Cancro, diagnosi precoce:
in arrivo il test del palloncino

L’Università di Bari e tre aziende pugliesi sono al lavoro per costruire un'apparecchiatura portatile per la analizzare il respiro e diagnosticare diverse patologie.
Primo obiettivo della ricerca, individuare il tumore al colon retto.

DESCRIZIONE GENERALE

Mai più esami invasivi a tappeto. Per individuare le patologie più diffuse basterà analizzare il respiro umano. Grazie a “Inside the breath”, cluster multidisciplinare finanziato dalla Regione Puglia col bando “Aiuti a sostegno dei cluster tecnologici regionali per l’innovazione”. Questo progetto di ricerca e preindustrializzazione dell’Università di Bari, supportata da tre aziende pugliesi, si pone l’obiettivo di sviluppare un sistema diagnostico “smart”, cioè una macchina leggera, a zero impatto sul paziente e di massima affidabilità. Attraverso un semplice soffio all’interno di un questa apparecchiatura (simile a uno spirometro), si otterrà un’indicazione chiara sulla presenza di una determinata patologia. Come? Si parte dalla breathomica, scienza piuttosto recente che, attraverso l’analisi dei composti organici volatili (VOCs) presenti nell’espirato, è in grado di interpretare la presenza di queste molecole (metaboliti gassosi) e creare dei modelli di previsione. La ricerca chimico-biologico-sanitaria si integra con la progettazione ingegneristica della macchina che, registrando il composto del soffio del paziente, sarà in grado di analizzare i dati e fornire la diagnosi.

Non sfuggono i benefici di questa innovazione: abbattimento dei costi per il SSN e le attuali tecniche diagnostiche (colonscopia, analisi del sangue, mammografia, ecc) che diventano esami di secondo livello, con impatto su liste d’attesa e sofferenza dei pazienti, soprattutto più deboli e anziani.

LA RICERCA SCIENTIFICA

Multidisciplinarietà ed altissima competenza specialistica sono i due tratti distintivi del Cluster.

Grazie alla strumentazione a disposizione del Dipartimento di Biologia acquisita nell’ambito di un altro progetto finanziato dalla Regione Puglia “VOC & ODOR: Reti di Laboratori Pubblici di Ricerca”, è possibile usufruire del servizio off line di analisi dell’espirato, raccolto in bag. Lo strumento che si sta industrializzando sarà in grado di diagnosticare molteplici patologie: del sistema gastro-intestinale, respiratorio, nervoso centrale e periferico, infezioni del tratto respiratorio, apnee ostruttive nel sonno, cancro della mammella, dell’apparato genitale, della prostata.

La ricerca Inside the Breath ha tempi definiti dal bando “cluster” che si è aggiudicata: entro il 2018 sarà presentato il prototipo dell’apparecchio per lo screening di massa del carcinoma colon-rettale e si potrà iniziare l’attività di prevenzione, partendo dalla popolazione anziana. Proprio per la pericolosità intrinseca di questa patologia, in molte parti d’Italia si effettuano da anni campagne di screening.

Un device maneggevole e smart, che permetta la diagnosi precoce senza sofferenza per il paziente e in grado di abbattere i costi per la sanità pubblica, sarebbe pertanto un’innovazione che interessa potenzialmente il 23% della popolazione italiana (sono gli over 65). Ma la ricerca non si fermerà qui, passando allo sviluppo di strumenti per la diagnosi di diverse patologie: il passo successivo, già definito nel progetto, riguarda l’asma infantile. Dagli anziani ai bambini, per il bene comune.

IL CONTESTO

Molte delle procedure diagnostiche attualmente impiegate risultano invasive. L’output di progetto invece è rappresentato da uno strumento maneggevole e sicuro, per la diagnosi precoce di numerose patologie anche di tipo oncologico. Questo è in grado di riconoscere i metaboliti prodotti da fenomeni cellulari patologici che attraverso il sangue vengono trasportati ai polmoni, poi scambiati in fase gassosa e quindi espulsi con l’espirato. I pazienti che si sono già sottoposti al test con il setting ‘off line’ hanno riferito un alto gradimento per questa metodica e la considerano più tollerabile delle metodologie diagnostiche tradizionali.

