Vermi “sniffa” cancro: un test diagnostico fuori dal comune

Se vi dicessi che esiste un test rapido, indolore ed economico per sapere se avete il cancro anche negli stadi più precoci, quelli più difficili da diagnosticare? E se vi dicessi che questo metodo utilizza i vermi per la diagnosi? Lo fareste?

State tranquilli, per l’esecuzione di questa analisi non entrerete in contatto con alcun verme, perché verrà effettuata direttamente sulle vostre urine.

L’idea arriva dal Giappone, dove il Dr. Hirotsu e il suo collega Hideto Sonada hanno deciso di studiare le abilità dei nematodi, vermi cilindrici, di odorare il cancro dopo aver notato una particolarità in un paziente 63enne affetto da Anisakidosi, infezione parassitaria del tratto gastrointestinale causata dall’ingestione di pesce crudo contaminato. In questo caso, i parassiti si erano attaccati a delle piccole lesioni nello stomaco dell’uomo, che si sono poi rivelate essere il principio di un tumore gastrico. In letteratura dal 1970 ad oggi sono stati riportati altri 29 casi simili a questo, nei quali i nematodi sono stati ritrovati adesi a lesioni tumorali, e nel 62% dei casi in stadi precoci del cancro.

La domanda che si sono posti i due scienziati è se fosse stato proprio l’odore della lesione tumorale ad attirare i vermi. Per scoprirlo, hanno utilizzato una piastra Petri dove sono stati messi alcuni esemplari Caenorhabditis elegans, un nematode non parassita. Su un lato della piastra sono state collocate alcune gocce di un normale liquido di coltura di laboratorio (un liquido ricco di nutrienti che viene utilizzato per far crescere le cellule) e dall’altro lato delle gocce di terreno in cui erano cresciute delle cellule cancerose. Il risultato? I vermi si sono spostati solo verso il terreno ricco di cellule tumorali. Quando però l’esperimento è stato ripetuto privando i nematodi del senso dell’olfatto, gli scienziati hanno osservato che i vermi non si muovevano più verso il terreno ricco di cellule tumorali, suggerendo che era stato proprio l’odore ad averli attratti in primo luogo.

Dopo questi risultati preliminari, il Dr. Hirotsu ha focalizzato le sue ricerche nel capire se effettivamente questi vermi potessero essere utilizzati per sviluppare un test diagnostico, ed è nato così “N-NOSE” (il naso dei nematodi). Questo test sfrutta la chemiotassi caratteristica di questi vermi, ossia la loro capacità di muoversi verso le urine di un paziente affetto da cancro e di evitare invece quelle di pazienti sani.

Ma perché questi vermi sono attratti proprio dal cancro? Una delle ipotesi proposte dal Dr. Hirotsu è che le sostanze chimiche rilasciate dalle cellule tumorali odorino come il loro cibo e che quindi ne siano attratti.

N-NOSE ha moltissimi vantaggi tra cui l’essere estremamente accurato (ha un’accuratezza dell’85%), non è invasivo, è economico (costa circa 90 euro) e può diagnosticare il cancro nei suoi stati più precoci.

Quest’ultima peculiarità però, potrebbe creare delle controversie. Infatti, i nematodi riescono ad individuare la presenza di un cancro anche allo stadio 0, una fase del tumore così primitiva da non poter essere rilevata con nessun altro test al momento disponibile. Inoltre non è possibile localizzare il tumore all’interno del corpo. Quindi un paziente che risulta positivo al test N-NOSE potrebbe essere lasciato senza nessun’altra opzione per scoprire che tipo di cancro ha e come poterlo curare, se non quella di aspettare.

Proprio per questo il Dr. Hirotsu sta organizzando insieme a medici, psicologi e comitati etici delle linee guida su come poter spiegare il risultato del test e come procedere quando tutti gli altri esami risultano negativi.

Inoltre, il suo team sta cercando di capire se sia possibile sviluppare un secondo test che possa localizzare il tumore. Secondo il fondatore di N-NOSE, ogni tipo di cancro potrebbe avere un odore diverso e se così fosse, sarebbe quindi possibile modificare l’olfatto dei vermi per farli muovere solo verso un particolare tipo di tumore. In questo contesto, lo scienziato ha deciso di dare priorità alla creazione di vermi geneticamente modificati che siano in grado di diagnosticare il tumore al pancreas. Tumore tra i più difficili da individuare negli stadi precoci e conosciuto per la sua infausta prognosi.

