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Quando un medico ha bisogno di verificare se ci sono anomalie, una delle prime strategie è ricorrere al tatto. La palpazione rappresenta infatti uno degli strumenti diagnostici più antichi e tuttora insostituibili, poiché le caratteristiche meccaniche dei tessuti – la loro rigidità, elasticità e reazione alla pressione – forniscono informazioni che nessuna immagine può restituire. Tuttavia, il passaggio dall’uso delle mani a strumenti tecnologici avanzati presenta una difficoltà: qualsiasi contatto fisico con un tessuto può modificarlo, e in alcuni casi, danneggiarlo in modo irreversibile. Giuliano Scarcelli, professore ordinario di bioingegneria presso l’Università del Maryland e direttore del Center for Translational Engineering and Medicine, ha sviluppato un metodo per superare questo ostacolo: misurare le proprietà meccaniche di qualsiasi tessuto biologico utilizzando esclusivamente la luce, come se si scattasse una fotografia, senza alcun contatto.
Lo strumento da lui creato sfrutta un fenomeno descritto per la prima volta nel 1922 dal fisico francese Léon Brillouin: le molecole di ogni materiale, vibrando in base alla propria temperatura, generano piccole onde acustiche interne. Quando un fascio di luce attraversa il materiale, una minima parte dei fotoni subisce l’influenza di queste onde acustiche, modificando leggermente la frequenza (ossia il colore). L’intensità di questo effetto è correlata alla rigidità e alla viscosità del materiale, fornendo una sorta di “impronta digitale meccanica”. Sebbene il fenomeno sia noto da tempo e già impiegato per analizzare materiali inerti come vetri e cristalli, la sua applicazione ai tessuti biologici si è sempre rivelata complessa: meno di un fotone su un miliardo esce dal materiale con informazioni utili, e la traccia lasciata dall’effetto Brillouin è così sottile da richiedere uno strumento in grado di rilevare variazioni di colore un milione di volte più piccole di quelle normalmente percepibili dagli spettrometri.
«Dal punto di vista pratico, abbiamo realizzato una sorta di microfono in grado di captare il suono delle fluttuazioni termiche di un materiale», afferma Scarcelli. «Tecnologicamente, doveva essere superiore di almeno cinque ordini di grandezza rispetto a qualsiasi altro strumento esistente: provenendo dal campo della ricerca in ottica quantistica, questa sfida si adattava perfettamente alle mie competenze».
La storia che ha condotto Scarcelli negli Stati Uniti ha inizio a Bari, dove ha studiato fisica con un interesse particolare per l’ottica sperimentale. Durante il dottorato, completato tra la Puglia e l’università del Maryland negli Stati Uniti, ha lavorato in un laboratorio che era al centro di una competizione globale sull’ottica quantistica e sul teletrasporto. Il suo supervisore americano, Yanhua Shih, era uno dei protagonisti di quel periodo, spesso considerato il quarto in lista dopo i tre scienziati che avrebbero poi ricevuto il premio Nobel: Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger. Un contesto unico, che però, al termine del dottorato, ha generato in lui una convinzione controcorrente. «Nel campo della fisica quantistica si annunciano continuamente risultati straordinari, ma le applicazioni veramente rivoluzionarie rimangono obiettivi che vengono costantemente rimandati – racconta -. Così ho compreso che avrei preferito realizzare qualcosa di concreto e con un impatto immediato, piuttosto che inseguire promesse vaghe e lontane nel tempo».
Con questa visione, ha cercato un percorso di ricerca decisamente differente, approdando al Wellman Center for Photomedicine di Harvard, dove ha incontrato il professor Andy Yun. È lì che Scarcelli ha gettato le basi per lo sviluppo della microscopia di Brillouin per i tessuti molli, trasformando un fenomeno fisico considerato troppo lento e debole per qualsiasi applicazione biologica in uno strumento utile per la pratica clinica. L’approccio del Wellman Center, noto anche per lo sviluppo della depilazione laser, era chiaro: nulla di ciò che si fa ha reale valore se non si traduce in pratica clinica e diventa utile per le persone. «Siamo giunti a un punto in cui si intravedeva la possibilità di generare un impatto concreto in una specifica disciplina, l’oftalmologia, e quindi abbiamo deliberatamente deciso di concentrarci su quella, rinunciando a perseguire risultati scientificamente più ambiziosi per dimostrare che, almeno in un caso specifico, la tecnologia funzionava sui pazienti e offriva un vantaggio pratico – ricorda -. Quella dimostrazione, una volta ottenuta, sarebbe diventata il nostro lasciapassare per tutto il resto».
