Gli scienziati IBM hanno creato un test diagnostico in un’ unica fase, eseguibile presso il paziente (point of care), basato su un innovativo chip che richiede un minore volume di campione, è significativamente più rapido, portatile, facile da usare ed è in grado di rilevare molteplici malattie, inclusa una delle principali cause di morte nel mondo, le patologie cardiovascolari.
I risultati sono così rapidi e accurati che il campione di sangue, o di siero, di un paziente può essere testato subito dopo un infarto miocardico, noto comunemente come attacco cardiaco, per consentire al medico di prevedere le azioni necessarie, fino ad una previsione di rischio di decesso.
Come riportato su “Lab on a Chip”, dicembre 2009, volume 9, numero 23, gli scienziati di IBM Research – Zurigo Luc Gervais e Emmanuel Delamarche, in collaborazione con l’Ospedale dell’Università di Basilea, hanno sviluppato un nuovo test diagnostico che utilizza il concetto di forze capillari per analizzare minuscoli campioni di siero o di sangue al fine di osservare la presenza dei marker di malattia, ovvero le proteine tipicamente rilevabili nel sangue dei pazienti ai fini diagnostici.
L’azione della forza capillare è la tendenza di un liquido a risalire in tubi di piccolo diametro o ad essere attirato in piccole aperture. Un esempio quotidiano di azione capillare è osservabile immergendo un fazzoletto di carta in un bicchiere d’acqua: le microstrutture della fibra di carta consentono al fazzoletto di assorbire l’acqua.
Tutto in un chip
Gli scienziati IBM hanno codificato le forze dell’azione capillare su un chip microfluidico, realizzato in un composto di silicio simile a quelli utilizzati nei chip per computer, sfruttando così la vasta esperienza di IBM nello sviluppo e nella fabbricazione di wafer di semiconduttori in silicio.
Il chip, che misura 1 x 5 centimetri, contiene una serie di canali di larghezza micrometrica attraverso cui il campione oggetto del test passa in circa 15 secondi, ad una velocità di diverse volte superiore a quella dei test tradizionali.
L’aspetto peculiare è che la velocità di riempimento può essere aumentata a diversi minuti, qualora il chip necessiti di tempo supplementare per leggere marker di maggiore complessità diagnostica.
Il chip microfluidico, frutto di quasi tre anni di ricerca e sviluppo, consiste in un percorso microscopico per i liquidi composto da cinque stadi:
• Stadio 1: un campione da un microlitro, 50 volte più piccolo di una lacrima, viene appoggiato sul chip, dove le forze capillari iniziano ad agire
• Stadio 2: queste forze spingono il campione attraverso un’intricata serie di strutture a rete, che impediscono l’ostruzione e la formazione di bolle d’aria
• Stadio 3: il campione passa poi in una zona in cui sono state depositate quantità microscopiche dell’anticorpo di rilevamento. Questi anticorpi hanno un marcatore fluorescente e, analogamente a quanto avviene con gli anticorpi nel nostro organismo, riconoscono il marker della malattia e si attaccano ad esso all’interno del campione. Vengono utilizzati solo settanta picolitri (un volume un milione di volte più piccolo di una lacrima) di questi anticorpi, rendendone la dissoluzione nel campione di passaggio estremamente rapida ed efficiente.
• Stadio 4: la fase più critica è denominata “camera di reazione" e misura 30 micrometri di larghezza e 20 micrometri di profondità, circa il diametro di un capello umano. Analogamente a un comune test di gravidanza, in questo stadio il marker di malattia precedentemente marcato viene catturato sulla superficie della camera. Illuminandoli con un fascio mirato di luce rossa, i marker di malattia marcati possono essere visualizzati con un dispositivo a sensore portatile, contenente un chip simile a quelli in uso nelle fotocamere digitali, ma molto più sensibile. Sulla base della quantità di luce rilevata, i medici possono confermare visivamente il dosaggio del marker di malattia nel campione, per stabilire il successivo percorso terapeutico.
• Stadio 5: la pompa capillare rappresenta la componente principale dell’intero sistema. La pompa capillare, che ha una profondità di 180 micrometri, contiene un’intricata serie di microstrutture, il cui compito è di pompare il campione attraverso il dispositivo per tutto il tempo necessario e a una portata regolare, proprio come il cuore umano. Questa pompa rende il test accurato, portatile e semplice da usare. Gli scienziati IBM hanno sviluppato una libreria di pompe capillari, in modo tale che i test che richiedono svariati volumi di campione o differenti tempi di test possano essere eseguiti senza dover riprogettare l’intero chip.
“Questo test eseguibile presso il paziente ha raggiunto un triplice obiettivo per il personale medico, in quanto è portatile, rapido e richiede un piccolissimo volume di campione”, ha commentato Emmanuel Delamarche, scienziato, IBM Research – Zurigo.
“Stiamo restituendo minuti preziosi ai medici, in modo che possano prendere decisioni informate e accurate nel momento in cui ne hanno più bisogno, per salvare vite umane".
Arrivare al mercato
Gli scienziati di Zurigo hanno seguito una strategia “dal banco di lavoro al letto del paziente”, in cui le idee concepite in laboratorio sono state testate con partner accademici e sanitari. Questa ricerca non sarebbe stata possibile senza il generoso sostegno di KTI/CTI, un’organizzazione che promuove l’innovazione in Svizzera.
Gli scienziati IBM hanno progettato il chip pensando alla sua flessibilità di utilizzo, sia nella forma che nell’ergonomia. Grazie alle ridotte dimensioni, il chip può essere incorporato in differenti tipologie di supporti, a seconda dell’applicazione di cui se ne vuole fare uso, inclusi carte di credito, penne o dispositivi simili a un test di gravidanza.
Oltre a diagnosticare le malattie, il test è sufficientemente flessibile da consentire l’analisi dei rischi chimici e biologici.
