Naso elettronico per la diagnosi dei tumori urologici

L'e-Nose identifica impronte molecolari specifiche

Uno studio, pubblicato sulle riviste Cancers e Biosensor Basel da Manuela Costantini dell'Istituto Nazionale Tumori Regina Elena di Roma, ha verificato l'efficacia del naso elettronico (e-Nose) nella diagnosi dei tumori urinari.
I risultati dello studio riportano l'analisi mediante naso elettronico dei composti organici volatili dell'urina, denominati volatiloma, di pazienti affetti da carcinoma renale e prostatico, dimostrando che il naso elettronico è capace di identificare “impronte molecolari olfattive” specifiche per tipologia di tumore urologico. L'E-nose utilizzato nello studio, ha un piccolo chip di 32 sensori elettrochimici costituiti da polimeri organici. Non appena i sensori sono esposti al campione di urina, i polimeri interni si gonfiano, inducendo un cambiamento nella loro resistenza elettrica. L'insieme delle variazioni di ciascuno dei sensori produce una distribuzione di segnali (urine-stamp), che può essere identificata attraverso algoritmi di riconoscimento, come specifica impronta olfattiva. La metodica rappresenta un promettente test per la diagnosi precoce delle neoplasie urologiche: rapido, non invasivo, ripetibile, economico e dotato di elevata specificità e sensibilità.
I tumori urologici sono frequenti e aggressivi. Il cancro al rene è il 9� tumore più comunemente diagnosticato nella popolazione di tutto il mondo. Il cancro alla prostata è tra i tumori più diffusi nel mondo, rappresentando il 3� tumore più diagnosticato nella popolazione maschile: le stime, parlano di più di 40 mila nuovi casi l'anno in Italia, circa un uomo su 8 ha probabilità di ammalarsi nel corso della vita. Fortunatamente una diagnosi precoce e un tempestivo intervento medico sono in grado di ridurre la mortalità di queste neoplasie.
“Per lo studio abbiamo arruolato circa 500 nostri pazienti affetti da tumore alla prostata e al rene - spiega Manuela Costantini - sottoposti ad intervento chirurgico da dicembre 2019 a dicembre 2022. Il gruppo di controllo era costituito da 200 soggetti sani. I risultati si sono rivelati promettenti. Infatti, per il tumore renale il livello di sensibilità del test, e cioè la capacità di individuare i veri positivi, è risultata del 71,8%, mentre il livello di specificità, e cioè la capacità di individuare i veri negativi, è stata dell'89,4%; per il tumore della prostata la sensibilità del test ha raggiunto l'82,7% e la specificità l'88,5%”.
“L'e-Nose ha un enorme potenziale - sottolinea Giuseppe Simone, Direttore dell'Urologia IRE -. Nell'ottica della biopsia liquida, infatti, potrebbe essere usato non solo come strumento di screening per la diagnosi precoce, ma anche in campo prognostico per valutare l'efficacia del trattamento chirurgico o farmacologico, o nel predire eventuali recidive in corso di follow-up”.
Allo stesso obiettivo sta lavorando anche un team dell'Humanitas e del Politecnico di Milano che ha pubblicato i dettagli della ricerca sull'International Journal of Urology.
Diag-Nose è il nome del progetto da cui è nato un primo prototipo sperimentale. I risultati preliminari sono incoraggianti: l'esame identifica correttamente la presenza del tumore in pazienti malati nell'85,2% dei casi e risulta correttamente negativo nei pazienti sani nel 79,1% dei casi. Non solo. Il prototipo presenta ulteriori elementi significativi rispetto al tradizionale metodo della biopsia: oltre a essere un esame invasivo, la biopsia ha un tasso di falsi negativi piuttosto elevato nei tumori in fase precoce, dovuto al fatto che si preleva e analizza solo una piccola porzione dell'organo.
Lo studio è stato condotto da marzo 2020 a marzo 2021 in Humanitas Mater Domini, a Castellanza, e all'IRCCS Istituto Clinico Humanitas di Rozzano. Il progetto ha coinvolto 174 persone, divise in due gruppi: 88 pazienti con tumore alla prostata di diverso grado e stadio di progressione, confermato dall'esame istologico positivo, e 86 persone del gruppo definito di “controllo”, composto da soggetti femminili o da uomini di diversa età ma senza familiarità alla patologia e con visita ed esami (tra cui il PSA) negativi.
