G. Lupi, F. Cagnazzo

U.O. Neurochirurgia Dip. Neuroscienze AOUP

La Biofotonica, che studia l’interazione tra cellule e fotoni, permette di raffinare diagnosi e trattamento in molteplici malattie. Questa disciplina nasce già nel 1931 quando Cutler introdusse la diafanografia nella identificazione del tumore del seno. Tuttavia, nonostante il brillante lavoro descritto, la metodica fu rapidamente abbandonata in conseguenza della limitata tecnologia del tempo. Il problema maggiore consisteva nella scarsa penetrazione della luce nel tessuto mammario ed alle non favorelvoli proprietà di scattering del tessuto stesso.

E’ nel 1977 che di fatto inizia la diagnostica ottica in-vivo, quando Jobsis per primo utilizzò la luce vicino all’infrarosso per la sua maggiore penetrazione nel tessuto. Da allora, gli studi sulla spettroscopia ottica sono drasticamente aumentati. La lunghezza d’onda della luce utilizzata spazia adesso dalla ultravioletta allo spettro infrarosso. Il conseguente studio della fluorescenza e spettroscopia ha portato ad ampliare l’utilizzo della biofotonica a molti campi di ricerca nelle scienze mediche, tra cui, più recentemente alla neuro-oncologia. Infatti, le informazioni biochimiche ottenute in-vivo, permettono di migliorare l’identificazione dei margini del tumore, di discriminare i margini di recidiva tumorale dai danni attinici post radioterapici, di identificare tipi di cellule diverse attraverso particolari neurotrasmettitori ed infine di riconoscere cellule o farmaci “otticamente etichettati”.

Ad esempio l’uso dell’acido 5-aminolevulinico (5-ALA), un fluoroforo esogeno che si lega alle cellule di glioblastoma ma non al tessuto sano, permette di identificare con miglior approssimazione i margini tumorali sotto ad una luce dello spettro blu-violetto. La miglior definizione permette inoltre di discriminare più efficacemente i foci anaplastici, guidando un’eventuale biopsia a cielo aperto, talora utile per un’istologia intra-operatoria. L’hardware necessario è di basso costo, facilmente trasportabile e di rapido utilizzo.

Ancora, con la spettroscopia ottica si possono meglio discriminare alcune strutture cerebrali come ad esempio i nuclei, la sostanza bianca e la sostanza grigia. Queste informazioni permetteranno di allineare il Neuronavigatore allo scenario intraoperatorio, talora modificato dal brain-shift. Il fenomeno del brain shift comporta infatti una modifica della forma e dimensione dell’encefalo che, una volta sopposto a deliquorazione, appare collabito. Come conseguenza, i dati topografici ottenuti da uno studio neuroradiologico pre operatorio, utilizzato dai comuni sistemi di neuronavigazione, non sono ulteriormente utili. La conseguenza è che il chirurgo, in seguito al brain shift, non potrà continuare ad utilizzare l’ausilio visivo del neuronavigatore a meno che questo non venga ri-allineato. Attualmente questo è possibile grazie all’utilizzo di RMN o TC intra operatoria, che richiedono tempi e costi elevati. L’esatta identificazione delle strutture anatomiche, della topografia vascolare e dei neurotrasmettitori (ad esempio aspartato e glutammato, usati come fluorofori endogeni) potrà in futuro allineare lo scenario pre e post operatorio annullando di fatto il fenomeno del Brain Shift.

Con una luce con lunghezza d’onda 450-470 nm si può calcolare la quantità di nicotinamide-adenina-dinucleotide e nicotinamide-adenina-dinucleotide fosfato [NAD(P)H]. Questi composti sono implicati nella fosforilazione ossidativa e respirazione aerobica. Inoltre il [NAD(P)H] è collegato alla donazione del nucleotide durante riparazione del DNA. Il monitoraggio continuo o intermittente, permetterebbe quindi di determinare la reale efficacia di un farmaco anti tumorale in real time o near-real time. Infatti, se non si assistesse, dopo somministrazione dell’antitumorale, a modificazioni dei livelli di [NAD(P)H] potremmo concludere che non si ha morte cellulare e quindi che l’agente somministato potrebbe essere inefficace.

Le piattaforme tecnologiche necessarie allo sviluppo di queste ricerche sono tuttavia principalmente disponibili in poche aree geografiche e richiedono ingenti investimenti anche industriali. Le grandi e medie imprese hanno stabilito collaborazioni forti con con gli Enti di Ricerca in poche aree geografiche in ambito mondiale.

Grazie alle politiche regionali ed al coordinamento dell’Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” CNR-IFAC, diretto dal Prof. Roberto Pini, ed al tessuto imprenditoriale toscano, negli ultimi anni anche in Toscana, al pari altre nazioni europee (Francia, Germania, Olanda, Svezia, Spagna), la Biofotonica si è diffusa alle discipline chirurgiche.

In particolare, la collaborazione tra il CNR-IFAC, il Dipartimento Cardio Toracico dell’Università di Pisa (Diretto dal Prof. M. Ferrari) e la Neurochirurgia dell’Azienda Ospedaliera Universitaria Pisana (Diretta dal Dr. R. Vannozzi) ha permesso di affrontare problemi antichi con strumenti moderni: la biofotonica. Infatti da  questa collaborazione sono scaturiti progetti di ricerca a diverso stadio di avanzamento, alcuni anche finanziati e premiati dalla comunità europea. Ad esempio: la possibilità di completare una anastomosi vascolare su arterie o vene di diametro inferiore ai 3 mm attraverso l’uso di laser a diodi con riduzione dei tempi chirurgici, la possibilità di sigillare la porta di ingresso negli approcci endoscopici trans sfenoidali (“saldando” la dura madre) per ridurre il rischio di fistola liquorale, ed ancora la possibilità di rimuovere una neoplasia intracerebrale con l’aiuto di laser ad accesso percutaneo con monitoraggio in “real time” del  risultato.

In conclusione, appare indiscutibile l’importanza di continuare a potenziare la ricerca tecnologica avanzata potenziando l’interconnesione tra discipline diverse ma unite nell’obiettivo di migliorare la qualità delle cure cui consegue un vantaggio in termini di risultati per il singolo paziente ma anche di spesa sanitaria e costi sociali.