La somministrazione mirata di farmaci potrebbe beneficiare di una nuova tecnica che coinvolge le onde sonore

Muovere gli oggetti senza toccarli

Modern science has discovered ways to move things without touching them. This was first done with so-called optical tweezers, which use light, and soon replicated with acoustic tweezers, which use sound.

Le pinzette acustiche sono di particolare interesse perché possono penetrare la maggior parte dei materiali. La loro ampia gamma di frequenze consente la manipolazione di oggetti di varie dimensioni, dalle singole cellule a oggetti complessi. Sono inoltre innocue per i tessuti biologici.

Per questo motivo, le pinzette acustiche potrebbero avere un’ampia gamma di applicazioni, dalla chirurgia alla somministrazione di farmaci. Il problema è che, fino ad ora, il controllo preciso durante l’uso era difficile in un ambiente complesso come quello di un organismo vivente.

Questo sta cambiando, grazie alle nuove scoperte pubblicate su Nature Physics da parte di ricercatori dell’EPFL (Svizzera) e dell’Università di Tecnologia di Vienna (Austria).

Spingere con onde sonore

Il team di ricerca ha utilizzato un nuovo metodo per creare pinzette acustiche chiamato “shaping del momento d’onda”. La tecnica è l’adattamento alle onde sonore di un metodo innovativo che utilizza la luce per organizzarle nonostante un ambiente “caotico”.

In pratica, prima “mappa” l’effetto di scattering degli ostacoli in una struttura matriciale (a destra sotto), consentendo di determinare come utilizzare le pinzette nonostante gli ostacoli lungo il percorso.

Questa matrice di scattering evolve in tempo reale man mano che l’oggetto si muove, e mantenerla aggiornata in tempo reale è stato uno dei principali risultati dei ricercatori, che hanno impiegato strumenti matematici complessi per farlo.

Fonte: Nature

Questo cambia il modo in cui funzionano le pinzette acustiche. Normalmente il metodo intrappola un oggetto in un punto. Qui, invece, le onde sonore lo spingono delicatamente, come una mazza da hockey che spinge un disco.

Il metodo funziona con oggetti sferici, ma anche con forme più complesse. Può anche controllare le rotazioni, aggiungendo maggiore flessibilità ai possibili movimenti. Può operare con praticamente qualsiasi materiale, senza che il bersaglio debba essere magnetico o particolarmente resistente.

Fonte: Nature

Possibili applicazioni

Medicina & Biotecnologia

La possibilità di un trattamento terapeutico diretto in tutto il corpo senza chirurgia è piuttosto interessante. Potrebbe essere particolarmente utile per la terapia oncologica, dove la somministrazione del farmaco direttamente nel tumore potrebbe aumentare notevolmente l’efficacia.

“Alcuni metodi di somministrazione di farmaci utilizzano già le onde sonore per rilasciare farmaci incapsulati, quindi questa tecnica è particolarmente attraente per spingere un farmaco direttamente verso le cellule tumorali”

Allo stesso modo, l’analisi biologica e il prelievo di campioni potrebbero essere eseguiti senza toccare direttamente i tessuti, riducendo il rischio di contaminazione o danni causati dalla procedura.

Infine, potrebbe essere utilizzata anche per l’ingegneria tissutale o addirittura per la biostampa 3D. Consentire la manipolazione senza dover tagliare potrebbe aiutare a creare progetti più complessi, avvicinandoci di un passo al sogno di produrre organi su richiesta.

Produzione

Muoversi a volontà in tutte le direzioni, le piccole particelle suonano esattamente ciò che la stampa 3D sta cercando di ottenere.

In tal senso, le pinzette acustiche potrebbero rappresentare un nuovo metodo da aggiungere alle tecniche di manifattura additiva esistenti, disponendo le particelle prima che vengano unite in un oggetto solido.

Potrebbe anche essere utilizzata per assemblare parti separate, anche quando la manipolazione diretta non sarebbe possibile.

Non è la prima?

We already cover a similar technology in our article “Gli emettitori di energia acustica potrebbero presto eliminare la necessità di incisioni durante la chirurgia”.

In quell’articolo, abbiamo spiegato come un altro tipo di pinzette ottiche potesse ottenere risultati simili. In quel caso, l’attenzione era più rivolta a eseguire interventi chirurgici senza alcun taglio e a muovere piccoli oggetti all’interno del corpo.