La Hirotsu bioscience dal 2018 ha condotto trial clinici in più di 17 centri di ricerca giapponesi, e l'obiettivo è quello di avere un prodotto commercialmente disponibile in tutto il mondo entro la fine del 2020.

L’idea alla base di N-NOSE è quella di avere un test che possa essere accessibile a tutti e che possa fornire i risultati rapidamente, requisito essenziale soprattutto per chi di tempo non ne ha. Non a caso lo slogan dell’azienda è “to save lives, give N-NOSE a try” (per salvare le vite, provate N-NOSE).

Questo test potrebbe cambiare gli esiti e la prognosi di un tumore, da incurabile a curabile, perché una diagnosi precoce è la miglior cura del cancro.

Sharon Spizzichino

Fonti:

https://hbio.jp/en/

Uozumi, T. and Hirotsu, T., 2019. Development of an Early Cancer Detection Method Using the Olfaction of the Nematode Caenorhabditis elegans. Journal of the Pharmaceutical Society of Japana, 31061346.

“Ad Astra” - Gli effetti dei viaggi spaziali sul corpo umano

Vi faccio una domanda: chi di voi non ha mai sognato di poter andare nello spazio, provare l’assenza di gravità e fluttuare senza peso nella Stazione Spaziale Internazionale (ISS), come vediamo spesso fare dagli astronauti in diretta TV?

Nel nostro immaginario collettivo, dettato dagli innumerevoli film di fantascienza, viaggiare tra stelle e pianeti sembra essere una tra le esperienze più emozionanti che si possano fare, ma questo grande sogno ha un costo. Non tutti sono consapevoli dei grandi rischi che gli astronauti corrono tutti i giorni nel rimanere, per mesi e mesi, in orbita attorno alla Terra.

Tra i fattori che pongono l’uomo più a rischio nello spazio ci sono la microgravità e le radiazioni cosmiche ionizzanti (Galactic Cosmic Radiation o GCR), derivanti dal sole e altri corpi celesti come buchi neri, esplosioni di stelle ecc.

Il corpo umano è frutto di una lunghissima evoluzione dettata dalla forza di gravità. Le ossa servono per sostenere il nostro peso e i muscoli per effettuare movimenti che contrastano la gravità, forza che invece tende a spingerci giù a terra. Anche il sistema cardiovascolare si è adattato; il nostro organismo è costituito principalmente da fluidi ed è necessario un complesso e delicato equilibrio di forze idrostatiche per far fluire il sangue contro gravità e mantenere un costante ricambio di ossigeno al cervello. Il passaggio ad una condizione in cui le forze gravitazionali vengono a mancare causa una lunga serie di cambiamenti fisiologici e disturbi collegati.

Tra le patologie associate dalla microgravità ritroviamo una graduale perdita di massa ossea (osteoporosi) e muscolare (sarcopenia), anemia, cinetosi (o mal di spazio - nausea e vomito), distrofia del nervo ottico con graduale perdita della vista, insulino-resistenza (diabete), riduzione delle difese immunitarie e alterazione delle funzioni cardiovascolari. Le conseguenze a lungo termine di questi cambiamenti potrebbero essere molto serie una volta tornati sulla Terra e portare anche a problemi più gravi.

Per poter contrastare alcuni di questi effetti avversi, gli astronauti sono tenuti a seguire dei regimi di allenamento e di alimentazione giornalieri molto rigidi. L’assunzione di integratori alimentari può aiutare nel risollevamento delle difese immunitarie e nel riequilibrio della funzionalità cardiovascolare, mentre l’attività fisica è indispensabile per evitare la perdita di massa muscolare e ossea.

Oltre alle innumerevoli conseguenze fisiologiche sopracitate, bisogna tener conto anche di quelle psicologiche che derivano dal costante confinamento, dall’alto carico di lavoro, dall’assenza di privacy, qualità del cibo, condizioni igieniche (non esistono docce sulla ISS) e dall’alterazione dei ritmi sonno/veglia (nel compiere un giro completo intorno alla Terra la ISS ed il suo equipaggio vedono 16 albe e 16 tramonti in 24 ore).

