9. COMPAMED Forum di primavera offre un'anticipazione sui temi di tendenza in vista di COMPAMED 2015

La luce è uno strumento indispensabile in medicina da molti anni. Le procedure fotoniche sono oggi impensabili in endoscopia, chirurgia laser, sistemi Lab-on-a-Chip, optosensori biomedicali e altri campi. In questo contesto, si è svolto quest'anno il 9° Forum di Primavera COMPAMED (7 maggio a Francoforte sul Meno), organizzato dalla fiera di Düsseldorf in collaborazione con l'associazione di settore Mikrotechnik IVAM, sotto il motto “Sguardo di speranza per la tecnologia medica – Applicazioni fotoniche per diagnosi e terapie”, offrendo così una prima panoramica sulle tendenze di COMPAMED 2015 a Düsseldorf. La fiera specializzata, con oltre 700 espositori internazionali, leader nel settore dei fornitori di tecnologia medica, si terrà dal 16 al 19 novembre per la prima volta in quattro giorni, completamente parallela alla più grande fiera medica mondiale MEDICA 2015 (circa 4.800 espositori), e da ora in poi sempre nelle nuove date, da lunedì a giovedì.

Soprattutto i campi di applicazione dei laser moderni stanno diventando sempre più numerosi. I laser tagliano con molta più precisione di qualsiasi bisturi, e sono anche in grado di saldare i tessuti. Per rimuovere calcoli nel corpo, il raggio di luce focalizzato è spesso lo strumento preferito. Nel taglio e nell’asportazione di tessuti molli, il laser è superiore ad altre tecnologie come l’elettricità o le onde sonore. La fotonica ha fatto progressi significativi nelle operazioni minimamente invasive. Anche l’endoscopia, la visione all’interno del corpo con strumenti appropriati, viene utilizzata con successo da anni e viene continuamente ottimizzata. Il miglioramento costante di fonti di luce, conduttori di luce e sistemi di telecamere sono fattori decisivi per operare in modo sempre più delicato, rapido e preciso.

La medicina ripone grandi speranze anche nello sguardo diretto nelle cellule. L’obiettivo è comprendere e dimostrare i processi biologici a livello molecolare o cellulare. Ciò offre la possibilità di riconoscere le malattie nelle prime fasi, di diagnosticarle meglio e di trattarle in modo più mirato – tra cui un metodo per la diagnosi precoce del cancro. Con il microscopio a fluorescenza, sviluppato dal ricercatore dell’Max-Planck di Göttingen Stefan Hell, la risoluzione è ormai così elevata che singole molecole sono visibili. Hell ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2014, insieme ai colleghi americani Eric Betzig e William Moerner, per il suo lavoro rivoluzionario sul microscopio a fluorescenza super-risolutivo – un riconoscimento anche per “lo strumento luce” in medicina.

Non c’è dubbio che la biophotonica, le applicazioni laser e la microoptica stiano sempre più entrando nel campo della tecnologia medica, perché queste metodologie sono particolarmente a basso rischio e amichevoli per i pazienti. Nel suo discorso di apertura “Oltre la luce bianca – Nuove modalità di imaging per migliorare diagnosi e terapia nella chirurgia minimamente invasiva”, Thorsten Jürgens, coordinatore dello sviluppo tecnologico presso Olympus Surgical Technologies Europe, ha parlato di nuove tecniche di imaging che migliorano notevolmente le possibilità della microchirurgia. Con l’Imaging a Banda Stretta (NBI) si riesce, ad esempio, a riconoscere strutture sottili e schemi capillari sulla superficie delle mucose. Il tessuto umano assorbe molto bene la luce a lunghezze d’onda corte, quella utilizzata in questo metodo. Questa proprietà viene sfruttata con successo da NBI, che fornisce informazioni aggiuntive rispetto all’immagine endoscopica normale. Un filtro genera due spettri di 60 nanometri di larghezza nelle bande di lunghezza d’onda di 415 nanometri (luce blu) e 540 nanometri (luce verde). Grazie alla caratteristica di assorbimento dell’emoglobina, il contrasto dei vasi sanguigni viene aumentato. La diversa profondità di penetrazione della luce blu e verde permette di determinare lo strato anatomico in cui si trova un vaso sanguigno.

