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Biologia

Onde luminose per trasmettere luce laser attraverso tessuti tumorali

By ScientifiCult 8 Agosto 2023

Tsunami di luce contro il cancro: grazie alle onde luminose estreme sarà possibile concentrare energia in modo preciso e non-invasivo in tessuti tumorali profondi. Questa la scoperta di un gruppo di ricerca formato da Sapienza Università di Roma, Istituto dei Sistemi Complessi del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Università Cattolica del Sacro Cuore e Fondazione Policlinico Universitario Agostino Gemelli IRCCS, che è riuscito nella trasmissione di luce laser di intensità estrema attraverso tumori millimetrici. Il risultato, pubblicato su Nature Communications, apre importanti prospettive per nuove tecniche di fototerapia per il trattamento del cancro.

Onde luminose per trasmettere luce laser attraverso tessuti tumorali — Onde luminose estreme possono essere sfruttate per trasmettere luce laser intensa e concentrata attraverso campioni di tessuti tumorali

La luce laser ha potenzialità enormi per lo studio ed il trattamento dei tumori.

Fasci laser in grado di penetrare in profondità in regioni tumorali sarebbero di importanza vitale per la fototerapia, un insieme di tecniche biomediche d’avanguardia che utilizzano luce visibile ed infrarossa per trattare cellule cancerose o per attivare farmaci e processi biochimici.

Tuttavia, la maggior parte dei tessuti biologici è otticamente opaca ed assorbe la radiazione incidente, e questo rappresenta il principale ostacolo ai trattamenti fototerapici. Trasmettere fasci di luce intensi e localizzati all’interno di strutture cellulari è quindi una delle sfide chiave per la biofotonica.

Un team di ricerca di fisici e biotecnologi, guidato da Davide Pierangeli per il Consiglio Nazionale delle Ricerche, Claudio Conti per la Sapienza Università di Roma, e Massimiliano Papi per l’Università Cattolica del Sacro Cuore e la Fondazione Policlinico Universitario Agostino Gemelli IRCCS, ha scoperto che all’interno di strutture cellulari tumorali possono formarsi degli “tsunami ottici”, onde luminose di intensità estrema note in molti sistemi complessi, che possono essere sfruttate per trasmettere luce laser intensa e concentrata attraverso campioni tumorali tridimensionali di tumore pancreatico.

“Studiando la propagazione laser attraverso sferoidi tumorali – spiega Davide Pierangeli – ci siamo accorti che all’interno di un mare di debole luce trasmessa c’erano dei modi ottici di intensità estrema. Queste onde estreme rappresentano una sorgente super-intensa di luce laser di dimensioni micrometriche all’interno della struttura tumorale. Possono essere utilizzate per attivare e manipolare sostanze biochimiche”.

“Il nostro studio mostra come le onde estreme, che fino ad oggi erano rimaste inosservate in strutture biologiche, siano in grado di trasportare spontaneamente energia attraverso i tessuti – continua Claudio Conti – e possano essere sfruttate per nuove applicazioni biomediche.

“Con questo raggio laser estremo – conclude Massimiliano Papi – potremmo sondare e trattare in maniera non-invasiva una specifica regione di un organo. Abbiamo mostrato come tale luce può provocare aumenti di temperatura mirata che inducano la morte di cellule cancerose, e questo ha implicazioni importanti per le terapie fototermiche.”

Lo studio, pubblicato su Nature Communications, dimostra uno strumento totalmente nuovo nella cura al cancro.

Riferimenti:

Extreme transport of light in spheroids of tumor cells – Davide Pierangeli, Giordano Perini, Valentina Palmieri, Ivana Grecco, Ginevra Friggeri, Marco De Spirito, Massimiliano Papi, Eugenio DelRe, e Claudio Conti – Nature Communications (2023) https://doi.org/10.1038/s41467-023-40379-7

Testo e immagine dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Fisica

Un polarimetro per rivelare la terza dimensione della luce con l’intelligenza artificiale

By ScientifiCult 12 Aprile 2023

Rivelare la terza dimensione della luce con l’intelligenza artificiale: sviluppato un polarimetro “intelligente” ultra-veloce e super-compatto che permette di utilizzare la polarizzazione della luce per nuove applicazioni

Ricercatori dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche e della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un polarimetro “intelligente” ultra-veloce e super-compatto che permette di utilizzare la polarizzazione della luce per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura, dei sensori fotonici e della medicina. Lo strumento è descritto in un articolo su Nature Communications.

Ricercatori dell’Istituto dei Sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche di Roma (Cnr-Isc) e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma hanno sviluppato un innovativo strumento che permette di “vedere” tramite la polarizzazione, e utilizzare tale proprietà per applicazioni nei campi della comunicazione ottica sicura su grande distanza, dei sensori fotonici con funzionalità aumentate, e nuovi strumenti per la medicina.

La polarizzazione, assieme alla frequenza e all’intensità, è una delle tre proprietà fondamentali delle onde elettromagnetiche. Mentre le ultime due si manifestano ogni giorno tramite i colori e la brillantezza di una moltitudine di sorgenti di luce diverse quali led, microonde e laser, la polarizzazione della luce è meno conosciuta. I nostri occhi non sono sensibili a questa proprietà – che indica la direzione di oscillazione del campo ottico – e non ci accorgiamo, pertanto, di come essa sia alla base del funzionamento di oggetti di uso comune, come i display. Vedere tramite la polarizzazione permette di rilevare oggetti apparentemente invisibili in condizioni di scarsissima visibilità, e di scoprire dettagli che sono nascosti nelle normali fotografie. Inoltre, in applicazioni quali la visione digitale permette di osservare caratteristiche fisiche dei materiali nascoste – come tensioni, torsioni ed imperfezioni superficiali – e svolge un ruolo chiave nel settore dell’informazione quantistica.

