segnale luminoso", spiega Mezzenga.
I virus o i batteri, invece, devono essere prima visualizzati e resi chimicamente attivi utilizzando anticorpi specifici con enzimi legati ad essi prima di poter essere rilevati con la birifrangenza della luce.
Flessibile, favorevole, pratico
"Il nostro sistema di test può essere esteso a un gran numero di virus o batteri diversi, è assolutamente flessibile", sottolinea Vallooran. Data la facilità d'uso e la necessità di un set di coniugati anticorpo-enzima per rilevare i virus, ad esempio, l'ETH ne vede l'impiego in aree che non possono permettersi costose attrezzature di laboratorio. "Oltre a un frigorifero per conservare gli anticorpi e gli enzimi, gli utenti hanno bisogno solo del dispositivo per rilevare la luce polarizzata e della sostanza di supporto lipidica. Entrambi sono molto economici", spiega. Malattie come l'AIDS o l'Ebola possono essere rilevate in modo affidabile in meno di un'ora. "La nostra tecnologia è molto adatta all'uso sul campo e all'individuazione precoce delle malattie".
Per la sua ricerca su questa tecnologia, Jijo Vallooran ha ricevuto una Borsa di studio per pionieri dell'ETH. I ricercatori hanno anche fatto richiesta di brevetto per la nuova tecnologia. "Vogliamo produrre qualcosa di veramente utile", afferma Vallooran. Il potenziale del loro metodo di rilevamento è molto alto, soprattutto per quanto riguarda le malattie emergenti come la malaria o l'ebola, che si stanno diffondendo rapidamente. I ricercatori del Fare ricerca all'ETH stanno quindi lavorando a pieno ritmo per raccogliere ulteriori fondi per l'ulteriore sviluppo del loro metodo, in modo da poterlo immettere sul mercato il prima possibile.
Letteratura di riferimento
Vallooran JJ, Handschin S, Pillai SM, Vetter BN, Beck H-P, Rusch S, Mezzenga R. Lipidic Cubic Phases as a Versatile Platform for the Rapid Detection of Biomarkers, Viruses, Bacteria and Parasites. Advanced Functional Materials, pubblicato online il 4 dicembre 2015. DOI: pagina esterna10.1002/adfm.201503428