Secondo alcuni studi sui microrganismi, i batteri risulterebbero più resistenti agli antibiotici come conseguenza della microgravità e delle alte dosi di radiazioni elettormagnetiche. Questo aspetto, associato alla compromissione delle difese immunitarie, rende anche la più banale ferita suscettibile ad infezioni e potenzialmente letale se non trattata in modo tempestivo e adeguato.

Anche la rigenerazione dei tessuti è sotto attenta analisi; è noto che le varie linee cellulari responsabili del riparo della pelle (fibroblasti, macrofagi, cellule epiteliali ed endoteliali), prese singolarmente, mostrano dei difetti sia strutturali che funzionali, ma la loro interazione nel processo di rigenerazione non è del tutto nota in condizioni di microgravità. Ne consegue che un astronauta, in caso di incidente con lesioni traumatiche della cute, deve essere immediatamente riportato a Terra per poter essere curato.

Purtroppo le cattive notizie non finiscono qui, non abbiamo ancora parlato degli effetti delle radiazioni cosmiche ionizzanti. Ma cosa sono?

Le radiazioni ionizzanti (tra cui particelle-α, β, protoni e neutroni) sono composte da particelle subatomiche che viaggiano quasi alla velocità della luce. Questi elementi possiedono talmente tanta energia che sono in grado di penetrare la materia e di trasferire, agli atomi che la compongono, parte di questa energia, rendendoli altamente instabili e pericolosi.

Per nostra fortuna il campo geomagnetico e l’atmosfera della Terra risultano eccellenti scudi protettivi che riflettono o assorbono la maggior parte delle radiazioni cosmiche. Un astronauta però, per poter svolgere il suo lavoro in orbita attorno alla Terra, deve uscire dallo scudo protettivo dell’atmosfera, rendendosi più vulnerabile agli effetti delle radiazioni. Se addirittura volessimo ipotizzare un viaggio verso Marte, dovremmo uscire non solo dall’atmosfera, ma anche dal campo elettromagnetico della terra, a quel punto le radiazioni supererebbero di gran lunga i valori di sicurezza per l’uomo, rendendo il viaggio quasi una missione suicida.

Il campo geomagnetico della Terra è in grado di deviare le onde elettromagnetiche ionizzanti proveniente dal sole e dal cosmo.

Le radiazioni, per un astronauta a bordo della ISS, possono portare ad invecchiamento precoce della pelle e del sistema nervoso centrale. Esperimenti condotti dalla NASA sui topi esposti a dosi di radiazioni equivalenti a quelle cosmiche, hanno dimostrato un aumento di proteina beta-amiloide e di proteine fibrillari nel cervello, condizioni associate a diverse malattie neurodegenerative, soprattutto a livello di aree come l’ippocampo (memoria e riconoscimento) e la corteccia prefrontale (funzioni motorie). Questo, e altri studi successivi, hanno portato ad ipotizzare che le radiazioni cosmiche possono rappresentare un fattore di rischio per sviluppo di patologie degenerative del sistema nervoso centrale, tra cui il morbo di Alzheimer.

Inoltre è tristemente nota l’associazione tra radiazioni ionizzanti e sviluppo di tumori. Queste particelle hanno un alto potere penetrante e sono in grado di causare danni al DNA, favorendo l’insorgenza di mutazioni e conseguente formazione di neoplasie. Tra i tumori maggiormente associati ritroviamo leucemie e tumori solidi come melanomi, cancro al seno, ovaie, polmoni e vescica.

Per concludere, vorrei parlarvi di un recente studio effettuato dalla NASA tra il 2017 e il 2018 su due gemelli, Mark e Scott Kelly, volto a valutare gli effetti a lungo termine dell’ambiente spaziale sul corpo umano. Lo Human Research Program della NASA ha avviato lo studio in collaborazione con diversi centri di ricerca degli Stati Uniti, effettuando un’analisi comparata di 4 differenti aree della fisiologia umana per evidenziare con maggiore precisione gli effetti e le modificazioni che avvengono nel corpo umano nello spazio utilizzando, come confronto sulla Terra, un altro essere umano avente lo stesso patrimonio genetico (il fratello gemello Mark).

