Il laboratorio Diffuse Optics for Clinics (DOC) esplora le potenziali applicazioni cliniche della Spettroscopia Ottica Diffusa nel Dominio del Tempo (TD-DOS).

La TD-DOS misura in modo non invasivo i coefficienti di assorbimento e di scattering di mezzi torbidi, come i tessuti biologici. Impulsi luminosi della durata dell’ordine delle decine di picosecondi, nella regione del rosso e del vicino infrarosso (600–1300 nm), vengono inviati al tessuto e l’attenuazione, l’allargamento e il ritardo degli impulsi in uscita codificano informazioni sulla sua composizione (concentrazioni di ossiemoglobina e deossiemoglobina, acqua, lipidi e collagene, legate all’assorbimento) e sulla sua microstruttura (legata allo scattering). Di conseguenza, la TD-DOS fornisce informazioni fisiologiche quantitative in modo non invasivo, rispondendo a esigenze cliniche non soddisfatte dalle attuali modalità di imaging (ad es. radiografia, PET, risonanza magnetica, ecografia) e dai metodi istopatologici (ad es. biopsia). La TD-DOS può quindi integrare le pratiche radiologiche e diagnostiche standard, favorendo un processo decisionale più efficiente e una medicina personalizzata.

Il laboratorio DOC ha condotto un’ampia attività di ricerca sulla caratterizzazione del tumore della mammella, con particolare attenzione alla valutazione della densità mammaria [1,2], alla diagnosi delle lesioni [3,4] e al monitoraggio della chemioterapia neoadiuvante [5]. Queste attività hanno portato alla realizzazione di studi clinici presso l’istituto sanitario Pio X (OPTIMAMM), l’Istituto Europeo di Oncologia (BreastDensity) e l’Ospedale San Raffaele (SOLUS, NADOPTIC). Più recentemente, il laboratorio ha avviato una ricerca pionieristica sull’analisi non invasiva del tessuto polmonare in vivo (ANTHEM) [6]. Il tumore della mammella e quello del polmone rappresentano le due neoplasie più diffuse a livello mondiale. Infine, uno studio di laboratorio in vivo sul monitoraggio continuo e non invasivo del grasso addominale ha dimostrato un notevole potenziale per stimare gli effetti di interventi quali la restrizione calorica o la chirurgia bariatrica (MAYBE) [7].

Il laboratorio DOC adotta un approccio completo alla ricerca, che comprende le seguenti fasi:

1. Progettazione dell’esperimento
2. Sviluppo e ottimizzazione di sistemi sperimentali realizzati internamente
3. Simulazioni mediante software all’avanguardia
4. Misure su fantocci (ex vivo, in vitro) e su volontari sani (in vivo) in laboratorio
5. Studi clinici sulla popolazione target
6. Analisi dei dati mediante metodi analitici, numerici e di machine learning

Pertanto, nel laboratorio DOC è essenziale la collaborazione con medici, fisici, matematici, ingegneri elettronici e partner industriali.

Gli attuali progetti:

1. SOLUS: [4]
2. NADOPTIC: [5]
3. ANTHEM: https://fondazioneanthem.it/
4. MAYBE: [7]

References:

[1] N. Serra, R. Cubeddu, G. Maffeis, V. Damagatla, A. Pifferi, and P. Taroni, In Vivo Optimization of the Experimental Conditions for the Non-Invasive Optical Assessment of Breast Density, Sci. Rep. 14, 19154 (2024), doi: 10.1038/s41598-024-70099-x.

[2] P. Taroni, G. Quarto, A. Pifferi, F. Abbate, N. Balestreri, S. Menna, E. Cassano, and R. Cubeddu, Breast Tissue Composition and Its Dependence on Demographic Risk Factors for Breast Cancer: Non-Invasive Assessment by Time Domain Diffuse Optical Spectroscopy, PLoS One 10, e0128941 (2015), doi: 10.1371/journal.pone.0128941.

[3] L. Spinelli, A. Torricelli, A. Pifferi, P. Taroni, G. Danesini, and R. Cubeddu, Characterization of Female Breast Lesions from Multi-Wavelength Time-Resolved Optical Mammography, Phys. Med. Biol. 50, 2489 (2005), doi: 10.1088/0031-9155/50/11/004.

[4] G. Maffeis, L. Di Sieno, A. Dalla Mora, A. Pifferi, A. Tosi, E. Conca, A. Giudice, A. Ruggeri, S. Tisa, A. Flocke, B. Rosinski, J.-M. Dinten, M. Perriollat, J. Lavaud, S. Arridge, G. Di Sciacca, A. Farina, P. Panizza, E. Venturini, P. Gordebeke, and P. Taroni, The SOLUS Instrument: Optical Characterization of the First Hand-Held Probe for Multimodal Imaging (Ultrasound and Multi-Wavelength Time-Resolved Diffuse Optical Tomography), Opt. Lasers Eng. 176, 108075 (2024), doi: 10.1016/j.optlaseng.2024.108075.

[5] N. Mule, G. Maffeis, R. Cubeddu, C. Santangelo, G. Bianchini, P. Panizza, and P. Taroni, Monitoring of Neoadjuvant Chemotherapy through Time Domain Diffuse Optics: Breast Tissue Composition Changes and Collagen Discriminative Potential, Biomed. Opt. Express 15, 4842 (2024), doi: 10.1364/boe.527968.

[6] A. Pifferi, M. Miniati, A. Farina, S. Konugolu Venkata Sekar, P. Lanka, A. Dalla Mora, G. Maffeis, and P. Taroni, Initial Non-Invasive in Vivo Sensing of the Lung Using Time Domain Diffuse Optics, Sci. Rep. 14, 6343 (2024), doi: 10.1038/s41598-024-56862-0.

[7] P. Lanka, A. Segala, A. Farina, S. Konugolu Venkata Sekar, E. Nisoli, A. Valerio, P. Taroni, R. Cubeddu, and A. Pifferi, Non-Invasive Investigation of Adipose Tissue by Time Domain Diffuse Optical Spectroscopy, Biomed. Opt. Express 11, 2779 (2020), doi: 10.1364/BOE.391028.