Diagnostica delle cellule tumorali con biosensori batterici
Il cancro rimane una delle principali cause di morte al mondo, con circa 8,2 milioni di decessi ogni anno. In molti casi, la mortalità non è determinata dal tumore primario ma dalle metastasi, un processo alimentato dalle cellule tumorali circolanti (CTC) che raggiungono il flusso sanguigno. Le CTC sono fenotipicamente eterogenee e le diverse sottopopolazioni contribuiscono in modo distinto alle metastasi, alla resistenza alla terapia e all’esito clinico. La loro caratterizzazione dettagliata potrebbe trasformare la diagnostica dei tumori e le strategie di trattamento personalizzato. Tuttavia, i metodi convenzionali devono fare i conti con la bassa sensibilità, la limitata capacità di multiplazione e la dipendenza da un’ingombrante infrastruttura di laboratorio.
Convergere diverse tecnologie in un unico sistema
Il progetto BIOCELLPHE(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, si è proposto di colmare questa lacuna sviluppando un approccio radicalmente nuovo al profilo proteico delle singole CTC. «La visione è quella di trasformare il modo in cui rileviamo proteine specifiche sulla superficie delle singole cellule tumorali, integrando i progressi più avanzati della nanotecnologia, della biologia sintetica, della microfluidica e dell’intelligenza artificiale (IA) in un’unica piattaforma diagnostica di facile utilizzo», spiega la coordinatrice del progetto Isabel Pastoriza Santos. Le cellule esprimono molteplici proteine sulla loro superficie, spesso condivise con altri tipi di cellule. Pertanto, il rilevamento e l’identificazione delle CTC per la diagnosi del cancro richiede la misurazione di molti biomarcatori proteici contemporaneamente. Per isolare le CTC, il consorzio ha sviluppato un dispositivo lab-on-a-chip(si apre in una nuova finestra) che smista e intrappola passivamente le goccioline contenenti cellule da campioni di sangue periferico di pazienti affetti da cancro. Queste cellule sono sottoposte ad analisi molecolari a valle.
Batteri ingegnerizzati come sensori viventi
Al centro del concetto ci sono ceppi di Escherichia coli geneticamente modificati, progettati per riconoscere specifici biomarcatori proteici sulla superficie delle CTC. Questi ceppi sono dotati di recettori sulla loro membrana esterna, che consentono l’attacco selettivo a biomarcatori tumorali convalidati. L’adesione specifica dei batteri alle proteine bersaglio sulla membrana cellulare innesca la produzione di composti chimici Raman-attivi, che possono essere rilevati con altissima sensibilità utilizzando la spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS)(si apre in una nuova finestra), grazie alle loro impronte digitali spettrali uniche. Per raggiungere questo obiettivo, il consorzio ha ingegnerizzato le vie di segnalazione e metaboliche per produrre reporter Raman-attivi distinti, consentendo il rilevamento simultaneo (cioè multiplo) di più proteine. I dati preliminari delle analisi cliniche hanno dimostrato che i batteri ingegnerizzati sono in grado di rilevare e distinguere almeno tre diverse proteine della membrana cellulare delle CTC. Questi risultati evidenziano il potenziale della fenotipizzazione multipla in campioni reali di pazienti.
Oltre lo stato dell’arte
Anche se la piena integrazione in un singolo dispositivo diagnostico rimane un obiettivo futuro, BIOCELLPHE ha stabilito un nuovo quadro scientifico e tecnologico per la profilazione delle proteine a livello di singola cellula. La competenza multidisciplinare del consorzio in biologia sintetica, nanotecnologia, microfluidica e IA ha permesso di compiere progressi che non erano stati possibili in precedenza. Le fasi future comprendono l’ottimizzazione, studi di validazione clinica più ampi e l’esplorazione di percorsi traslazionali. Il concetto di BIOCELLPHE, che prevede l’impiego di batteri ingegnerizzati per il rilevamento di bersagli extracellulari, ha il potenziale per far progredire l’oncologia di precisione e la diagnostica biomedica in generale. «Le basi gettate durante il progetto aprono le porte ad applicazioni che vanno ben oltre il cancro», sottolinea Pastoriza Santos.
