La nuova tecnologia sviluppata da ricercatori delle Università Ca’ Foscari di Venezia e di Madrid sfrutta l’intelligenza artificiale per le misurazioni nei tessuti biologici sottocutanei
Riuscire a misurare con precisione la temperatura interna del corpo umano consente, dal punto di vista medico, una serie di vantaggi come la diagnosi precoce di alcune malattie o il monitoraggio dell’avanzamento delle cure. Fino ad oggi, per ottenere questo risultato la scienza era riuscita a mettere a disposizione tecnologie di imaging come la risonanza magnetica funzionale o la tomografia di emissione di positroni, che presentano però tra gli svantaggi, insieme a quello di avere un certo livello di invasività, la necessità di disporre di apparecchiature costose e personale specializzato. In questa prospettiva, un notevole passo avanti rispetto alle tecniche convenzionali sembra ora possibile grazie ai risultati ottenuti da un gruppo di ricercatori dell’Università Ca’ Foscari di Venezia e dell’Universidad Autonoma di Madrid.
Luce e intelligenza artificiale per mappare 3D la temperatura dei tessuti biologici
La nuova tecnologia, che potrebbe tradursi in una vera e propria rivoluzione della diagnostica biomedica per la misurazione della temperatura sottocutanea, è stata illustrata dagli studiosi in un articolo pubblicato su Nature Communications. L’innovativa soluzione di imaging sviluppata dal team italo-spagnolo consente infatti di mappare tridimensionalmente la temperatura all’interno di tessuti biologici, utilizzando luce invisibile ed intelligenza artificiale. Un metodo ottico che, oltre a risultare più sicuro e notevolmente meno costoso, è anche portatile, aprendo quindi la strada a diagnosi eseguite anche al di fuori dell’ambiente ospedaliero.
“Stiamo trasformando le distorsioni ottiche, solitamente considerate un problema – spiega Riccardo Marin, professore associato a Ca’ Foscari, uno dei principali autori dello studio – in tecniche di indagine basate sulla luce, in una fonte di informazione. E, con questo metodo, possiamo rilevare sia la temperatura di un tessuto sia quanto in profondità esso si trovi sotto la superficie della pelle”.
Come funziona la nuova tecnica
Il metodo si basa su nanotermometri luminescenti, ovvero particelle di dimensione incredibilmente ridotta di solfuro d’argento. Queste, stimolate otticamente, emettono una luce nel vicino infrarosso. Il colore e l’intensità dell’emissione dipendono sia dalla temperatura della particella, che dallo spessore di tessuto biologico che la luce deve attraversare. Le variazioni spettrali simultaneamente indotte da questi 2 fattori vengono quindi decodificate grazie all’intelligenza artificiale. Il gruppo di lavoro ha infatti addestrato a tal fine una rete neurale, usando centinaia di immagini iperspettrali raccolte in condizioni diverse.
In tal modo, il modello è risultato in grado di ricostruire accurate mappe termiche tridimensionali dei tessuti, anche in scenari biologicamente complessi, sia in tessuti artificiali che in campioni biologici reali. Inoltre, grazie alla ricerca è stato possibile mappare i vasi sanguigni di un animale vivente, realizzando per la prima volta da remoto un’immagine termica 3D ad alta risoluzione utilizzando esclusivamente la luce. Quello compiuto grazie a questo studio è però solo un primo passo. “Crediamo – conferma il ricercatore Erving Ximendes – che questo sia solo l’inizio. Gli algoritmi di “machine learning” sono uno strumento straordinario per orientarci nella complessità dei sistemi biologici reali andando ben oltre i possibili traguardi dei modelli tradizionali”.
Al via un nuovo progetto
Modificando opportunamente le proprietà ottiche delle nanoparticelle, gli stessi principi utilizzati per rilevare la temperatura potrebbero infatti essere adattati per misurare altri parametri vitali, come la concentrazione di ossigeno e il pH. Partendo dai risultati raggiunti finora, Marin guiderà quindi il nuovo progetto quinquennale “MatCHLESS”, che mira a sviluppare sensori e sistemi di imaging di nuova generazione per monitorare parametri intracellulari chiave, come temperatura, pH e ossigeno, con una velocità e una risoluzione senza precedenti. Il progetto sarà condotto a Ca’ Foscari, sempre in stretta collaborazione con Madrid, e ha recentemente ottenuto un finanziamento “ERC Starting Grant” di 1,5 milioni di euro per sviluppare tecnologie avanzate di nanosensori luminescenti. Indagherà il funzionamento di cellule di mammiferi e di microrganismi estremofili capaci di sopravvivere in condizioni estreme, puntando ad ottenere risultati significativi per la diagnostica medica, la biotecnologia e persino l’astrobiologia.
Alberto Minazzi