Anche la Diagnostica Fotodinamica (PDD) promette bene: può riconoscere tumori specifici in vivo ed è già utilizzata in dermatologia e urologia. Si applica prima un fotosensibilizzante che si accumula selettivamente nelle cellule tumorali o nelle loro vicinanze. Con l’illuminazione con la luce, i coloranti fluorescono e la luce emessa viene rilevata. Si utilizzano sorgenti di luce a xenon a banda larga, da cui vengono estratte le lunghezze d’onda necessarie tramite filtri. Negli ultimi anni sono stati sviluppati nuovi coloranti specifici. “NBI e PDD sono già impiegati regolarmente nelle cure cliniche. In futuro, sostanze coloranti alternative permetteranno di marcare in modo mirato strutture a rischio e malattie”, spiega Thorsten Jürgens.

Nanostick funzionalizzati per la diagnosi precoce del cancro

Più piattaforme fotoniche sono in fase di sviluppo dall’Austrian Institute of Technology (AIT) di Vienna, il più grande istituto di ricerca non universitaria in Austria. L’AIT partecipa al progetto NAMDIATREAM (Toolkit nanotecnologici per diagnosi multi-modali di malattie e monitoraggio dei trattamenti), finanziato dall’UE, che mira a contribuire alla diagnosi precoce del cancro basata sulla nanotecnologia. L’istituto, titolare di un brevetto per innovativi metodi di immunodiagnostica, ha creato nanostick funzionalizzati con nucleo e rivestimento, estremamente semplici da usare: “Già in ambulanza si possono effettuare misurazioni con un campione di saliva del paziente, il miglior mezzo per l’uso sul punto di cura”, spiega il dott. Giorgio C. Mutinati dell’AIT. La tecnica si basa su variazioni ottiche nella dinamica di rotazione delle nanostick magnetici, che hanno un nucleo magnetico e un rivestimento di metallo prezioso. Molecole specifiche nel campione si legano alle nanoparticelle, modificando in modo misurabile le proprietà fisiche. Il metodo presenta molti vantaggi: richiede piccole quantità di campione, senza preparazione, la manipolazione “mescolare e misurare” è semplice e i tempi di analisi sono brevi.

Sensori ottici micro sono sempre più adottati anche in medicina. Il Centro di Ricerca CiS per i microsensori ha sviluppato un sensore intra-auricolare che può misurare in modo non invasivo il battito cardiaco e il livello di ossigeno nel sangue, trasmettendo i dati a un dispositivo di registrazione. Il sistema di monitoraggio a lungo termine dei parametri vitali consiste in una sorgente di luce miniaturizzata, di dimensioni di soli 0,6 x 0,7 x 1,4 millimetri, e in sensori laser Doppler. “Il principio di misura si basa sul fatto che la luce laser diffusa dai componenti del sangue subisce uno spostamento di frequenza dipendente dalla velocità e dalla direzione del flusso, secondo l’effetto Doppler”, spiega il dott. Hans-Georg Ortlepp del CiS. La sovrapposizione con l’onda originale genera effetti di interferenza nel campo di frequenza misurabile. La posizione di misurazione prevista è all’ingresso del canale uditivo. Il sensore sarà integrato in un’otoplastica, in modo che l’unità di misura possa essere indossata come un apparecchio acustico.

