Numerose patologie vengono attualmente diagnosticate attraverso indagini cliniche che evidenziano alterazioni morfologiche del tessuto in esame. Quando le alterazioni anatomiche sono visibili mediante le comuni tecniche radiografiche, spesso la malattia è già in uno stadio molto avanzato di sviluppo e quindi più difficilmente curabile. Tuttavia, i cambiamenti morfologici sono preceduti da modificazioni a livello genetico, cellulare e molecolare. La disponibilità di esami diagnostici capaci di identificare anomalie a tale livello permetterebbe di diagnosticare l’insorgenza di una certa patologia ad uno stadio di sviluppo più facilmente curabile. Inoltre, è noto che lesioni morfologicamente simili possono progredire in modo diverso. Ad esempio, l’esito di un esame diagnostico in pazienti con lesioni multiple cerebrali sofferenti di toxoplasmosi o linfoma potrebbe non consentire di distinguere le due patologie. La necessità di protocolli diagnostici più raffinati, che rendano possibili interventi terapeutici più efficaci, ha portato allo sviluppo di un nuovo settore di ricerca noto come ‘Imaging Molecolare’.

Questo ambito di ricerca trae vantaggio dai grandi progressi che si sono realizzati recentemente nella biologia molecolare/cellulare e nello sviluppo tecnologico delle tecniche di immagine. L’imaging molecolare costituisce un paradigma di ricerca interdisciplinare poichè richiede una perfetta e bilanciata amalgama tra diversi settori scientifici quali la chimica, la fisica, l’ingegneria, la biologia e la medicina.

Il raggiungimento degli ambiziosi obiettivi che si prefigge l’imaging molecolare  richiede lo sviluppo di molecole capaci di interagire con le componenti cellulari e sub-cellulari endogene e di generare un segnale (rilevabile mediante una tecnica di immagine) che sia sensibile in modo specifico alle alterazioni provocate dall’insorgenza della malattia.

L’imaging molecolare intende dare risposta alla necessità di osservare e quantificare processi dinamici di notevole importanza diagnostica, direttamente nell’organismo vivente e in modo poco invasivo; tali processi includono l’attività metabolica, la proliferazione cellulare, l’apoptosi, l’occupazione di recettori cellulari, e l’espressione genica.

A tale scopo occorre progettare e realizzare una sonda chimica capace di fornire un responso nell’immagine che sia dipendente dal processo biologico di interesse. Il tipo di sonda determina anche la scelta della modalità di immagine da utilizzare. A questo proposito, le due principali tecniche di imaging molecolare sono: i) la risonanza magnetica per immagini, o tomografia NMR o MRI (Magnetic Resonance Imaging), che utilizza un campo magnetico esterno e fa uso di impulsi di radiofrequenza a bassa energia, del tutto simili a quelli impiegati per le trasmissioni radio, per generare il segnale; ii) le tecniche che utilizzano radiotraccianti capaci di emettere spontaneamente positroni (PET, Positron Emission Tomography) o fotoni (SPECT, Single Photon Emission Computed Tomography).

Le due tecniche possono anche essere combinate in un unico strumento (PET-MRI da poco entrato in commercio) capace di esaltarne la complementarietà: l’elevatissima sensibilità della PET (che permette di visualizzare anche una singola molecola all’interno dell’organismo) si sposa con l’incredibile risoluzione spaziale dell’MRI (che può differenziare dettagli distanti poche decine di micron, ovvero milionesimi di metro).

Infatti l’immagine MRI consente di determinare con accuratezza l’origine del segnale che proviene dalla sonda PET, il quale è generalmente difficile da localizzare, data la scarsa risoluzione spaziale della tecnica e la mancanza di segnale provienente dai tessuti.

A sinistra, un’immagine MRI di un cervello di un paziente sofferente per un tumore cerebrale ottenuta senza la somministrazione di nessuna sonda. Al centro, un’immagine PET ottenuta dopo somministrazione di un tracciante capace di riconoscere ed accumularsi nella lesione (11C-L-metionina). A destra la sovrapposizione delle due immagini registrate simultaneamente consente di localizzare le regioni in cui il tracciante si è accumulato. Tratto da: A.W. Sauter, H.F. Wehr, A.Kolb, M.S. Judenhofer, B.J. Pichler, “Combined PET/MRI: one step further in multimodality imaging”, Trends in Molecular Medicine (2010) Vol. 16, p. 508.

L’impatto sociale, sia in termini di lotta alle patologie più diffuse (cancro, malattie cardiovascolari e neurodegenerative) e sia in termini economici (riduzione delle spese sanitarie) dello sviluppo e della traslazione clinica delle procedure di imaging molecolare è enorme. Oltre alla possibilità di eseguire diagnosi precoci, l’ausilio di tecniche di immagine diventerà fondamentale anche in molti altri settori della clinica.

Un ulteriore esempio è rappresentato dall’utilizzo di sonde fluorescenti nella chirurgia oncologica dove il chirurgo può vedere in tempo reale, e direttamente con i propri occhi, il tessuto lesionato consentendogli in questo modo di asportarlo con accuratezza,  evitando di lasciare tracce di tessuto tumorale che potrebbe pregiudicare l’esito a lungo termine dell’intervento.

Visualizzazione del linfonodo sentinella attraverso somministrazione di una sonda fluorescente. L’identificazione e l’asportazione del linfonodo sentinella è estremamente importante al fine di valutare la possibile metastatizzazione di un tumore primario. Tratto da: Crane, L. M., Themelis, G., Buddingh, K. T., Harlaar, N. J., Pleijhuis, R. G., Sarantopoulos, A., van der Zee, A. G., Ntziachristos, V., van Dam, G. M., “Multispectral Real-time Fluorescence Imaging for Intraoperative Detection of the Sentinel Lymph Node in Gynecologic Oncology”, Journal of Visualized Experiments, 44 (2010).

Indipendentemente dalla tecnica di imaging prescelta, un protocollo di imaging molecolare prevede la preparazione di una sonda chimica.  Essa è solitamente costituita da due parti: quella responsabile della generazione del segnale che viene rilevato esternamente (ad es. complessi metallici contenenti Gadolinio o Ferro per l’MRI, composti contenenti l’isotopo 18 del Fluoro per la PET, composti fluorescenti per l’imaging ottico) e quella responsabile del riconoscimento molecolare della struttura “anomala”, cioè la specifica componente che differenzia il tessuto malato da quello sano.

Siamo testimoni in questi anni dell’inizio di una grande trasformazione della pratica diagnostica nella quale i concetti tradizionali di forma e struttura si intrecciano con la visione molecolare della funzione biologica esaminata a livello cellulare...e ci piace sottolineare che la chimica ha ancora una volta un ruolo centrale in questa trasformazione!