Le ricerche biomediche si avvalgono sempre più dei progressi di altre discipline e delle innovazioni nella strumentazione analitica. Ci sono situazioni dove anche la semplice operazione di “pesare” una piccola massa di biomolecole può aiutare i medici nella diagnostica e nel trattamento di particolari patologie. È il caso del glioblastoma (GBM), un tipo di cancro al cervello. Nel sangue dei pazienti che ne sono affetti sono presenti grandi quantità di particolari microvescicole contenenti proteine e altre biomolecole: la possibilità di rilevare le modifiche nella loro concentrazione potrebbe aiutare i medici a monitorare i pazienti durante gli speciali trattattamenti. Attualmente ci questo rilevamento viene fatto mescolando i campioni di sangue con nanoparticelle magnetiche ricoperte di anticorpi che si legano ai marcatori presenti sulla superficie delle vescicole.
Ora però, una nuova tecnica messa a punto da un gruppo di ricerca del MIT può consentire test molto più semplici attraverso un’operazione di pesatura delle microvescicole. Il fatto è che pesare oggetti di quelle dimensioni non è un’impresa così facile. Stiamo parlando di particelle dell’ordine degli attogrammi, un’unità di misura non certo familiare ma con la quale ormai biomedici e nanotecnologi hanno imparato a fare i conti: si tratta di un sottomultiplo pari a un miliardesimo di miliardesimo di grammo. Il traguardo però è stato raggiunto grazie a un particolare sensore ideato già alcuni anni fa da Scott Manalis – professore di ingegneria meccanica e biologica al Media Lab del MIT di Boston e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research – e recentemente perfezionato per conseguire le performance richieste. Il dispositivo messo a punto dal team di Manalis ha l’aspetto di un piccolo chip all’interno del quale si trova un microcanale vibrante in sospensione scavato nel silicio: il microcanale è lungo 500 micrometri (millesimi di millimetro), largo 50 e spesso qualche micrometro e si comporta come un minuscolo trampolino: trattando chimicamente la sua superficie interna, proteine specifiche o altre biomolecole si attaccano al microcanale e il peso aggiunto cambia la frequenza delle sue vibrazioni; tale cambiamento può essere misurato elettronicamente o con un laser e corrisponde direttamente alla massa delle molecole attaccate.
Il sistema è noto come un risonatore a microcanale sospeso (SMR, Suspended Microchannel Resonator) e quando nel 2007 è stato realizzato, la sua potenzialità era tale da poter misurare la massa di particelle dell’ordine dei femtogrammi, cioè mille attogrammi. Da allora, il sistema SMR è stato impiegato con successo per monitorare la crescita cellulare nel tempo, per misurare la densità cellulare e misurare altre proprietà fisiche, quali la rigidità.
Il miglioramento che ha portato al traguardo dell’attogrammo, descritto in un articolo apparso nelle scorse settimane su PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences), è consistito nella riprogettazione del dispositivo. Per renderlo sensibile alle masse più piccole, i ricercatori hanno ridotto le dimensioni del “micro canale-trampolino” ottenendo un effetto che loro stessi esemplificano con un paragone efficace: quando un tuffatore rimbalza all’estremità di un trampolino, vibra con una grande ampiezza e bassa frequenza; quando poi si tuffa in acqua, la tavola vibra molto più rapidamente perché la sua massa complessiva è diminuita notevolmente. Misurare nanoparticelle con un grande microcanale, è come avere un enorme trampolino con sopra una piccola mosca: quando la mosca salta, non si nota alcuna differenza.
Ecco perché per misurare le masse molto piccole, è necessario un “trampolino” più piccolo. In una precedente versione del SMR è stato utilizzato un “trampolino” di 50 micron che era in grado di pesare particelle leggero 77 attogrammi a un ritmo di una particella o due al secondo. L’ultimo modello del dispositivo è lungo 22,5 micron e il microcanale che lo attraversa è largo un micron e profondo 400 nanometri: con questo la risoluzione raggiunge gli 0,85 attogrammmi e i ricercatori possono misurare circa 30.000 particelle in poco più di 90 minuti. Il grande vantaggio di questo tipo di nano bilance si manifesta soprattutto a livello delle applicazioni biomediche, dove le particelle da misurare sono prevalentemente immerse in ambiente liquido che rende inadatti altri sistemi prima utilizzati. Il lavoro dei biomeccanici del MIT assume quindi un ruolo rilevante nello sviluppo della microfluidica, una delle nuove e promettenti aree della ricerca medica.