Tuttavia, si trattava di un tipo “classico” di pinzette ottiche, che bloccavano l’oggetto in un punto.

In entrambi i casi, le pinzette acustiche stanno facendo grandi progressi nelle loro scienze fondamentali, sia per la chirurgia con una visualizzazione in tempo reale tramite ecografia, sia con sistemi di spinta estremamente precisi e una matrice di scattering aggiornata per mantenere accurato il movimento previsto.

Dovremmo quindi passare alla fase in cui queste tecnologie saranno standardizzate e commercializzate, contribuendo a promuovere nuovi tipi di terapie innovative e a migliorare l’efficienza di quelle esistenti.

Aziende di manipolazione 3D

Mentre uno dei sistemi di chirurgia robotica più avanzati è venduto da Intuitive Surgical (ISRG), l’azienda ha meno esperienza in ultrasuoni o endoscopia rispetto ad alcuni dei suoi concorrenti. Pertanto, è probabile che la prima applicazione medica reale delle pinzette acustiche provenga da aziende di dispositivi medici già esperte nell’integrazione di numerosi sistemi di dispositivi medici, come robot o strumenti chirurgici.

In alternativa, i progressi nelle pinzette acustiche potrebbero trarre grande beneficio dalla stampa 3D e dalla biostampa, quindi un’azienda leader in questo settore potrebbe trarne vantaggio.

1. Medtronic plc

Medtronic è un leader nei dispositivi medici, soprattutto in chirurgia e terapia intensiva. Sebbene gli altri segmenti possano anche essere considerati affini, il segmento chirurgico medico di Medtronic rappresenta $2.1B di revenues, out of a total of $7.7B.

Fonte: Medtronic

L’azienda è cresciuta grazie alla crescita organica, grazie a una grande percentuale del budget R&D ($2.7B in 2022) e alle acquisizioni (9 in 2022 e $3.3 worth of further acquisitions considered for 2023).

Medtronic sees a massive opportunity for simpler, low-cost robotic surgery:

“only 2% of surgeries around the world are held with the assistance of robots. There’s 98% out there that needs to be done via robotically-assisted surgery but not today because of the cost and utilization burdens”

It is with that strategy in mind that Medtronic has developed the Hugo system.

Fonte: Medtronic

Vende anche il dispositivo di chirurgia robotica spinale Mazor X Stealth, grazie alla sua $1.7 billion acquisition of Mazor Robotics in dicembre 2018.

Nel complesso, l’ottima reputazione di Medtronic e la sua presenza in praticamente ogni ospedale per almeno alcuni apparecchi le conferiscono un buon punto di ingresso per conquistare una solida parte del nascente mercato della chirurgia robotica, sia tramite sviluppo interno sia tramite acquisizioni.

Vende già anche sistemi di ecografia endoscopica, e la sua presenza in cardiologia potrebbe aiutare ad applicare la tecnologia delle pinzette acustiche alle terapie e alle chirurgie cardiovascolari.

2. Cyfuse Biomedical K.K.

L’azienda giapponese è stata fondata nel 2010 e ha iniziato a vendere stampanti 3D ai ricercatori nel 2013.

Il suo focus è produrre tessuti e organi senza alcun supporto artificiale, solo con le cellule stesse, tramite la sua piattaforma S‑Spike. Questo è un obiettivo ambizioso, ma anche la forma finale della biostampa 3D che probabilmente sarà adottata nel tempo.

L’assenza di supporti potrebbe rivelarsi cruciale per produrre organi “premium” il più possibile simili a quelli nativi. La tecnologia può stampare in 3D solo pezzi di organi di 2‑3cm alla volta.

Fonte: Cyfuse Biomedical

Mira 4 segmenti: articolazioni, fegato, nervi e vasi sanguigni. Potrebbe anche essere utilizzata per creare organi “di addestramento” per i chirurghi, aiutandoli a imparare senza rischiare la vita di un paziente.

Fonte: Cyfuse Biomedical

Cyfuse, per ora, non è redditizia (dopo un breve periodo di profitto nel 2021) ma registra già qualche milione di dollari di fatturato.

Questa azienda è rivolta a investitori pazienti, contando su questa tecnologia per diventare più diffusa e migliorare al punto da poter costruire organi completi in un unico blocco.

In tal senso, le pinzette acustiche avanzate potrebbero mancare di passaggi per assemblare organi più complessi e di grandi dimensioni.