Scansioni SPECT più nitide e sicure grazie ai nuovi rilevatori a perovskite: meno radiazioni, diagnosi rapide e costi ridotti per tutti
Perovskite applicata alla medicina per vedere sotto la pelle.
I medici utilizzano le scansioni di medicina nucleare, come la SPECT (single-photon emission computed tomography), per osservare il battito cardiaco, monitorare il flusso sanguigno e individuare malattie nascoste in profondità nel corpo. Tuttavia, gli strumenti attuali si basano su rilevatori costosi e complessi da produrre.
Ora, un team di scienziati della Northwestern University e della Soochow University ha sviluppato il primo rilevatore basato sulla perovskite capace di catturare singoli raggi gamma con una precisione mai vista prima. Questa innovazione potrebbe rendere le immagini mediche nucleari più nitide, veloci, economiche e sicure.
Per i pazienti, significa tempi di scansione ridotti, risultati più chiari e dosi di radiazioni più basse.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica Nature Communications (1).
I cristalli di perovskite rivoluzionano la medicina nucleare
«Le perovskiti sono una famiglia di cristalli nota per aver trasformato il settore dell’energia solare», ha dichiarato il dottor Mercouri G. Kanatzidis (2) della Northwestern University, autore principale dello studio. «Ora sono pronte a fare lo stesso nella medicina nucleare. È la prima prova concreta che i rilevatori a perovskite possono generare immagini mediche nitide e affidabili, fondamentali per offrire cure di alta qualità ai pazienti.»
«La nostra tecnologia migliora le prestazioni dei rilevatori e può ridurre i costi», ha aggiunto il dottor Yihui He, professore alla Soochow University. «Questo significa che sempre più ospedali e cliniche potranno accedere alle migliori soluzioni di imaging diagnostico».
Il dottor Mercouri Kanatzidis è professore di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern University e scienziato senior presso l’Argonne National Laboratory. Il dottor Yihui He, coautore dello studio, ha lavorato come ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kanatzidis (3).
Come funziona la medicina nucleare
La medicina nucleare, come la tomografia a emissione di fotone singolo (SPECT), funziona come una fotocamera invisibile. I medici inseriscono un piccolo radiotracciante sicuro e a breve durata in una zona specifica del corpo del paziente. Questo tracciante emette raggi gamma che attraversano i tessuti e raggiungono un rilevatore esterno. Ogni raggio gamma è come un pixel luminoso. Raccogliendo milioni di questi segnali, i computer ricostruiscono un’immagine tridimensionale degli organi in funzione.
I rilevatori utilizzati oggi nella medicina nucleare sono realizzati in tellururo di cadmio-zinco (CZT) o ioduro di sodio (NaI), ma presentano diversi limiti. I dispositivi CZT sono estremamente costosi, con prezzi che possono superare centinaia di migliaia o addirittura milioni di dollari per una singola fotocamera. Inoltre, i cristalli CZT sono fragili e soggetti a rotture, rendendo la produzione complessa. I rilevatori NaI, pur essendo più economici, sono ingombranti e generano immagini sfocate, simili a foto scattate attraverso un vetro appannato.
La svolta della perovskite
Per superare questi problemi, i ricercatori hanno scelto i cristalli di perovskite, un materiale che Mercouri Kanatzidis studia da oltre dieci anni. Nel 2012, il suo team ha realizzato le prime celle solari a film solido basate su perovskite. L’anno successivo, ha scoperto che i cristalli singoli di perovskite sono altamente promettenti per rilevare raggi X e gamma. Questa scoperta, resa possibile dalla crescita di cristalli di alta qualità, ha dato il via a una nuova era nella rilevazione delle radiazioni ad alta energia.
«Questa ricerca dimostra quanto possiamo spingere oltre i limiti i rilevatori a perovskite», ha dichiarato il dottor Mercouri Kanatzidis. «Nel 2013 abbiamo scoperto che i cristalli singoli di perovskite potevano rilevare raggi X e gamma, ma potevamo solo immaginarne il potenziale. Oggi dimostriamo che questi rilevatori offrono la risoluzione e la sensibilità necessarie per applicazioni avanzate come l’imaging in medicina nucleare. È entusiasmante vedere questa tecnologia avvicinarsi all’impatto reale».
Il rilevatore a raggi gamma del futuro
Partendo da una solida base di ricerca, Kanatzidis e He hanno guidato la crescita dei cristalli, l’ingegnerizzazione delle superfici e la progettazione del dispositivo per lo studio più recente. Modellando con precisione i cristalli di perovskite, i ricercatori hanno creato un sensore pixelato — simile ai pixel di una fotocamera smartphone — capace di offrire una nitidezza e una stabilità da record.