Negli otto anni trascorsi nell’area di Boston, prima come postdoc e poi come ricercatore, Scarcelli ha gettato le fondamenta di quella dimostrazione. Nel 2015 è tornato all’Università del Maryland come professore, portando con sé un gruppo di ricerca e una tecnologia pronta per affrontare la prova più impegnativa: l’ingresso nel mercato dell’oculistica. La prospettiva più concreta è emersa dal cheratocono, una malattia degenerativa della cornea che colpisce prevalentemente i giovani. La cornea è la membrana che costituisce la prima superficie ottica dell’occhio ed è mantenuta in forma dalla pressione del liquido intraoculare, similmente a come la pressione interna mantiene la forma di uno pneumatico. Quando in un punto perde rigidità, inizia a deformarsi progressivamente, generando un astigmatismo che peggiora nel tempo e che – nei casi più gravi – può portare alla necessità di un trapianto. Esiste una terapia in grado di fermare la progressione, ma è efficace solo se applicata prima che la forma della cornea sia già compromessa.
«Abbiamo trattato oltre 500 pazienti in clinica e abbiamo dimostrato che il difetto meccanico rilevato dal nostro strumento è più precoce di qualsiasi altro effetto che la diagnostica tradizionale possa rilevare», spiega il professore. «Questo implica che possiamo identificare i pazienti a rischio in una fase in cui è ancora possibile intervenire in modo efficace, evitando complicazioni che altrimenti porterebbero quasi certamente al trapianto». La startup fondata da Scarcelli per completare il trasferimento tecnologico, Intelon Optics, sta lavorando per portare questo strumento negli studi degli oftalmologi. Nel frattempo, il laboratorio sta esplorando altre direzioni, tra cui una particolarmente promettente: la fecondazione in vitro. La qualità di un embrione fecondato è correlata alle sue proprietà meccaniche (la cellula uovo deve essere morbida per consentire l’ingresso dello spermatozoo, per poi irrigidirsi rapidamente per impedire ulteriori ingressi), ma misurarle con metodi che richiedono contatto fisico rischia di danneggiare l’embrione. Uno strumento ottico potrebbe effettuare quella valutazione in modo completamente non invasivo, migliorando la selezione degli embrioni da impiantare.
Non sorprende che su questa tecnologia siano già attive due startup italiane: CrestOptics a Roma e Specto Photonics a Milano, entrambe impegnate nello sviluppo di strumenti commerciali basati sulla microscopia di Brillouin. Questo è un segnale che riflette una solida presenza scientifica, con gruppi di ricerca attivi tra Perugia, Milano e Roma che negli ultimi anni hanno contribuito a sviluppare e applicare questa tecnica anche in ambito biologico. Scarcelli è ben consapevole di questo contesto, anche perché ogni estate torna in Italia tra conferenze e periodi a Bari, dove ha forti legami familiari e mantiene collaborazioni attive con diversi centri. Alla domanda se tornerebbe completamente nel nostro paese, risponde senza esitazioni di no, chiarendo che la sua non è stata una fuga, ma una scelta maturata nel tempo. «Quando sono arrivato qui, dopo il primo mese avevo già capito che non me ne sarei più andato, perché la sensazione è di giocare in Serie A: ci sono risorse, c’è dinamismo, e si percepisce di operare al livello più alto possibile», aggiunge. La vita al di fuori del lavoro, afferma, segue logiche diverse – «quella italiana resta imbattibile» – ma le ore trascorse in laboratorio hanno un peso maggiore, ed è su quelle che si misura realmente la qualità dell’esperienza professionale.