ESCHILO: Early Stage Cancer diagnosis via HIghly sensitive Lab- On-chip multitarget systems
Responsabile:
Contributo Regione Lombardia
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Data inizio: 01/10/2013
Durata: 36 mesi
Sommario
Obiettivo del progetto:
Il progetto mira a fornire il sistema sanitario con un prodotto tecnologico innovativo, a basso costo ma molto sensibile per la diagnosi precoce dei tumori. Partendo da una piccola goccia di sangue o di urina e utilizzando tecniche proprietarie sviluppate dai partner nel campo della spintronica, della fotonica in silicio e dell’elettronica integrata ad altissima sensibilità, il progetto mira a realizzare una piattaforma miniaturizzata (lab-on-chip) in grado di identificare le mutazioni geniche che danno origine a tumori.
La piattaforma conterrà tutte le funzionalità tradizionalmente presenti in un laboratorio di analisi biomediche, dalla cattura ed estrazione del DNA dal campione biologico alla rilevazione delle mutazioni genetiche significative e loro classificazione. Questo trasferimento della tecnologia diagnostica dalla scala del laboratorio biologico a quello del paziente ha un triplice vantaggio: (i) di fornire una rapida risposta alla diagnosi, (ii) migliorare la gestione del rischio, evitando il trasferimento dei campioni al laboratorio ed i relativi errori ed infine (iii) di ridurre i costi di analisi.
L'identificazione delle sequenze di interesse sarà ottenuta mediante idonee sonde biologiche altamente selettive innestate sulla superficie del sensore, in un'architettura matrice che consenta l'analisi su un ampio spettro di geni con un unico protocollo di misurazione. La sensibilità prevista del sistema, di circa un FM come già dimostrato in esperimenti di laboratorio, metterà lo strumento in una categoria di eccellenza perfettamente adatto per l'applicazione.
Contesto di riferimento:
Lo scenario di riferimento in cui è collocato il progetto è quello della diagnostica molecolare in medicina. Essa si occupa della ricerca di mutazioni nei geni che causano una malattia specifica (malattie monogeniche) o che predispongono a malattie specifiche. Un esempio è quello del cancro al seno: le donne italiane hanno una media di 12 su 100 probabilità di sviluppare la malattia nell’arco di una vita, ma il rischio sale al 80% in coloro che sono portatori di un'anomalia a carico dei geni BRCA 1 o BRCA 2 . Pertanto, l'esecuzione di una "diagnosi genetica" in grado di identificare la predisposizione ereditaria è configurata come la prima di una serie di interventi in grado di prevenire o ridurre il rischio di ammalarsi.
Stato dell’arte:
Attualmente lo studio molecolare di malattie genetiche richiede come primo passo una PCR (Polymerase Chain Reaction), cioè una reazione enzimatica che permette l'amplificazione in vitro di una regione specifica del DNA (quella che, se cambiata, potrebbe causare la malattia), fino a ottenere milioni di copie. Anche se questa è una tecnica semplice, non è esente da artefatti e richiede comunque un tempo considerevole. Nel caso di malattie causate da alterazione genica, la fase successiva è rappresentata dal sequenziamento automatico del frammento amplificato in PCR. La ricerca di mutazioni viene eseguita confrontando la sequenza ottenuta con una sequenza di riferimento (Re-sequencing). Questa tecnica rappresenta il miglior approccio esistente per la ricerca di mutazioni e polimorfismi a singolo nucleotide ed è ben sviluppata nei laboratori di IFOM. Fornendo i risultati in 48 ore, questa analisi viene adottata per i test diagnostici che IFOM attualmente fornisce al sistema sanitario italiano.
Originalità del progetto:
Il progetto Eschilo mira a sviluppare un nuovo metodo per l'identificazione di mutazioni geniche, basata sull'integrazione di due moduli lab-on-chip:
(i) un primo modulo per la cattura e l'estrazione del DNA dal campione biologico (sangue o urina di soggetti potenzialmente portatori di mutazioni) basato sulla "cattura immunoaffine" con nanoparticelle magnetiche opportunamente funzionalizzate;
(ii) un microchip con biosensori altamente sensibili (fino a fM) per evitare l'amplificazione mediante PCR chimica, basato sulla misura della variazione di resistenza di magnetoresistori in funzione della variazione di campo magnetico locale indotto dalla presenza delle nanoparticelle magnetiche.
In particolare, se il complesso rivelatore avrà 216 punti sensibili, il sistema sarà in grado di rivelare in un solo colpo tutte 12 le mutazioni geniche importanti in oncologia in un tempo ridotto (circa 24 ore) con un dispositivo a basso costo di 20 €.
Il progetto mira a fornire il sistema sanitario con un prodotto tecnologico innovativo, a basso costo ma molto sensibile per la diagnosi precoce dei tumori. Partendo da una piccola goccia di sangue o di urina e utilizzando tecniche proprietarie sviluppate dai partner nel campo della spintronica, della fotonica in silicio e dell’elettronica integrata ad altissima sensibilità, il progetto mira a realizzare una piattaforma miniaturizzata (lab-on-chip) in grado di identificare le mutazioni geniche che danno origine a tumori.