Per ogni persona è stato poi raccolto un campione di urina e analizzato presso i laboratori della prof.ssa Laura Capelli al Dipartimento di Chimica Materiali e Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano. Il naso elettronico ha dimostrato di identificare correttamente come positive le persone con tumore nell'85,2% dei casi. L'accuratezza - ovvero la capacità di fare una diagnosi corretta, sia essa di negatività o positività - è dell'82,1%. Se si considerano solo gli uomini di età superiore ai 45 anni, la fascia di età più interessata dalla malattia, ma anche la più difficile da diagnosticare correttamente, l'accuratezza si attesta all'81%.
«La biopsia alla prostata è oggi il gold standard per la diagnosi del cancro di questa ghiandola. Nonostante la maggior precisione che oggi l'esame ha raggiunto grazie all'utilizzo delle immagini di risonanza magnetica nel guidare il prelievo di tessuto, il tasso di rilevamento del tumore raggiunge al massimo il 48,5%. Una percentuale significativamente inferiore rispetto a quella del naso elettronico che, oltre ad un'accuratezza diagnostica maggiore, limiterebbe il disagio e le complicanze per il paziente», spiega il promotore dello studio, il dott. Gianluigi Taverna, responsabile Urologia di Humanitas Mater Domini e medico-ricercatore dell'IRCCS Istituto Clinico Humanitas.
Il naso elettronico è l'evoluzione di uno studio ben più grande: condotto dal 2012 da Humanitas con la collaborazione del Centro Militare Veterinario di Grosseto (Cemivet) e patrocinato dallo Stato Maggiore della Difesa. Questa ricerca ha rivelato come i cani, debitamente addestrati, siano in grado di riconoscere il tumore della prostata annusando l'urina delle persone malate.
«La scoperta - racconta il dott. Taverna - ha certificato che il tumore della prostata produce delle sostanze organiche volatili specifiche, chiamate tecnicamente VOCs (Volatile Organic Compounds), che il cane è in grado di riconoscere con grande accuratezza. Abbiamo deciso di partire da questa potenzialità per sviluppare un dispositivo diagnostico ad alta tecnologia, che potesse entrare a far parte dell'attività clinica quotidiana».
Il naso elettronico sviluppato nell'ambito del progetto Diag-Nose è dunque un prototipo nato dalla riproduzione dell'olfatto canino, realizzato grazie a una serie di sensori in grado di analizzare le sostanze volatili rilasciate nell'aria dai campioni di urina.
«Come per i cani, anche il naso elettronico ha attraversato una fase di training, condotta su circa 530 persone, che ha permesso agli ingegneri del Politecnico di Milano, alla Professoressa Laura Capelli e alla Dottoressa Carmen Bax, di affinare i parametri di analisi e di insegnare al device a distinguere se il campione di urina appartenesse a una persona sana o con tumore della prostata. Il successo di questo training è stato confermato dallo studio pubblicato sull'International Journal of Urology», precisa Fabio Grizzi, ricercatore presso i laboratori dell'IRCCS Istituto Clinico Humanitas, dove è anche responsabile del servizio di istologia.
«Il progetto Diag-Nose è un bellissimo esempio dei risultati che si possono ottenere con un team multidisciplinare e affiatato. Oltre ad avere vinto il primo premio “Disruptive Innovation” nella competizione S2P promossa da Politecnico, PoliHub e Deloitte nel 2019, oggi il progetto ha ricevuto un importante finanziamento POC da un fondo di Venture Capital per la validazione della macchina» commenta Laura Capelli, prof.ssa del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano.
«Perché il naso elettronico possa effettivamente entrare a far parte della pratica clinica quotidiana saranno però necessari ulteriori studi su larga scala, che ci permetteranno di confermare i risultati già ottenuti e approfondire il potenziale del prototipo. Il prossimo passo per rendere il naso elettronico una realtà, è dunque quello di validarlo coinvolgendo istituti clinici internazionali», concludono Gianluigi Taverna e Fabio Grizzi.