Nonostante i notevoli cambiamenti dell’astronauta Scott Kelly, dopo circa 350 giorni di missione spaziale, più del 90% dei parametri fisiologici sono tornati nella norma entro tre mesi dal rientro, questo è sicuramente un dato molto rassicurante in vista di missioni spaziali a lungo termine. Tuttavia alcune delle alterazioni sono rimaste invariate, è stato infatti riscontrato accorciamento dei telomeri del DNA, a confermare l’effetto di invecchiamento precoce delle cellule indotto dall’ambiente spaziale e dai molteplici fattori di stress associati.

Campioni prelevati prima, durante e dopo la missione di Scott nello spazio, hanno anche rivelato alcuni cambiamenti nell'espressione di alcuni geni rispetto al fratello Mark, ad indicare un adattamento delle cellule alla microgravità e alle radiazioni. Nonostante ciò, lo studio sui gemelli ha dato risultati davvero sorprendenti, dimostrando la resilienza e la robustezza del corpo umano e confermando che questo può adattarsi a una moltitudine di cambiamenti indotti dall'ambiente spaziale senza riportare danni gravi ed irreversibili.

Scott (a destra) ha trascorso un anno nello spazio mentre Mark (a sinistra) è rimasto sulla Terra come soggetto di controllo.

Considerando quanto detto finora, torno alla domanda iniziale: chi di noi ha ancora voglia di andare nello spazio? Sicuramente alcune delle mani precedentemente alzate ora si saranno abbassate, effettivamente il pericolo è reale e questo rende i nostri astronauti ancora più eroi di quanto sapessimo già.

La NASA prevede nel 2030 una prima spedizione sul pianeta rosso ma ci sono ancora tantissime problematiche che dovranno essere risolte prima che questo possa avvenire, prima tra queste, la tutela della salute umana.

Shirley Genah

“Na-Nose”: naso elettronico capace di diagnosticare 17 malattie diverse soffiando in una cannuccia

Ti piacerebbe scoprire da cosa deriva il tuo malessere semplicemente soffiando dentro un dispositivo elettronico, oppure fare un check-up per conoscere il tuo stato di salute anche in assenza di sintomi particolari? Questa non è fantascienza ed alcuni ricercatori hanno messo a punto una tecnologia in grado di farlo.

“Na-Nose”. Così è stato chiamato dai suoi inventori il respirometro che, analizzando il respiro del paziente, è in grado di evidenziare eventuali patologie con un’accuratezza media dell’86% circa.

Tale scoperta è stata possibile grazie alla cooperazione di un team di numerosi ricercatori provenienti da 5 paesi diversi quali Israele, Francia, USA, Lituania e Cina, guidati dal Professor Hossam Haick del Technion-Israel Institute of Technology Department of Chemical Engineering e Russell Berrie Nanotechnology Institute.

Gli studi ed i loro risultati sono stati pubblicati nel 2017 sulla rivista scientifica ACS Nano.

Il nome “Na-Nose” sta per Nanoscale Artificial Nose: naso artificiale realizzato con nanomateriali che cerca di imitare il funzionamento dei sistemi olfattivi che ritroviamo in natura come quello dei mammiferi o più specificatamente quello del cane. Infatti, è stato provato che i cani, attraverso il loro olfatto, sono in grado di rilevare una malattia grazie all’ “odore”, o traccia chimica, che questa emana.

Tra le patologie diagnosticabili da questo innovativo dispositivo vi sono: il morbo di Parkinson, il morbo di Crohn, la sclerosi multipla, la colite ulcerosa, sindrome dell’intestino irritabile, il cancro ai polmoni, il cancro alle ovaie, il cancro alla prostata, il cancro alla vescica, il cancro al colon-retto, il cancro allo stomaco, il tumore della testa e del collo. Inoltre, il dispositivo è anche in grado di rilevare più di una malattia contemporaneamente.

“Na-Nose”: com’è fatto? Come funziona?

In medicina, è noto che gli stati patologici possono alterare il metabolismo del nostro corpo, facendo sì che le cellule rilascino composti organici volatili (COV) in composizione o quantità diverse rispetto ad uno stato fisiologico normale.