He ha progettato l’architettura pixelata del rilevatore a raggi gamma, ottimizzato l’elettronica di lettura multicanale e condotto esperimenti di imaging ad alta risoluzione che hanno confermato le prestazioni del dispositivo. Insieme a Kanatzidis e al team, ha dimostrato che i rilevatori basati su perovskite possono raggiungere risoluzioni energetiche da primato e una qualità d’immagine senza precedenti per la rilevazione di singoli fotoni, aprendo la strada all’integrazione pratica nei sistemi di imaging medico di nuova generazione.
«Progettare questa fotocamera a raggi gamma e dimostrarne le prestazioni è stato estremamente gratificante», ha dichiarato Yihui He. «Combinando cristalli di perovskite di alta qualità con un rilevatore pixelato ottimizzato e un sistema di lettura multicanale, siamo riusciti a ottenere una risoluzione energetica da record e capacità di imaging avanzate. Questo lavoro dimostra il vero potenziale dei rilevatori a perovskite nel rivoluzionare l’imaging in medicina nucleare».
Verso una medicina nucleare più accessibile
Nei test di laboratorio, il nuovo rilevatore ha dimostrato una capacità senza precedenti nel distinguere raggi gamma di diverse energie, con la migliore risoluzione mai registrata. È riuscito a rilevare segnali estremamente deboli da un radiotracciante medico (technetium-99m), ampiamente utilizzato nella pratica clinica, e a distinguere dettagli finissimi, generando immagini nitide capaci di separare sorgenti radioattive distanti solo pochi millimetri. Il dispositivo ha mantenuto una stabilità elevata, raccogliendo quasi tutto il segnale del tracciante senza perdite né distorsioni.
Grazie alla maggiore sensibilità, questi nuovi rilevatori potrebbero ridurre i tempi di scansione e le dosi di radiazioni necessarie per i pazienti.
La startup Actinia Inc., nata dalla Northwestern University, sta portando questa tecnologia sul mercato, collaborando con aziende del settore biomedicale per introdurla negli ospedali. I cristalli di perovskite, più facili da coltivare e basati su componenti semplici, rappresentano un’alternativa molto più economica ai rilevatori CZT e NaI, senza compromessi sulla qualità. Inoltre, permettono di ottenere immagini mediche con dosi di radiotracciante inferiori rispetto ai sistemi tradizionali, rendendo l’accesso alla diagnostica avanzata più diffuso e sostenibile.
«Dimostrare che i cristalli di perovskite possono offrire imaging a raggi gamma con singoli fotoni è una svolta importante», ha dichiarato Yihui He. «Questo risultato dimostra che il materiale è pronto per uscire dai laboratori e diventare una tecnologia concreta al servizio della salute umana. Da qui si aprono nuove prospettive per perfezionare i rilevatori, aumentare la produzione e esplorare nuove direzioni nell’imaging medico».
«La medicina nucleare di alta qualità non dovrebbe essere riservata solo agli ospedali con le attrezzature più costose», ha aggiunto Mercouri Kanatzidis. «Grazie alle perovskiti, possiamo rendere le scansioni più nitide, rapide e sicure accessibili a molti più pazienti nel mondo. L’obiettivo finale è offrire diagnosi migliori e cure più efficaci».
La ricerca è stata finanziata da importanti enti internazionali, tra cui la Defense Threat Reduction Agency, il Consortium for Interaction of Ionizing Radiation with Matter University Research Alliance, il National Key R&D Program of China, la National Natural Science Foundation of China e la Jiangsu Natural Science Foundation. Il professor Mercouri Kanatzidis ha collaborazioni e interessi economici con Actinia Inc., azienda spin-off della Northwestern University, che a sua volta detiene partecipazioni finanziarie nella società. Actinia Inc. è attivamente coinvolta nella commercializzazione di tecnologie innovative per l’imaging in medicina nucleare.
Riferimenti:
(3) The Kanatzidis Research Group
Descrizione foto: I boule di cristalli di perovskite - formazioni di cristalli trasparenti e libere da crepe e inclusioni-vengono utilizzate per creare i rilevatori, che possono ottenere risoluzioni di energia record e prestazioni di imaging singolo senza precedenti, che apportano anche la strada all'integrazione pratica nei sistemi di imaging nucleare di prossima generazione. - Credit: Northwestern University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: First ‘perovskite camera’ can see inside the human body