Misurare con precisione assoluta l’elasticità di strutture sub-cellulari come i tessuti ossei, così da permettere uno studio ancora più approfondito di patologie gravi come l’osteoporosi: ecco cosa è in grado di fare il particolare filtro ottico sviluppato dai ricercatori del Centro Nazionale delle Ricerche, il Politecnico di Milano e Humanitas con la startup Specto Photonics.
Un filtro ottico innovativo per studiare le malattie ossee
Fulcro di quest’ultima ricerca scientifica, condotta dai ricercatori del Politecnico di Milano, del Consiglio nazionale delle ricerche con l’Istituto di fotonica e nanotecnologie (Cnr-Ifn) e l’Istituto di ricerca genetica e biomedica di Milano (Cnr-Irgb), della startup Specto Photonics e di Humanitas, è un nuovo filtro ottico birifrangente che, grazie alle sue particolari caratteristiche, è in grado di misurare l’elasticità di tessuti come quelli ossei.
Il dispositivo in questione viene applicato alla spettroscopia Brillouin, un’avanzata tecnica ottica che consente di misurare, su scala microscopica e senza contatto fisico, le proprietà meccaniche della materia organica e inorganica.
Si tratta a tutti gli effetti di una tecnica non invasiva che ha già molteplici utilizzi in ambito biomedico, permettendo ad esempio di misurare in vivo e in 3D l’elasticità delle strutture sub-cellulari. Si tratta di un’importante informazione per studiare patologie come l’osteopetrosi.
La soluzione BIPD al problema della spettroscopia Brillouin
Nonostante la sua importanza, ad oggi l’impiego della spettroscopia Brillouin è ancora limitato. Il motivo? La Brillouin si basa sulla rivelazione di un segnale ottico debolissimo, che purtroppo è sovrastato da disturbi ottici circa 1 miliardo di volte più forti che dunque ne ostacolano la rivelazione. Tali disturbi sono inevitabilmente dovuti alla luce utilizzata per eccitare del campione, e sono ancora più forti quando il materiale è torbido.
Per superare questo ostacolo, il team ha ideato e messo a punto un filtro ottico innovativo, denominato Birefringence-Induced Phase Delay (BIPD), che, come spiega Cristian Manzoni, ricercatore del Cnr-Ifn tra gli autori del lavoro:
“[…] è in grado di sopprimere con un livello di attenuazione senza precedenti i forti disturbi dovuti alla luce di eccitazione. Grazie al filtro, è stato possibile finalmente acquisire immagini ad alta risoluzione delle proprietà elastiche di vari campioni dove i disturbi ottici sono solitamente dominanti, come ad esempio i tessuti ossei”.
Un primo test è stato effettuato su un modello sperimentale affetto da osteopetrosi, una rara malattia genetica caratterizzata da una densità ossea maggiore rispetto alla norma. Qui, il filtro BIPD ha permesso di osservare finalmente le significative alterazioni delle proprietà meccaniche presenti nel tessuto osseo su scala micrometrica.
Conclude Giulio Cerullo, professore del Politecnico di Milano e tra gli autori del lavoro:
“Si è trattato di un importante passo avanti verso l’uso sempre più diffuso della spettroscopia Brillouin in applicazioni cliniche e diagnostiche”.
Ora l’obiettivo, come precisa Giuseppe Antonacci della Specto Photonics, è quello di:
“[…] poter fornire uno strumento che permette di misurare proprietà meccaniche in tessuti opachi, fino ad oggi inaccessibili con le tecniche convenzionali”.
Per saperne di più su questo studio, vi consigliamo la lettura integrale del paper pubblicato su Nature Communications.
Antonacci, G., Vanna, R., Ventura, M. et al., Birefringence-induced phase delay enables Brillouin mechanical imaging in turbid media, Nature Communications, (2024), DOI: s41467-024-49419-2.
