Profumi e senso

Ci sono milioni di mondi sensoriali che gli esseri umani non possono percepire. Capire cosa significhi essere una cosa selvaggia va oltre la limitata risoluzione dei sensi umani. Ad esempio, gli insetti vivono in un mondo di odori, decodificando le sottili sfumature chimiche del profumo che si diffondono attraverso le loro antenne. Nel caso delle locuste – la forma migratoria e sciamante di alcune cavallette asociali – il loro senso dell’olfatto è intimamente legato alla loro trasformazione fisica e comunitaria. Alcune condizioni ambientali spingono le locuste a fare la muta e a secernere feromoni che attirano altre locuste.1,2 Dopo aver perso il loro vecchio corpo e la loro esistenza solitaria, miliardi di locuste si aggregano in sciami devastanti che eclissano il sole e affliggono gli esseri umani. Questo drammatico rinnovamento del corpo e dello stile di vita dipende dalla loro squisita capacità di rilevare e differenziare gli odori sottili.3

Recentemente, Debajit Saha, un assistente professore di ingegneria biomedica presso la Michigan State University, e il suo team hanno attinto ai circuiti di rilevamento degli odori del cervello delle locuste per rilevare le tracce olfattive dei tumori orali umani. Saha in precedenza utilizzava le locuste per fiutare le bombe,4 rendendo interessante il passaggio alla rilevazione del cancro. “Il cancro cambia il metabolismo [cellulare] e questi cambiamenti si riflettono nel respiro esalato”, ha detto Saha. Conosciuti come composti organici volatili (COV), queste firme chimiche uniche sono promettenti biomarcatori di malattie, se gli scienziati riescono a rilevarli. Altri ricercatori stanno progettando sensori artificiali, noti anche come nasi elettronici, per identificare il cancro, ma la loro sensibilità, specificità e velocità sono ancora limitate rispetto alle creature che popolano il panorama sensoriale dell’olfatto. Il team di Saha sta tornando alla biologia per sfruttare i biosensori più potenti della natura. “Piuttosto che retroingegnerizzare un cervello biologico, stiamo ingegnerizzando in avanti i loro calcoli”, ha detto Saha.

Il team di Saha ha esaminato se potevano intercettare i circuiti di elaborazione degli odori nel cervello della locusta per rilevare e discriminare tra le cellule tumorali orali umane che crescono in una fiaschetta e ha riportato i risultati in Biosensori e bioelettronica.5 Hanno eseguito un intervento chirurgico al cervello su una locusta e hanno inserito elettrodi in le regioni del cervello che elaborano l'olfatto. Il team di Saha ha poi raccolto campioni di gas dalle colture cellulari di tre diversi tipi di cellule tumorali orali umane e di cellule orali umane sane. Hanno diffuso i campioni di gas, ciascuno dei quali conteneva una miscela distinta di COV provenienti dalle cellule corrispondenti, sopra le antenne della locusta e hanno registrato l'attività elettrica del cervello. Dopo aver messo insieme i risultati di più locuste, il team di Saha ha scoperto che i loro cervelli producevano uno schema elettrico distinto per ciascuno dei diversi tipi di cellule. Le locuste non solo distinguevano il cancro dalle cellule sane, ma discriminavano anche tra le sottili impronte digitali olfattive dei diversi tumori orali.

"Si tratta di un lavoro importante che arricchisce il nostro campo e che un giorno potrebbe portare a dispositivi reali per effettuare diagnosi sanitarie", ha affermato Bruce Kimball, un ecologista chimico presso il Monell Chemical Senses Center in Pennsylvania, che non è stato coinvolto in questo studio. Secondo Kimball, qualsiasi combinazione di un rilevatore (neuroni sensoriali, sensori artificiali o altri strumenti analitici) con un algoritmo di analisi dei modelli (cervello biologico, chip che imita il cervello o apprendimento automatico) potrebbe alla fine aiutare i ricercatori a tagliare il traguardo. Con una messa a punto sufficiente, qualsiasi sistema di questo tipo “probabilmente avrà successo nel discriminare gli odori associati alla maggior parte delle condizioni di salute”.

Saha ha spiegato che la potenza computazionale dei biosensori delle locuste supera quella degli attuali sensori artificiali. Utilizzando un numero limitato di recettori degli odori, le locuste hanno una capacità quasi illimitata di codificare diverse sostanze chimiche. "Non devono identificare i singoli componenti, possono semplicemente prendere l'intera miscela e creare un'impronta digitale [un odore]", ha detto Saha. Il suo team prevede di testare campioni di respiro di pazienti affetti da cancro umano, che hanno firme olfattive molto più complesse rispetto alle cellule in coltura. “Questa sarà la grande prova.”