Alexandro Catini e Rosamaria Capuano, rispettivamente Professore Associato e Ricercatrice presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma Tor Vergata, hanno recentemente condiviso le loro ricerche in un'intervista per la Società Italiana di Elettronica. Durante l'intervista, hanno raccontato le loro attività innovative nel campo dei sistemi sensoriali, focalizzandosi sullo sviluppo di tecnologie avanzate per la diagnosi precoce delle malattie tumorali attraverso l'analisi dei composti volatili emessi dai fluidi biologici.

 

Come si è sviluppata l’elettronica applicata alla diagnosi?

“Nel 2003, i sensori sviluppati presso il nostro Dipartimento fornirono per la prima volta evidenze che il tumore al polmone potesse essere diagnosticato attraverso l'analisi dell'espirato. Negli anni successivi, ulteriori ricerche confermarono questi risultati, dimostrando che i sistemi di sensori di gas sono in grado di diagnosticare diverse patologie, sia tumorali che non, mediante l'analisi dei composti volatili emessi dal corpo umano, tramite il respiro e la pelle, o presenti in fluidi biologici come le urine o la saliva”.

Alexandro Catini ci ha successivamente spiegato come questi studi abbiano contribuito alla definizione della volatilomica, una branca della metabolomica dedicata alla misurazione dei composti volatili che si originano dai processi chimici che avvengono all'interno delle cellule per mantenerle in vita. Per fare un esempio, possiamo pensare alle reazioni chimiche che trasformano gli alimenti in energia oppure a quelle da cui si formano le molecole necessarie per la riparazione dei tessuti.

Rosamaria Capuano ha aggiunto che all’Università di Roma Tor Vergata gli studi stanno proseguendo sul solco tracciato dal Prof. Arnaldo D’Amico, scomparso nel 2020. Negli anni '90, il Prof. D’Amico fu uno dei pionieri nello sviluppo di sistemi sensoriali per la diagnosi medica.

“Oggi, le attività continuano grazie al Centro Interdipartimentale per la Volatilomica, intitolato al Prof. D’Amico (CIVAD), e diretto dal Prof. Corrado Di Natale, che unisce le competenze e gli interessi dei ricercatori dei Dipartimenti di Ingegneria Elettronica, Scienze e Tecnologie Chimiche, e della Macroarea di Medicina”.

Le attività del Centro sono in linea con la crescente attenzione verso le tecnologie destinate a migliorare la qualità della vita. In questo contesto, i sensori giocano un ruolo importante, poiché consentono di tradurre tutte quelle informazioni biochimiche che indicano lo stato fisiologico di un individuo in segnali elettronici. Questi segnali forniscono informazioni utili ai sistemi di elaborazione dei dati che saranno quindi in grado di fornire un’indicazione sullo stato di salute di un individuo.

 

Quali sono le applicazioni dell’elettronica nella diagnosi?

“Nel campo dell’healthcare, è sempre più incoraggiato un approccio multidisciplinare per sviluppare nuove metodologie diagnostiche di maggiore efficacia, a basso costo e, soprattutto, non invasive. In questo contesto si collocano lo sviluppo e l’applicazione di sistemi sensoriali artificiali per l’analisi dei composti volatili rilasciati in atmosfera dai processi metabolici. Questi dispositivi si basano sull’impiego di un insieme di sensori che, analogamente al sistema olfattivo, sono in grado di convertire una vasta gamma di miscele chimiche complesse in segnali distinti”.

Alexandro Catini ha spiegato, inoltre, che è grazie all’analogia con il sistema olfattivo umano che i sistemi sensoriali vengono chiamati “sistemi olfattivi artificiali” o “nasi elettronici”. Tuttavia, oltre ai sensori stessi, questi strumenti necessitano di componenti complementari, come l’elettronica di interfaccia, la gestione del campione gassoso e, infine, l'analisi dei segnali tramite algoritmi di machine learning.

“Le potenzialità diagnostiche di questi strumenti sono notevoli. L’integrazione dei sensori con le tecniche avanzate di fabbricazione consente di sviluppare sistemi sensoriali che offrono analisi rapide e a basso costo di campioni prelevati dai pazienti mediante procedure non invasive”.

Rosamaria Capuano ha aggiunto: “Le successive evoluzioni di questi strumenti hanno ampliato notevolmente le loro capacità diagnostiche, rivelandosi efficaci non solo nella diagnosi del tumore al polmone, ma anche per altre forme di cancro, come quello del rene. Inoltre, questi strumenti hanno mostrato potenzialità significative nella rilevazione di patologie infettive, inclusi il COVID-19 e la tubercolosi. Questa espansione delle applicazioni diagnostiche è resa possibile dalla capacità dei sensori di analizzare composti volatili associati a una vasta gamma di condizioni patologiche, aprendo così la strada per lo sviluppo di metodiche diagnostiche non invasive”.

 

Quali competenze deve avere l’Ingegnere Elettronico in questo settore?

“La conoscenza dei sistemi di trasduzione e dei dispositivi che costituiscono la base dei sensori è un aspetto fondamentale del bagaglio culturale di un ingegnere elettronico. Questa competenza non si limita semplicemente alla progettazione del sensore, ma si estende anche alla sua integrazione all'interno di sistemi elettronici complessi. Richiede una comprensione approfondita delle architetture circuitali e delle tecniche di elaborazione del segnale. La capacità di progettare interfacce adeguate tra i sensori e i microcontrollori è ugualmente importante per garantire che i dati raccolti siano affidabili e riproducibili”.

La risposta di Alexandro Catini mette in luce l’importanza di comprendere i sistemi di trasduzione e i dispositivi dei sensori nel campo dell’ingegneria elettronica. Non si tratta solo di progettare sensori, ma anche di possedere la padronanza necessaria delle architetture di un circuito per integrare i sensori nei sistemi elettronici complessi. Questa competenza garantisce il successo di qualsiasi applicazione che dipende da misurazioni sensoriali accurate.

Secondo Rosamaria Capuano, inoltre, nel contesto dello sviluppo di sistemi sensoriali artificiali, è fondamentale anche tenere conto delle applicazioni pratiche e delle esigenze specifiche del mercato.

“Questo implica una continua ricerca e innovazione, affinché i dispositivi possano adattarsi a scenari sempre più complessi e dinamici. Solo attraverso una solida padronanza di questi elementi tecnici è possibile contribuire in modo significativo all'avanzamento della tecnologia e alla creazione di soluzioni innovative che migliorino la vita quotidiana”.