Analisi automatizzata delle cellule per la diagnosi del cancro

L'estrazione automatizzata, rapida e senza enzimi di cellule vive con il TissueGrinder per l'analisi di campioni di biopsia. © Fraunhofer IPA

Con l'aiuto del TissueGrinder sviluppato presso il Fraunhofer IPA – una mini-mola automatizzata per tessuti cellulari delicati – le cliniche in futuro potranno analizzare rapidamente e con precisione i campioni cellulari dei pazienti affetti da tumore, anche senza l'aiuto di un patologista qualificato. A beneficiare di ciò saranno soprattutto i pazienti, oltre alle cliniche. Se l'analisi cellulare viene eseguita già durante un intervento chirurgico e si avviano quasi immediatamente i corretti passi terapeutici, spesso si evita ai pazienti un secondo intervento chirurgico.

Durante un'operazione oncologica, sono necessarie rapidamente informazioni precise sul tessuto prelevato per supportare il chirurgo nei suoi prossimi passi. Finora, viene inviata una biopsia a un patologista, che valuta se il tessuto è sano o quanto si sia diffuso il tumore. Questo richiede molto tempo e risorse.

In collaborazione con l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA di Mannheim, l'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Nürnberg e il Centro universitario di Erlangen, ricercatori e ricercatrici del Max-Planck-Institut per la fisica della luce e del Max-Planck-Zentrum per la fisica e la medicina sono riusciti a automatizzare in larga misura l'analisi cellulare e la successiva valutazione mediante l'uso dell'intelligenza artificiale. Lo studio pubblicato su Nature Biomedical Engineering del team di Dr. Despina Soteriou e Dr. Markéta Kubánková del Max-Planck-Zentrum per la fisica e la medicina, e del Prof. Jochen Guck, direttore dell'Istituto Max-Planck per la fisica della luce, mostra come un «patologo artificiale» possa aiutare in futuro.

Primo passo: triturazione dei tessuti con il »TissueGrinder«

Nel nuovo metodo, grazie al TissueGrinder, le cellule vive possono essere ottenute più rapidamente. Lo strumento è stato sviluppato presso il Fraunhofer IPA da Dr. Jens Langejürgen e i suoi colleghi e funziona in modo simile a un macinino per spezie: grazie a lame appositamente sagomate, messe in rotazione da un meccanismo di macinazione, tritura delicatamente il tessuto senza distruggere o alterare le cellule. «Il TissueGrinder ha un enorme potenziale per la preparazione dei campioni nella diagnosi del cancro e in altre applicazioni mediche, in particolare per le analisi diagnostiche basate su singole cellule, che costituiscono la base della medicina personalizzata», afferma il responsabile del reparto di tecnologie sanitarie cliniche Jens Langejürgen. Finora, le cellule dovevano essere estratte manualmente o con enzimi, che a loro volta potevano lasciare tracce sulla superficie cellulare e influenzare i risultati delle analisi successive.

L'estrazione automatizzata, rapida e senza enzimi delle cellule vive con il TissueGrinder semplifica notevolmente l'esame dei campioni di biopsia. «La preparazione efficiente dei campioni all'inizio del processo diagnostico apre la strada a metodi di analisi all'avanguardia come la citometria di deformabilità in tempo reale (RT-DC) o tecniche di intelligenza artificiale, migliorando anche la qualità dei risultati», spiega Stefan Scheuermann, ricercatore presso il Fraunhofer IPA.

Secondo passo: analisi fisica delle proprietà cellulari

Nel passo successivo, le singole cellule ottenute vengono analizzate con la citometria di deformabilità in tempo reale (RT-DC). Si tratta di un metodo sviluppato in laboratorio dal Prof. Jochen Guck, senza marcatori, per analizzare la deformabilità cellulare, che analizza le proprietà fisiche fino a 1000 cellule al secondo, ed è 36.000 volte più veloce rispetto ai metodi più vecchi. Come la palpazione durante una visita medica, la deformabilità delle cellule fornisce informazioni importanti. Per sfruttarle, le singole cellule vengono fatte passare a grande velocità attraverso un canale microscopico, dove si deformano sotto pressione e stress. Dalle immagini acquisite, i ricercatori possono determinare proprietà fisiche come forma, dimensione e deformabilità.

Terzo passo: valutazione tramite intelligenza artificiale

Per formulare una diagnosi, i risultati dell'analisi fisica devono essere valutati nell'ultimo passaggio. I ricercatori del Max-Planck sono riusciti a sviluppare un modello di intelligenza artificiale che valuta i complessi set di dati dell'analisi RT-DC e può successivamente determinare se un campione contiene tessuto tumorale o no. Inoltre, l'uso dell'intelligenza artificiale ha confermato l'importanza della deformabilità cellulare come biomarcatore.

Intero procedimento, dal prelievo del tessuto alla valutazione dei risultati, richiede meno di 30 minuti e può essere eseguito senza un patologista o fisico qualificato. Inoltre, il metodo può essere utilizzato anche per rilevare infiammazioni tissutali in un modello di malattie infiammatorie intestinali (IBD).

Il prossimo obiettivo dei ricercatori è scoprire come applicare al meglio il metodo di analisi cellulare automatizzata nelle cliniche, per supportare e integrare l'analisi patologica tradizionale.