Un microscopio capace di leggere l’“impronta chimica” dei tessuti biologici, senza ricorrere a coloranti o reagenti, e di integrare i dati raccolti con algoritmi di intelligenza artificiale. È la nuova tecnologia arrivata a Bari, dove è stato installato un innovativo microscopio QCL, basato su laser a cascata quantica e destinato alla ricerca nell’ambito dell’imaging biochimico, della medicina di precisione e della patologia digitale.
Il microscopio QCL si trova nel PolySense Lab del Dipartimento interuniversitario di Fisica dell’Università degli Studi di Bari Aldo Moro e del Politecnico di Bari. Secondo quanto comunicato dal Politecnico, si tratta del primo sistema di questa tipologia commercializzato e installato in Italia. Il suo valore è di circa 450 mila euro.
L’obiettivo è ambizioso: studiare i tessuti biologici ottenendo informazioni sulla loro composizione molecolare e sviluppare sistemi in grado di riconoscere più rapidamente alterazioni associate a diverse patologie, comprese quelle oncologiche.
Come funziona il microscopio QCL
QCL è l’acronimo di Quantum Cascade Laser, cioè laser a cascata quantica. In termini semplici, il microscopio QCL sfrutta la radiazione infrarossa per analizzare le molecole presenti in un campione.
Le diverse biomolecole assorbono infatti la radiazione infrarossa in maniera caratteristica. Il risultato può essere considerato una sorta di “impronta digitale” molecolare: analizzandola, i ricercatori possono ottenere informazioni sulla composizione chimica del tessuto e sulle eventuali modificazioni associate a una condizione patologica.
È proprio questo uno degli aspetti più interessanti della microscopia infrarossa: l’immagine non dipende esclusivamente dalla forma o dall’aspetto visibile delle cellule, ma contiene informazioni sulla loro composizione biochimica.
La tecnologia QCL permette inoltre di acquisire immagini infrarosse molto più rapidamente rispetto ad alcuni approcci tradizionali basati sulla spettroscopia FT-IR. Bruker, azienda produttrice dello strumento, indica proprio velocità di acquisizione e analisi di grandi aree tra i vantaggi dei sistemi basati su laser QCL.
Tessuti analizzati senza coloranti chimici
Uno dei punti di forza del microscopio QCL è la possibilità di lavorare sui tessuti senza utilizzare necessariamente le tradizionali colorazioni impiegate nell’istologia.
Nell’anatomia patologica convenzionale, infatti, i campioni vengono normalmente preparati attraverso diverse procedure che permettono al patologo di osservare al microscopio strutture cellulari e caratteristiche del tessuto.
La microscopia infrarossa punta invece a ricavare informazioni direttamente dalle proprietà chimiche e molecolari del campione.
Non significa che le attuali tecniche istologiche possano essere semplicemente sostituite. Al momento, la tecnologia deve essere considerata soprattutto uno strumento avanzato di ricerca e una possibile piattaforma di supporto alla diagnostica del futuro.
La stessa letteratura scientifica descrive l’imaging infrarosso con laser a cascata quantica come un settore promettente per l’analisi biomedica “label-free”, cioè senza marcatori o coloranti, sottolineandone allo stesso tempo il percorso ancora necessario per la piena traduzione nella pratica clinica.
Intelligenza artificiale per distinguere i tessuti
Un ulteriore elemento è rappresentato dall’intelligenza artificiale. La grande quantità di informazioni molecolari generata dal microscopio può infatti essere elaborata mediante algoritmi progettati per individuare pattern ricorrenti e classificare differenti aree del tessuto.
In prospettiva, questi sistemi potrebbero contribuire a distinguere tessuto sano e patologico o a riconoscere determinate caratteristiche biochimiche associate alle malattie.
Non si tratta soltanto di un’ipotesi teorica. Studi scientifici hanno già sperimentato la microscopia infrarossa QCL nella classificazione automatizzata dei tumori.
Una ricerca pubblicata su Scientific Reports nel 2018, per esempio, ha utilizzato un microscopio infrarosso basato su laser a cascata quantica nell’analisi di campioni di tumore colorettale. Lo studio, condotto su campioni provenienti da 110 pazienti, ha ottenuto risultati promettenti nella classificazione automatica dei tessuti rispetto alla valutazione istopatologica di riferimento. Si trattava tuttavia di uno studio di fattibilità e non della dimostrazione che questa tecnologia possa già sostituire la diagnosi eseguita dal patologo.