Questi composti viaggiano nel flusso sanguigno e, in seguito, vengono eliminati dal corpo attraverso l'aria espirata, l'urina o la pelle. A titolo esemplificativo, le persone con carcinoma polmonare espirano concentrazioni diverse di COV (tra cui alcani e alcani monometilati) rispetto agli individui sani o, ancora, soggetti affetti da diabete presentano un alto livello di concentrazione di acetone: analizzando i COV presenti nell'esalato è quindi possibile identificare dei biomarcatori specifici per le singole patologie.

Na-Nose legge e rileva i composti organici volatili in una modalità innovativa, essendo un nanoarray artificialmente intelligente.

Il dispositivo si presenta come una scatola bianca dotata di una cannuccia attraverso la quale viene immesso il respiro; l’aria passa successivamente attraverso una serie di sensori costituiti da nanofili in silicio e nanoparticelle in oro, che interagiscono con i COV espirati, ed infine il software di apprendimento automatico analizza i risultati e determina se il segnale corrisponde a una firma chimica (l’”odore” specifico) nota di una particolare malattia; proprio grazie alle variazioni dei segnali generati da questi sensori è possibile ottenere un pattern identificativo (breathprint) del respiro analizzato.

Le prestazioni del nanoarray artificialmente intelligente sono state valutate clinicamente su campioni di respiro di 1404 soggetti (includendo sia individui sani sia affetti da una delle 17 condizioni patologiche considerate nello studio) da 14 dipartimenti in 9 centri medici di 5 paesi diversi.

I ricercatori hanno testato la composizione chimica dei campioni di esalato utilizzando un metodo analitico noto come gas cromatografia-spettrometria di massa, che ha consentito l’identificazione e l'accurata rilevazione quantitativa dei composti chimici in essi contenuti.

Questa analisi ha rilevato che 13 specie chimiche espirate erano comuni a tutte le 17 malattie, ma la loro composizione differiva da una malattia all'altra e tra i vari gruppi di controllo (sani e malati). La logica alla base di questo approccio è che queste specie chimiche possano generare migliaia di possibili combinazioni dove ciascuna combinazione potrebbe essere preziosa nella discriminazione tra due o più malattie.

Il professor Hossam Haick ha spiegato: “Ciascuna di queste malattie è caratterizzata da un'impronta digitale unica, che significa una diversa composizione di questi 13 componenti chimici. Proprio come ognuno di noi ha un'impronta digitale unica che ci distingue dagli altri, ogni malattia ha una firma chimica che la distingue dalle altre patologie e da un normale stato di salute. Queste firme degli odori sono alla base della tecnologia che abbiamo sviluppato”.

Questa è una direzione nuova e promettente; il rivoluzionario "naso elettronico", fornisce una diagnosi precoce affidabile, non invasiva ed economica con test facilmente riproducibile. È in grado di classificare le malattie ed individuare lo stato di avanzamento di queste ultime. Complessivamente, questi risultati potrebbero offrire un esclusivo sistema di allarme rapido che potrebbe salvare migliaia di vite, consentendo di diagnosticare, per esempio, tumori prima di quanto sia mai stato possibile prima (i quali altrimenti sarebbero difficili da rilevare in tempo).

Ora gli scienziati impegnati nel Progetto Na-Nose stanno lavorando ad una sua trasformazione in una App per Smartphone denominata “SniffPhone”, grazie al Programma Europeo “Horizon 2020” per il finanziamento della Ricerca e dell’Innovazione. L’App, una volta finalizzata, renderà ancora più facile ed immediata la diagnosi riducendo i tempi d’attesa per i risultati e permettendo di salvare sempre più vite.

Nakhleh MK et al. (2017). Diagnosis and classification of 17 diseases from 1404 subjects via pattern analysis of exhaled molecules. ACS nano, 11(1), 112-125.

Questa figura mostra lo schema secondo cui è stato condotto lo studio:

Sono stati prelevati due campioni di respiro da ciascun soggetto: uno è stato analizzato tramite gas cromatografia accoppiata a spettrometria di massa (GC-MS), per identificare e quantificare i composti organici volatili legati alla malattia, e l'altro è stato analizzato dal nuovo sistema, che ha prodotto una diagnosi clinica basata sull'impronta chimica del campione di respiro (breathprint).

Micaela Sasson