Ibm Research, uso dell’elettrocinetica nell’analisi di proteine

La diagnostica in vitro è un ampio settore che include, oltre alla ricerca di base, test di laboratorio clinici, dispositivi di point-of-care, come il test di gravidanza o della glicemia, e lo sviluppo di trattamenti personalizzati.

Il cuore di ogni test diagnostico è l’analisi di biomarcatori, indicatori fondamentali di uno stato fisiologico e/o della presenza di una malattia. Una delle più grandi sfide della diagnostica è il continuo sviluppo di test sempre più sensibili, al fine di rivelare quantità (concentrazioni) di biomarcatori sempre più esigue.

Questo è particolarmente rilevante per la diagnosi di malattie allo stato iniziale, ad esempio la malaria, dove il numero di biomarcatori è presente in concentrazioni estremamente basse, o per l’analisi di campioni microscopici, come il contenuto di singole cellule, dove il volume disponibile è dell’ordine di nanolitri (un miliardesimo di una bottiglia di acqua).

Negli ultimi 20 anni, il settore della diagnostica in vitro è migrato dai tradizionali strumenti di laboratorio verso dispositivi microfluidici "lab-on-a-chip". Questi ultimi hanno aperto nuove possibilità per la manipolazione e l’analisi di campioni biologici liquidi, sfruttando fenomeni fisici che normalmente non consideriamo. Infatti, su scale microscopiche, la diffusione ed effetti superficiali dominano il comportamento di fluidi e molecole, prevalendo sulle forze inerziali e di attrazione, come la gravità, che diventano trascurabili.

Al centro di ricerca IBM di Zurigo stiamo sviluppando nuovi sistemi microfluidici che permettano analisi precise e rapide di campioni biologici, essenziali sia per la ricerca di base che per un’accurata diagnostica.

Chi è l'autore

Federico Paratore è approdato al centro di ricerca IBM di Zurigo nel 2016 per continuare i suoi studi di dottorato che sta conseguendo presso il Technion – Israel Institute of Technology. Le sue ricerche vertono sullo sviluppo di nuove piattaforme microfluidiche per la diagnostica bio-molecolare e per la manipolazione microscopica di fluidi biologici. Federico ha studiato alla Sapienza, Università di Roma, dove ha ottenuto una laurea magistrale in ingegneria delle nanotecnologie (cum laude) e una laurea triennale in ingegneria chimica.

Il DNA si replica. E le proteine?

Tra i marcatori di maggiore rilevanza biologica, gli acidi nucleici (ad esempio DNA) e le proteine hanno un ruolo preminente. Per l’analisi del DNA la tecnica più utilizzata è la reazione a catena della polimerasi (PCR) e le sue varianti.

Questo metodo inventato nel 1983 da Kary B. Mullis, che gli valse il Nobel della chimica nel 1993, riproduce esponenzialmente le molecole di DNA iniziale fino a quando la loro concentrazione diventa "visibile" dai tradizionali sistemi di misura. Per le proteine sfortunatamente non ci sono (ancora) strumenti capaci di replicarle in vitro e pertanto l’analisi di piccole concentrazioni rimane una sfida aperta che necessita soluzioni alternative.

L’analisi di proteine è tradizionalmente effettuata utilizzando la tecnica del dosaggio immunologico superficiale, che impiega anticorpi immobilizzati su di una superficie per catturare specifiche proteine presenti in un campione biologico. Il numero di proteine catturato è quindi convertito in un segnale misurabile utilizzando uno dei tanti metodi disponibili, tra cui reazioni elettrochimiche o fluorescenza.

Purtroppo, l’efficacia di questi metodi è limitata dalla velocità di reazione tra le proteine e gli anticorpi, in quanto il tempo caratteristico della reazione è inversamente proporzionale alla concentrazione delle proteine in soluzione.

Per far fronte a questo limite, nei laboratori di Ibm di Zurigo utilizziamo un metodo che sfrutta un fenomeno elettrocinetico chiamato isotacoforesi (ITP), che separa e focalizza simultaneamente le proteine di interesse.

Questo metodo appartiene alla famiglia delle tecniche elettroforetiche, trova le sue origini nel lavoro pioneristico di Arne Tiselius (premio Nobel per la chimica nel 1948) all’inizio dello scorso secolo ed ha trovato un rinnovato interesse negli ultimi anni grazie alla rapida crescita del settore microfluidico.

 

Qui sopra vediamo un tipico esperimento di dosaggio immunologico accelerato con ITP visualizzato con microscopia di fluorescenza. L’ITP focalizza le proteine (in verde) e le trasporta sulla superficie con gli anticorpi, dove la reazione avviene in pochi secondi.

In uno dei nostri ultimi lavori, in collaborazione con il Technion – Israel Institute of Technology, abbiamo proposto un inedito utilizzo dell’ITP in un dispositivo microfluidico per concentrare le proteine di interesse, raggiungendo una concentrazione di circa 10'000 volte superiore alla concentrazione iniziale, e simultaneamente portarle in contatto con gli anticorpi presenti sulla superficie. In questo modo abbiamo accelerato la reazione tra proteine e anticorpi di più di 1,000 volte, completando il test in un minuto invece che in circa 22 ore (in assenza di ITP), e riuscendo a misurare concentrazioni dell’ordine di poche femtomoli (l’equivalente di un granello di zucchero in una piscina olimpionica!).

Test più sensibili permetterebbero di diagnosticare malattie a uno stadio più precoce, aprendo nuove strade per lo screening e il monitoraggio di malattie tumorali, e costituendo così uno strumento essenziale per nuove scoperte scientifiche. La direzione intrapresa è quella giusta, la strada è ancora lunga ma noi ce la stiamo mettendo tutta.

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