È una distinzione importante: algoritmi e microscopia molecolare potrebbero diventare nuovi strumenti a disposizione degli specialisti, ma precisione e affidabilità devono essere validate in studi clinici adeguati prima di un eventuale impiego diagnostico routinario.
Dal tumore della prostata alla medicina di precisione
Tra le applicazioni che saranno studiate a Bari con il microscopio QCL figura anche l’utilizzo della spettroscopia QCL nella ricerca oncologica.
Durante la presentazione della nuova infrastruttura scientifica sono state indicate, tra le aree di interesse, la stratificazione del rischio nel tumore della prostata, l’analisi dei campioni biologici e lo sviluppo della patologia digitale supportata dall’intelligenza artificiale. Il campo di applicazione potrebbe tuttavia essere più ampio. Poiché la tecnologia analizza le caratteristiche biochimiche del campione, la ricerca potrà esplorarne l’impiego nello studio dei tumori, delle alterazioni metaboliche e di altre condizioni nelle quali cambiano composizione e organizzazione molecolare dei tessuti.
Proprio questa capacità rende l’imaging molecolare particolarmente interessante nell’ambito della medicina di precisione, che punta a caratterizzare in maniera sempre più dettagliata la malattia del singolo paziente.
Un investimento da 450 mila euro a Bari
Il sistema di microscopio QCL installato al PolySense Lab ha un valore di circa 450 mila euro ed è stato acquisito nell’ambito della collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell’Informazione del Politecnico di Bari e il Dipartimento interuniversitario di Fisica Uniba-Poliba.
L’operazione è stata realizzata grazie alle attività della Fondazione D³4Health e al contributo dello Spoke 2 IN²LAB e dello Spoke 3 PolySense Lab.
“Questa tecnologia emergente è destinata a cambiare radicalmente l’analisi dei tessuti biologici e l’approccio alla salute”, spiega Vincenzo Spagnolo, professore di Fisica e referente scientifico del PolySense Lab, secondo quanto riportato nel comunicato relativo all’installazione.
L’obiettivo del laboratorio è fare della nuova apparecchiatura un’infrastruttura condivisa per attività interdisciplinari che mettano insieme fisica, medicina, biologia, ingegneria e intelligenza artificiale.
“L’installazione di questo sistema d’avanguardia all’interno del Dipartimento interuniversitario di Fisica rappresenta un traguardo straordinario per la nostra comunità scientifica”, sottolinea il direttore del Dipartimento, Sebastiano Stramaglia, evidenziando il ruolo della collaborazione tra Università e Politecnico.
Il microscopio QCL non sostituisce ancora il patologo
L’arrivo della tecnologia a Bari apre quindi scenari interessanti, ma è importante distinguere tra potenzialità di ricerca e applicazioni cliniche già consolidate.
Definire oggi il sistema come una macchina capace di effettuare autonomamente diagnosi precoci di tumore sarebbe prematuro. Più correttamente, il microscopio può raccogliere rapidamente informazioni chimiche e molecolari dai tessuti, mentre algoritmi di intelligenza artificiale possono essere sviluppati e addestrati per riconoscere caratteristiche associate a differenti condizioni patologiche.
È su questa combinazione tra imaging molecolare, velocità di acquisizione e capacità computazionale che si concentra una parte importante della ricerca.
Anche Bruker presenta i propri sistemi QCL soprattutto come piattaforme dedicate alla ricerca nelle scienze della vita e allo studio delle malattie, con workflow che possono integrare valutazioni basate sull’intelligenza artificiale.
Il passo successivo sarà quindi capire, attraverso studi su numeri adeguati di campioni e pazienti, quanto queste tecnologie possano essere accurate, riproducibili e realmente utili nella pratica clinica.
Se i risultati della ricerca confermeranno le aspettative, strumenti come quello installato a Bari potrebbero in futuro affiancare il lavoro degli anatomopatologi, contribuendo a rendere alcune analisi più rapide, quantitative e standardizzate.
Per ora, il risultato più concreto è l’arrivo in Italia di una nuova infrastruttura di ricerca avanzata. Una tecnologia che permette di guardare i tessuti non soltanto per come appaiono, ma anche per la loro composizione molecolare: un approccio che potrebbe diventare uno dei tasselli della diagnostica di precisione dei prossimi anni.