La piattaforma conterrà tutte le funzionalità tradizionalmente presenti in un laboratorio di analisi biomediche, dalla cattura ed estrazione del DNA dal campione biologico alla rilevazione delle mutazioni genetiche significative e loro classificazione. Questo trasferimento della tecnologia diagnostica dalla scala del laboratorio biologico a quello del paziente ha un triplice vantaggio: (i) di fornire una rapida risposta alla diagnosi, (ii) migliorare la gestione del rischio, evitando il trasferimento dei campioni al laboratorio ed i relativi errori ed infine (iii) di ridurre i costi di analisi.
L'identificazione delle sequenze di interesse sarà ottenuta mediante idonee sonde biologiche altamente selettive innestate sulla superficie del sensore, in un'architettura matrice che consenta l'analisi su un ampio spettro di geni con un unico protocollo di misurazione. La sensibilità prevista del sistema, di circa un FM come già dimostrato in esperimenti di laboratorio, metterà lo strumento in una categoria di eccellenza perfettamente adatto per l'applicazione.
Contesto di riferimento:
Lo scenario di riferimento in cui è collocato il progetto è quello della diagnostica molecolare in medicina. Essa si occupa della ricerca di mutazioni nei geni che causano una malattia specifica (malattie monogeniche) o che predispongono a malattie specifiche. Un esempio è quello del cancro al seno: le donne italiane hanno una media di 12 su 100 probabilità di sviluppare la malattia nell’arco di una vita, ma il rischio sale al 80% in coloro che sono portatori di un'anomalia a carico dei geni BRCA 1 o BRCA 2 . Pertanto, l'esecuzione di una "diagnosi genetica" in grado di identificare la predisposizione ereditaria è configurata come la prima di una serie di interventi in grado di prevenire o ridurre il rischio di ammalarsi.
Stato dell’arte:
Attualmente lo studio molecolare di malattie genetiche richiede come primo passo una PCR (Polymerase Chain Reaction), cioè una reazione enzimatica che permette l'amplificazione in vitro di una regione specifica del DNA (quella che, se cambiata, potrebbe causare la malattia), fino a ottenere milioni di copie. Anche se questa è una tecnica semplice, non è esente da artefatti e richiede comunque un tempo considerevole. Nel caso di malattie causate da alterazione genica, la fase successiva è rappresentata dal sequenziamento automatico del frammento amplificato in PCR. La ricerca di mutazioni viene eseguita confrontando la sequenza ottenuta con una sequenza di riferimento (Re-sequencing). Questa tecnica rappresenta il miglior approccio esistente per la ricerca di mutazioni e polimorfismi a singolo nucleotide ed è ben sviluppata nei laboratori di IFOM. Fornendo i risultati in 48 ore, questa analisi viene adottata per i test diagnostici che IFOM attualmente fornisce al sistema sanitario italiano.
Originalità del progetto:
Il progetto Eschilo mira a sviluppare un nuovo metodo per l'identificazione di mutazioni geniche, basata sull'integrazione di due moduli lab-on-chip:
(i) un primo modulo per la cattura e l'estrazione del DNA dal campione biologico (sangue o urina di soggetti potenzialmente portatori di mutazioni) basato sulla "cattura immunoaffine" con nanoparticelle magnetiche opportunamente funzionalizzate;
(ii) un microchip con biosensori altamente sensibili (fino a fM) per evitare l'amplificazione mediante PCR chimica, basato sulla misura della variazione di resistenza di magnetoresistori in funzione della variazione di campo magnetico locale indotto dalla presenza delle nanoparticelle magnetiche.
In particolare, se il complesso rivelatore avrà 216 punti sensibili, il sistema sarà in grado di rivelare in un solo colpo tutte 12 le mutazioni geniche importanti in oncologia in un tempo ridotto (circa 24 ore) con un dispositivo a basso costo di 20 €.
Risultati del progetto ed eventuali pubblicazioni scientifiche/brevetti
Pubblicazioni:
- G. Gervasoni, M. Carminati, G. Ferrari, M. Sampietro, E. Albisetti, D. Petti, P. Sharma, R. Bertacco, "A 12-channel dual-lock-in platform for magneto-resistive DNA detection with ppm resolution", 2014 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), 22-24 October 2014, Lausanne, p. 316-319, DOI: 10.1109/BioCAS.2014.6981726.
- A. Laurent, M. Calabrese, H-J. Warnatz, M-L. Yaspo, V. Tkachuk, M. Torres, F. Blasi and D. Penkov, “ChIPSeq and RNA-Seq Analyses Identify Components of the Wnt and Fgf Signaling Pathways as Prep1 Target Genes in Mouse Embryonic Stem Cells” (2015). PLoS ONE 10(4): e0122518. doi:10.1371/journal.pone.0122518.
- M. Monticelli, D. Petti, E. Albisetti, M. Cantoni, E. Guerriero, R. Sordan, M.Carminati, G. Ferrari, M. Sampietro, R. Bertacco, “Closed loop microfluidic platform based on domain wall magnetic conduits: a novel tool for biology and medicine”, MRS Online Proceedings Library, Volume 1686, 2014, mrss14-1686-v02-06 doi: 10.1557/opl.2014.925, Published online by Cambridge University Press 21 Nov. 2014.