Ascoltare con la luce

Vedere grazie alla luce è normale, ascoltare attraverso la luce è un nuovo approccio perseguito dal Centro CSEM di Svizzera centrale (Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique). Infatti, la luce viene sempre più utilizzata in diagnosi e terapia. Finora, gli impianti cocleari funzionano tramite stimolazione elettrica, ma sono limitati in vari aspetti, come ad esempio la scarsa risoluzione spaziale, il cosiddetto “sovrapposizione”. Con la stimolazione “ottico-acustica”, il CSEM partecipa al progetto UE ACTION (Active Implant for Optoacoustic Natural sound enhancement). “L’obiettivo è migliorare l’udito di pazienti con grave perdita uditiva eliminando le limitazioni nella stimolazione spaziale e temporale degli impianti cocleari, basate sull’elettricità”, sottolinea il dott. Stefan Mohrdiek del CSEM. ACTION si basa sulla scoperta che il laser a infrarossi pulsato può stimolare l’attività uditiva nelle cellule ciliate. Le componenti principali del microsistema ottico sono laser per la stimolazione ottica, preferibilmente diodi laser a semiconduttore, elettrodi di risposta e elementi di collegamento flessibili con circuiti stampati. Prima di realizzare sistemi di questo tipo, ci sono molte sfide da superare, tra cui la miniaturizzazione, laser VCSEL avanzati per lunghezze d’onda lunghe, biocompatibilità, produzione di microlenti su wafer e possibilità di produzione in piccole serie.

Le emissioni laser sono già impiegate intensamente oggi per ottenere vari effetti terapeutici, dall’agopuntura alla vaporizzazione dei tessuti e alla loro distruzione o disgregazione (ad esempio pelle, cartilagine e calcoli). Inoltre, il raggio di luce direzionato viene utilizzato anche nella terapia fotodinamica e nella coagulazione termica. Si ottengono effetti molto buoni con tecniche che sfruttano la diffusione laterale della luce attraverso fibre ottiche, per irradiare superfici più ampie. La Laser- und Medizin-Technologie di Berlino (LMTB) ha sviluppato diffusori rigidi e flessibili per la terapia laser. “Per i diffusori in polimero successivi ai conduttori di luce in quarzo abbiamo stabilito un nuovo metodo di produzione, in cui vengono inseriti nel materiale diffusore centri di diffusione indotti dal laser, chiamati Micro-Dots”, spiega il senior project manager di Biomedical Optics, Dr. Jürgen Helfermann, di LMTB. Con questa tecnologia si possono realizzare lunghezze d’onda tra 5 e 30 millimetri, con emissione laterale fino al 90%. Ciò permette di ottenere alte potenze laser superiori a 10 watt. Le lunghezze d’onda variano dal UV al vicino infrarosso. I diffusori rigidi sono già consolidati, mentre le versioni flessibili sono in fase di sviluppo.

Chirurgia laser con controllo in tempo reale

Le opportunità offerte dalla chirurgia laser con controllo in tempo reale tramite tomografia ottica coherente (OCT) sono state illustrate al Forum di Primavera COMPAMED dal dott. Alexander Krüger del Laser Zentrum Hannover (LZH). Il laser per il taglio dei tessuti può essere collegato direttamente all’accesso ottico per l’imaging. La soluzione completamente integrata utilizza laser, scanner e obiettivo comuni. In alternativa, esistono versioni modulari integrate (con scanner condiviso) e versioni ampiamente separate. I laser a femtosecondi e a eccimeri sono strumenti molto diffusi in chirurgia oculistica. Permettono di modificare con precisione il corpo vitreo dell’occhio, senza danneggiare la retina o i nervi. Con laser ultraveloci sono oggi possibili trattamenti innovativi per cataratta, presbiopia e retinopatia, con l’OCT a garantire il controllo diretto. In futuro, si prevede che la terapia laser guidata dall’immagine conquisterà ulteriori ambiti, come la rimozione di tumori, la neurochirurgia endoscopica, il taglio delle ossa e le operazioni laser alla laringe.

“Senza dubbio, l’uso della luce offre straordinarie possibilità in medicina”, riassume il dott. Thomas Dietrich, amministratore delegato di IVAM, le scoperte di quest’anno al Forum di Primavera COMPAMED. Per questo, questo settore estremamente vario, che contribuisce sia alla diagnosi che alla terapia, giocherà un ruolo importante anche alla fiera COMPAMED 2015, dal 16 al 19 novembre, nelle hall 8a e 8b del centro fieristico di Düsseldorf.