Come la tecnologia della luce sta modificando la medicina - Sajan Saini

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È un'immagine sempre più comune negli ospedali di tutto il mondo: un'infermiera ci misura altezza, peso, pressione sanguigna e attacca una clip di plastica luminosa al nostro dito. Improvvisamente, uno schermo digitale rileva il livello d'ossigeno nel nostro sangue. Come funziona? Sajan Saini ci mostra come la luce, applicata alla fotonica integrata, può portare allo sviluppo di nuove tecnologie in campo medico e di strumenti diagnostici meno invasivi.

Lezione di Sajan Saini, regia a cura di Artrake Studio.

È un'immagine sempre più frequente
negli ospedali di tutto il mondo:

un'infermiera ci misura altezza, peso,
pressione sanguigna

e collega una clip di plastica
luminosa al nostro dito.

Poi, su uno schermo digitale compare
il livello di ossigeno nel nostro sangue.

Come funziona?

Come può una pinza di plastica
esaminare il nostro sangue...

senza un campione?

Vi svelo il trucco:

i nostri corpi sono traslucidi,

cioè non bloccano, né riflettono,
completamente la luce.

In effetti, la luce riesce in parte
ad attraversare pelle,

muscoli e vasi sanguigni.

Non ci credete?

Appoggiate una torcia al vostro pollice.

Si è scoperto che la luce può aiutare
ad esplorare l'interno dei nostri corpi.

Pensate a quella clip medicale:

si chiama pulsossimetro.

Quando inspirate, i vostri polmoni
trasferiscono ossigeno nell'emoglobina:

il pulsossimetro misura il rapporto
tra emoglobina ossigenata e non ossigenata

grazie ad una minuscola luce LED rossa
che si trova su un lato della clip

e a un piccolo rilevatore di luce
che si trova sull'altro.

Quando la luce LED
illumina il vostro dito,

l'emoglobina nel sangue non ossigenata
assorbe la luce rossa

in misura superiore rispetto
a quella ossigenata.

La quantità di luce che attraversa il dito

dipende dunque dalla proporzione
tra questi due tipi di emoglobina.

Tuttavia, pazienti diversi hanno anche
vasi sanguigni di dimensioni differenti.

Per un paziente, una misurazione
della saturazione pari al 95%

corrisponde ad un sano livello d'ossigeno,

ma per un altro, con vene più piccole,

lo stesso risultato potrebbe
non corrispondere a livelli effettivi.

A questo si può ovviare
grazie a un secondo LED a infrarossi.

La luce ha un vasto spettro
di lunghezze d'onda:

gli infrarossi si trovano appena
al di sotto di quelle dei colori visibili.

L'efficienza di assorbimento
delle molecole, emoglobina inclusa,

varia col variare
della lunghezza d'onda della luce.

Per questo, confrontare l'assorbimento
della luce che va da rosso a infrarosso

fornisce un profilo chimico

che elimina le differenze dovute
alle dimensioni delle vene.

L'emergente industria dei sensori medicali
sta esplorando

metodi di profilazione chimica
sempre più precisi,

grazie a dispositivi che usano la luce
non più grandi di un decimo di millimetro.

Questa tecnologia microscopica,

chiamata fotonica integrata,

consiste di cavi in silicone
che canalizzano la luce,

come acqua in una tubatura,

per deviarla, rimodellarla e persino
intrappolarla temporaneamente.

Un cavo circolare in silicone,
detto risonatore ad anello,

cattura la luce migliorando
la profilazione chimica.

Quando viene avvicinato
ad un cavo in silicone,

l'anello cattura ed incamera
temporaneamente solo onde luminose

il cui periodo di lunghezza d'onda
rientra più volte

nella sua circonferenza.

È lo stesso principio di quando
si pizzicano le corde di una chitarra.

A seconda della loro lunghezza,
le corde hanno schemi vibratori diversi

che generano una nota fondamentale
e i relativi suoni armonici.

I risonatori ad anello sono stati pensati

per incanalare in modo efficiente
luci di lunghezze d'onda diverse -

un canale di dati digitali per ognuna -

nei sistemi di telecomunicazione
in fibra ottica.

Un giorno, però, questa tecnologia
potrebbe essere adattata

per creare minuscoli laboratori
di profilazione chimica

su chip grandi quanto una monetina.

Questi futuri "laboratori su chip"
potrebbero rilevare

in modo facile, veloce e non invasivo
tutta una serie di malattie

attraverso l'analisi di saliva o sudore,
nello studio del dottore

o nella comodità della nostra casa.

La saliva umana, in particolare,

rispecchia la composizione degli ormoni
e delle proteine dei nostri corpi

e può segnalare precocemente la presenza
di alcuni tipi di tumori

e malattie infettive o autoimmuni.

Per identificare una malattia
in modo preciso,

i laboratori su chip potrebbero
affidarsi a svariati metodi,

compresa la profilazione chimica,

per separare le tracce delle diverse
sostanze presenti nella saliva.

Varie biomolecole della saliva assorbono
la luce alla stessa lunghezza d'onda,

ma ciascuna mantiene
un profilo chimico specifico.

Quando la luce attraversa un campione
di saliva, gli anelli sistemati

su un laboratorio su chip

potrebbero incanalare ciascuno
una diversa lunghezza d'onda di luce

e trasferirla
ad un corrispondente rilevatore.

Assieme, questi rilevatori di luce
determineranno

il profilo chimico completo
del campione di saliva.

Da questa informazione,
un minuscolo computer su chip,

dotato di un database del profilo chimico
delle diverse molecole,

potrebbe determinarne
le rispettive concentrazioni,

facilitando così la diagnosi
di una specifica malattia.

Dalla telecomunicazione globale
ai laboratori su chip,

l'uomo ha imparato ad usare la luce
per trasportare e ricavare informazioni.

La capacità di far luce continua
a stupirci con nuove scoperte.