Scoperta la mappatura 3D della temperatura nei tessuti biologici con luce e intelligenza artificiale: nuova frontiera per la diagnostica biomedica.
Mappatura 3D della temperatura nei tessuti biologici
Una nuova tecnologia pubblicata su Nature Communications da un gruppo di ricerca dell’Università Ca’ Foscari Venezia e dell’Universidad Autónoma de Madrid potrebbe rivoluzionare la diagnostica biomedica con una soluzione di imaging più sicura, portatile ed economica.
Diagnosi precoce e cure più economiche
Un gruppo di ricercatori e ricercatrici dell’Università Ca’ Foscari Venezia e dell’Universidad Autónoma de Madrid ha sviluppato una tecnica innovativa che consente di mappare tridimensionalmente la temperatura all’interno di tessuti biologici, utilizzando luce invisibile ed intelligenza artificiale.
L’approccio, descritto in un articolo appena uscito sulla rivista Nature Communications, potrebbe rivoluzionare il modo in cui misuriamo la temperatura sottocutanea nel corpo umano, garantendo diagnosi precoce di alcune malattie ed il monitoraggio dell’avanzamento delle cure senza ricorrere a tecnologie di imaging costose o invasive.
«Stiamo trasformando le distorsioni ottiche, solitamente considerate un problema in tecniche di indagine basate su luce, in una fonte di informazione», spiega Riccardo Marin, professore associato a Ca’ Foscari e tra i principali autori dello studio. «Con questo metodo, possiamo rilevare sia la temperatura di un tessuto sia quanto in profondità esso si trovi sotto la superficie della pelle».
Mappatura 3D temperatura nei tessuti: esperimenti e risultati
Il metodo si basa su nanotermometri luminescenti, particelle di dimensione incredibilmente ridotta di solfuro d’argento (Ag₂S) che, stimolate otticamente, emettono una luce nel vicino infrarosso. Il colore e l’intensità dell’emissione dipendono sia dalla temperatura della particella, che dallo spessore di tessuto biologico che la luce deve attraversare.
Per decodificare le variazioni spettrali simultaneamente indotte da temperatura e spessore del tessuto, il gruppo di lavoro ha addestrato una rete neurale usando centinaia di immagini iperspettrali raccolte in condizioni diverse. Il risultato è un modello in grado di ricostruire accurate mappe termiche tridimensionali dei tessuti, anche in scenari biologicamente complessi.
Esperimenti dimostrativi hanno confermato la capacità del sistema di rilevare gradienti di temperatura sia in tessuti artificiali che in campioni biologici reali. La ricerca ha inoltre permesso di mappare i vasi sanguigni di un animale vivente: per la prima volta un’immagine termica 3D ad alta risoluzione è stata realizzata da remoto utilizzando esclusivamente la luce.
Un nuovo metodo più economico e sicuro
Le tecniche convenzionali come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) o la tomografia di emissione di positroni (PET) richiedono apparecchiature costose e personale specializzato. Questo nuovo metodo ottico è invece portatile, più sicuro e notevolmente meno costoso, aprendo quindi la strada a diagnosi eseguite anche al di fuori dell’ambiente ospedaliero.
Modificando opportunamente le proprietà ottiche delle nanoparticelle, oltre ad essere impiegati nel rilevamento della temperatura gli stessi principi potrebbero essere adattati per misurare altri parametri vitali, come la concentrazione di ossigeno e il pH.
«Crediamo che questo sia solo l’inizio», aggiunge Erving Ximendes, ricercatore e possessore di una borsa Ramón y Cajal presso l’Universidad Autónoma de Madrid. «Gli algoritmi di machine learning sono uno strumento straordinario per orientarci nella complessità dei sistemi biologici reali andando ben oltre i possibili traguardi dei modelli tradizionali».
La ricerca sottolinea anche il valore della collaborazione internazionale e della mobilità dei talenti. Il progetto è stato avviato durante il periodo trascorso da Marin all’Universidad Autónoma de Madrid e ha coinvolto Anna Romelli, studentessa cafoscarina in mobilità Erasmus. Lo studio coincide ora con il ritorno di Marin a Ca’ Foscari, sua alma mater, e fa parte di un più vasto impegno portato avanti dall’Ateneo per attrarre ricercatori e ricercatrici eccellenti e rafforzare le proprie reti di ricerca a livello globale.
Uno sguardo al futuro: la ricerca ERC sulla vita cellulare
Questa pubblicazione pone le basi per un nuovo progetto quinquennale guidato da Marin, il quale ha recentemente ottenuto un finanziamento ERC Starting Grant di 1,5 milioni di euro per sviluppare tecnologie avanzate di nanosensori luminescenti. Il progetto, denominato MAtCHLESS, mira a sviluppare sensori e sistemi di imaging di nuova generazione per monitorare parametri intracellulari chiave, come temperatura, pH e ossigeno, con una velocità e una risoluzione senza precedenti.
Il progetto, condotto a Ca’ Foscari in stretta collaborazione con Madrid, indagherà il funzionamento di cellule di mammiferi e di microrganismi estremofili capaci di sopravvivere in condizioni estreme, puntando ad ottenere risultati significativi per la diagnostica medica, la biotecnologia e persino l’astrobiologia: una via verso una maggiore comprensione della vita in condizioni estreme, sulla Terra e forse anche oltre.
L’articolo:
Luminescence-enabled three-dimensional temperature bioimaging
Liyan Ming, Anna Romelli, José Lifante, Patrizia Canton, Ginés Lifante-Pedrola, Daniel Jaque, Erving Ximendes & Riccardo Marin
Nature Communications, volume 16
Link all’articolo: https://www.nature.com/articles/s41467-025-59681-7
(Fonte: Università Ca’ Foscari Venezia)