Lo strumento sviluppato da Davide Pierangeli e Claudio Conti, rispettivamente dell’Istituto dei sistemi complessi del Cnr e del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma supera il limite dell’assenza, fino ad oggi, di metodi e strumenti compatti per ottenere immagini in polarizzazione in modo ultraveloce: gli attuali rivelatori, infatti – i cosiddetti polarimetri – utilizzano molte misurazioni tramite apparati ottici costosi e voluminosi.

In particolare, il dispositivo realizzato è innovativo in quanto permette di misurare molte polarizzazioni in un singolo “shot”, basandosi sull’intelligenza artificiale. Inoltre, non necessita dei componenti ottici convenzionali di polarizzazione.

“Rivelare la cosiddetta «terza dimensione della luce» in modo efficiente è una sfida centrale per la fotonica”, spiega Davide Pierangeli (Cnr-Isc). “La nostra idea è stata quella di rivelare la polarizzazione misurando un’altra proprietà fisica apparentemente non collegata ad essa, cioè la distribuzione d’intensità ottica che viene prodotta da un chip disordinato, e da questa tramite tecniche di apprendimento automatico estrarre l’informazione sulle molte polarizzazioni codificate nel fascio laser”.

“Il nostro studio dimostra un rivelatore di polarizzazione smart basato su intelligenza artificiale con funzionalità attualmente non ottenibili in strumenti convenzionali”, continua Claudio Conti (Sapienza Università di Roma). “Questo apre le porte alla comunicazione ottica sicura, a nuovi strumenti per la medicina e la guida autonoma”.

Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Communications, apre importanti prospettive per l’applicazione della luce polarizzata strutturata nella comunicazione ottica, nell’imaging, e nella computazione.

Riferimenti:

Single-shot polarimetry of vector beams by supervised learning – Davide Pierangeli & Claudio Conti – Nature Communications (2023) https://doi.org/10.1038/s41467-023-37474-0

Testo e immagine dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma

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Fisica

Un cristallo che ospita un effetto domino tridimensionale

By ScientifiCult 31 Marzo 2021

Un cristallo che ospita un effetto domino tridimensionale

percolazione frattale cristallo — Osservazione in tempo reale della percolazione frattale in un cristallo ferroelettrico KTN utilizzando luce laser.

Un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università Sapienza e del Dipartimento di Fisica Applicata della Hebrew University of Jerusalem ha ripreso stereoscopicamente in tempo reale la percolazione frattale in un cristallo. La scoperta, pubblicata su Physical Review Letters, aiuta a comprendere il comportamento di materiali innovativi per l’immagazzinamento di informazioni ed energia.

La percolazione è alla base della comprensione di una vasta gamma di fenomeni di importanza critica e molto diversi tra di loro, come ad esempio il modo in cui si espandono gli incendi, la desertificazione, la diffusione di un’infezione, oppure la propagazione dell’attività cerebrale.

Questo modello permette non solo di comprendere diversi fenomeni (come sistemi) in modo qualitativo, ma anche di fare delle predizioni quantitative. Permette infatti di descrivere in modo statistico le connessioni a lunga distanza tra sistemi contenenti numerosi oggetti (collegati tra loro da relazioni aleatorie a corta distanza) e di definirne il comportamento.

Nei solidi, come i cristalli, si pensa che la percolazione sia il meccanismo di base che regola il passaggio da uno stato macroscopico a un altro, come una sorta di effetto domino. Finora questa è stata osservata in modo diretto in sistemi planari, ma mai all’interno di un mezzo tridimensionale.

Un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica della Sapienza Università di Roma e del Dipartimento di Fisica Applicata della Hebrew University of Jerusalem è stato in grado di osservare, utilizzando tecniche di imaging ortografico con luce laser, fenomeni di percolazione all’interno di un supercristallo ferroelettrico.

I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.

Il cristallo trasparente utilizzato dai ricercatori ha proprietà fisiche molto specifiche: solo un indice di rifrazione gigante consentirebbe infatti al fascio di luce bianca di propagarsi al suo interno senza diffrazione e senza dispersione, senza quindi avere una progressiva perdita delle informazioni inizialmente codificate nell’onda.

“Al centro della percolazione osservata – spiega Eugenio Del Re del Dipartimento di Fisica della Sapienza, coordinatore dello studio – c’è un comportamento governato da dimensioni frattali, caratterizzato cioè da oggetti che si ripetono allo stesso modo su diverse scale di ingrandimento, come la forma autoreplicante del cavolfiore. All’interno del supercristallo la diffusione avviene cioè in modo autosimilare”.

L’analisi condotta permette di prevedere quando un sistema specifico raggiungerà la cosiddetta soglia di percolazione, ovvero quando la trasmissione di una fase diventa diffusa e non più controllabile. I risultati dello studio aprono così nuovi scenari per l’immagazzinamento di informazioni e di energia nei campi della fotonica e dell’elettronica.

Riferimenti:

Direct Observation of Fractal-Dimensional Percolation in the 3D Cluster Dynamics of a Ferroelectric Supercrystal – Ludovica Falsi, Marco Aversa, Fabrizio Di Mei, Davide Pierangeli, FeiFei Xin, Aharon J. Agranat and Eugenio Del Re – Phys. Rev. Lett. 126, 037601 (2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.037601

Testo e immagine dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma.

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