In Vivo Quantum Time-Domain Diffuse Optical Spectroscopy

La luce è uno strumento straordinario per guardare all'interno del corpo umano senza praticare un singolo taglio. Quando i medici proiettano un fascio di luce vicino all'infrarosso attraverso un dito o un seno, quella luce non viaggia in linea retta. Invece, rimbalza sulle cellule e sulle molecole, disperdendosi in un cammino caotico e casuale prima di emergere dall'altro lato. Misurando esattamente quanto tempo impiegano quei fotoni dispersi ad arrivare, gli scienziati possono calcolare lo spessore del tessuto e quanto questo assorba, rivelando dettagli sul flusso sanguigno e sui livelli di ossigeno. Questa tecnica, nota come spettroscopia ottica diffusa nel dominio del tempo, si è basata a lungo sull'emissione di impulsi laser ultra-brevi e incredibilmente veloci per fungere da cronometro. La tempistica dell'inizio dell'impulso e dell'arrivo dei fotoni racconta la storia. Tuttavia, questi laser sono complessi, costosi e possono essere troppo luminosi per campioni biologici delicati, rischiando di causare danni se utilizzati troppo a lungo.

Un team di ricercatori del Politecnico di Milano e dell'Università di Glasgow ha ora dimostrato un modo fondamentalmente diverso di condurre questo esperimento. Hanno sostituito il potente laser a impulsi con un fascio di luce continuo e costante e hanno scambiato il tradizionale cronometro con un trucco della fisica quantistica. Invece di misurare un singolo impulso, hanno utilizzato coppie di particelle di luce che nascono insieme e rimangono misteriosamente collegate, indipendentemente dalla distanza percorsa. Una particella della coppia viene inviata attraverso il tessuto, mentre la sua gemella viene catturata da un rilevatore per segnalare l'istante esatto in cui è iniziato il viaggio. Questo metodo, che i ricercatori chiamano spettroscopia ottica diffusa quantistica, permette di mappare il percorso della luce attraverso il tessuto con estrema precisione, anche utilizzando una luce molto debole e rilevatori semplici e rumorosi.

I ricercatori hanno iniziato testando il loro nuovo sistema su blocchi di materiale progettati per imitare il modo in cui il tessuto umano disperde la luce. Questi blocchi, realizzati con una sostanza simile al silicone mescolata con polvere bianca per disperdere la luce e inchiostro nero per assorbirla, sono stati tagliati in lastre di spessori variabili. Hanno misurato come la luce viaggiava attraverso questi blocchi utilizzando la loro configurazione quantistica e hanno confrontato i risultati con un sistema laser a impulsi standard di alta gamma. Il metodo quantistico ha prodotto le stesse mappe dettagliate dei tempi di percorrenza della luce rispetto al laser convenzionale, calcolando accuratamente quanto il materiale assorbisse e disperdesse la luce. Ciò ha dimostrato che le correlazioni temporali tra le coppie di fotoni legati potevano servire come sostituto perfetto per un laser a impulsi, fornendo il riferimento necessario per ricostruire il viaggio della luce attraverso un mezzo di diffusione.

Per vedere se questo approccio potesse gestire la realtà disordinata del mondo reale, il team ha introdotto una quantità significativa di rumore di fondo. Hanno sostituito il loro rilevatore di alta gamma con un fotomoltiplicatore al silicio molto più economico e rumoroso e hanno proiettato una luce luminosa e non correlata nella stanza per simulare un ambiente rumoroso. In una configurazione tradizionale, questa luce di fondo sommergerebbe il debole segnale proveniente dal tessuto. Eppure, poiché il sistema quantistico contava solo i fotoni che arrivavano in perfetta sincronia con i loro partner gemelli, è riuscito a filtrare il rumore. Il sistema è stato in grado di distinguere il vero segnale dal caos, recuperando misurazioni accurate delle proprietà del tessuto anche quando il rumore di fondo era migliaia di volte più forte del segnale. Questa capacità di trovare un ago in un pagliaio senza bisogno di un rilevatore perfetto suggerisce che la tecnologia potrebbe alla fine diventare economica e portatile.

I ricercatori sono poi passati dai blocchi di plastica ai fluidi biologici. Hanno creato miscele di sangue animale e un liquido lattiginoso dispersivo per simulare l'ambiente complesso all'interno di un corpo umano. Modificando la quantità di sangue nella miscela, hanno dimostrato che il sistema può rilevare cambiamenti in quanto la luce viene assorbita. Ancora più importante, hanno dimostrato la sensibilità all'ossigeno. Man mano che rimuovevano l'ossigeno dal sangue, il sistema rilevava uno spostamento nell'assorbimento, tracciando il cambiamento mentre il sangue diventava deossigenato. Questo è fondamentale perché la capacità di distinguere tra sangue ricco di ossigeno e povero di ossigeno è la base dell'imaging funzionale del cervello e della rilevazione dei tumori. Il sistema quantistico ha tracciato questi cambiamenti chiaramente, anche quando le misurazioni venivano effettuate in appena un secondo, dimostrando di poter catturare rapidi cambiamenti biologici.

Infine, il team ha portato l'esperimento sugli esseri umani viventi. Hanno posizionato un bracciale per la pressione sul braccio di un volontario e misurato la luce che passava attraverso il mignolo. Mentre il bracciale veniva gonfiato per interrompere il flusso sanguigno, i ricercatori hanno osservato l'assorbimento della luce cambiare in tempo reale. I dati hanno mostrato un aumento costante dell'assorbimento mentre il sangue nel dito diventava deossigenato durante il blocco, seguito da una rapida diminuzione una volta rilasciato il bracciale e il sangue fresco tornato a fluire. Il monitoraggio dinamico del flusso sanguigno e dell'ossigenazione in una persona viva ha confermato che il metodo quantistico funziona su tessuti reali e in movimento. È la prima volta che tali misurazioni vengono eseguite su esseri umani utilizzando la luce generata da una sorgente continua e da coppie di fotoni legati.

Questo lavoro non pretende di essere uno strumento medico finito pronto per gli ospedali di domani. Le misurazioni erano una prova di concetto, che dimostrava che la fisica funziona e che i dati sono affidabili. I ricercatori sottolineano che il loro sistema non è necessariamente più sensibile dei migliori laser esistenti, ma offre una strada completamente nuova. Utilizzando la luce continua e le correlazioni quantistiche, hanno dimostrato che la spettroscopia nel dominio del tempo può essere eseguita senza la necessità di costosi e complessi laser a impulsi. Ciò apre la porta all'uso di sorgenti luminose più semplici, economiche e sicure per l'imaging medico, permettendo potenzialmente il monitoraggio a lungo termine di pazienti o di tessuti delicati che non possono resistere all'intensità dei laser tradizionali. Lo studio stabilisce che la luce quantistica è una risorsa praticabile per vedere all'interno del corpo umano, trasformando una curiosità teorica in un nuovo modo pratico di misurare la vita.