La breath analysis rappresenta oggi un potenziale approccio diagnostico innovativo: l’Università degli Studi di Bari è tra i primi gruppi di ricerca in tutto il mondo impegnati in studi sperimentali ad elevata rilevanza scientifica e sociale sul cancro colorettale come evidenziato dalle numerose pubblicazioni scientifiche su riviste internazionali.

[Altomare et al. ‘Exhaled volatile organic compounds identify patients with colorectal cancer’. Br J Surg. 2013; Altomare, et al. ‘Effects of Curative Colorectal Cancer Surgery on Exhaled Volatile Organic Compounds and Potential Implications in Clinical Follow-up’. Ann Surg. 2016 ; de Gennaro et al. ‘Chemical characterization of exhaled breath to differentiate between patients with malignant plueral mesothelioma from subjects with similar professional asbestos exposure’. Anal Bioanal Chem. 2010]

PUNTO DELLA SITUAZIONE

Il servizio ‘off line’ con raccolta del campione in bag ed analisi presso il Dipartimento di Biologia dell’Università di Bari è già disponibile.

Il progetto ‘Cluster’ prevede inoltre l’ingegnerizzazione di un prototipo della strumentazione, a partire dal setup sperimentale fino ad ora utilizzato, che sarà disponibile entro ottobre 2018. Le numerose richieste di effettuare test clinici con questa metodica hanno comunque determinato la realizzazione di un primo prototipo funzionante, utilizzabile per la diagnosi di alcune patologie, già da febbraio 2017.

La tecnologia di analisi del respiro è completamente trasferibile e utilizzabile su diverse patologie. Cambiando il pattern di molecole identificative delle patologie oggetto di studio e la logica di disambiguazione dei segnali di pazienti sani e malati è possibile trasferire la tecnologia sviluppata su svariate patologie (cancro al colon retto, al polmone, al seno, alla prostata, oltre che asma bronchiale infantile). In Italia ci sono altri centri di ricerca che stanno sviluppando metodologie di breath analysis ma nessuno di questi ha un progetto di industrializzazione di sistemi in grado di affrancarsi dall’analisi in un laboratorio chimico. Per questa ragione la Puglia potrebbe diventare polo di attrazione e territorio di riferimento per lo sviluppo tecnologico di questa metodica. Di fatto questo sta già avvenendo sul fronte della ricerca scientifica tra Università di Bari e le Università di Chieti e di Trieste.

L'OUTPUT DELLA RICERCA: IL DEVICE

I metodi per la determinazione dei metaboliti gassosi nell’espirato prevedono l’utilizzo in serie di un sistema di campionamento per la raccolta dell’espirato, di un sistema analitico (un gascromatografo ed una serie di sensori) per la rilevazione dei composti organici volatili e dei gas inorganici ed un sistema di elaborazione ed analisi dei dati in grado di migliorare la propria precisione ed affidabilità attraverso processi di autoapprendimento (learning machine). Quest’ultimo lavora in cloud e fornisce il responso in modalità IoT.

In sintesi, l’apparato diagnostico è costituito da un campionatore, dei detectors e da un sistema elaborazione dati.

Obiettivo del progetto ‘Inside the breath’ è quello di riportare in un unico device questi sistemi complessi ed ingombranti progettando una soluzione ‘all in one’ che possa operare stand-alone anche fuori da un laboratorio chimico. In questo modo la pratica clinica potrà rendersi autonoma dall’indagine di laboratorio ottenendo per talune patologie direttamente gli esiti di una ‘breath biopsy’. Sarà possibile sottoporsi al test anche in una farmacia come per altri servizi di autodiagnosi. La conformità del test è garantita dall’utilizzo di materiali ‘medical grade’ e per uso medicale a contatto con i pazienti, e da strumenti certificati per la caratterizzazione analitica. Standard DIMSE-DICOM garantiranno l’interoperabilità nel trasferimento dell’informazione.

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