Febbre Interna? Te lo Dicono Piruvato e Lattato con una Risonanza Magnetica Speciale!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e scoperte! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi ha letteralmente entusiasmato e che potrebbe cambiare il modo in cui “vediamo” la temperatura all’interno del nostro corpo. Immaginate di poter misurare la temperatura di organi specifici, o addirittura di un tumore, in modo non invasivo. Fantascienza? Non proprio, e vi spiego perché.

Da sempre, la temperatura corporea è un indicatore fondamentale del nostro stato di salute. Già Ippocrate, più di 2000 anni fa, aveva capito che le variazioni di temperatura erano legate alle malattie. Dai tempi di Galileo, che ci ha regalato i primi strumenti di misurazione, ne abbiamo fatta di strada! Oggi, la risonanza magnetica (MRI) non è solo uno strumento pazzesco per vedere dentro di noi, ma può anche trasformarsi in un termometro super preciso.

Ma come funziona questa “termometria MRI”?

Beh, si è scoperto che la frequenza di risonanza dei protoni in molte molecole (soprattutto nell’acqua, che è ovunque nel nostro corpo) cambia con la temperatura. Questo ci permette di misurare la temperatura relativa in vivo senza usare agenti di contrasto. Ma c’è un “ma”: il segnale di alcuni nuclei, come il Carbonio-13 (¹³C), che sarebbe utilissimo per studiare il metabolismo, è intrinsecamente debole. Ed è qui che entra in gioco la magia dell’iperpolarizzazione.

L’iperpolarizzazione è una tecnica che aumenta drasticamente il segnale del ¹³C, rendendolo visibile alla MRI. Una delle sonde iperpolarizzate più usate è il [1-¹³C]piruvato. Questo composto, una volta iniettato, viene convertito nel nostro corpo in [1-¹³C]lattato, soprattutto nelle cellule tumorali che hanno un metabolismo accelerato (il famoso effetto Warburg). Quindi, studiando il piruvato e il lattato iperpolarizzati, possiamo ottenere informazioni preziose sull’attività metabolica, il pH, la perfusione e, come abbiamo scoperto, anche sulla temperatura!

La nostra scoperta: Piruvato e Lattato come termometri interni

Quello che prima non era stato riportato in dettaglio è che gli chemical shift (una sorta di “impronta digitale” che ogni molecola ha nella risonanza magnetica) del piruvato e del lattato marcati con ¹³C cambiano non solo con la concentrazione, ma anche, e in modo significativo, con la temperatura. Questa è stata la scintilla che ha acceso la nostra ricerca!

Ci siamo messi al lavoro per caratterizzare questi cambiamenti. Abbiamo condotto esperimenti in vitro (cioè in laboratorio, non su organismi viventi) a due diversi campi magnetici (7 Tesla e 11.7 Tesla), testando un intervallo di temperature da 18 a 42 °C e concentrazioni di metaboliti da 5 a 600 mM, sia in soluzioni acquose che in sangue intero. Abbiamo usato l'[¹³C]urea come riferimento, un po’ come un punto fisso per le nostre misurazioni.

I risultati sono stati entusiasmanti! Abbiamo osservato che la differenza di chemical shift tra lattato e piruvato (a una concentrazione di 5 mM) diminuisce di 0.013 ± 0.002 ppm/°C all’aumentare della temperatura. In pratica, i picchi di queste due molecole nello spettro MRI si “avvicinano” quando fa più caldo e si “allontanano” quando fa più freddo. Abbiamo anche notato un effetto legato alla concentrazione, ma alle basse concentrazioni che ci aspettiamo in vivo (sotto i 10 mM), questo effetto è trascurabile rispetto a quello della temperatura.

Queste calibrazioni ci hanno permesso di creare delle vere e proprie “funzioni di conversione” per calcolare la temperatura assoluta partendo dalla differenza di chemical shift tra lattato e piruvato.

Dalla provetta agli organismi viventi: i test preclinici

Ovviamente, il passo successivo era vedere se tutto questo funzionava anche in vivo. Abbiamo condotto uno studio preclinico su topi sani. Ad ogni animale è stato iniettato due volte il piruvato iperpolarizzato: la prima volta con una temperatura corporea normale (circa 38°C) e la seconda volta con una temperatura abbassata (31 o 34°C), misurata con una sonda rettale.

Utilizzando una sequenza di imaging specifica (2D FID-CSI) sull’addome e sul cervello dei topi, abbiamo calcolato le “temperature apparenti”. I risultati sono stati molto incoraggianti: i valori di temperatura ottenuti con la nostra metodica MRI erano simili a quelli misurati dalla sonda rettale. Ad esempio, in un caso, la variazione di temperatura misurata con MRI (ΔT_CSI) era di 3.9°C, mentre quella rettale (ΔT_rec) era di 3.7°C. Non male, vero?

Abbiamo notato che, in generale, le temperature apparenti misurate con MRI (T_CSI) erano leggermente più alte di quelle rettali, specialmente quando la temperatura corporea era più bassa. Questo potrebbe indicare meccanismi biologici di compensazione interna della temperatura, come l’attivazione del grasso bruno o una diversa distribuzione del flusso sanguigno. È affascinante pensare che potremmo “vedere” questi meccanismi in azione!

Inoltre, abbiamo osservato una diminuzione nella produzione di lattato a temperature più basse, il che è coerente con una ridotta attività dell’enzima lattato deidrogenasi (LDH) quando fa più freddo.

E sull’uomo? Uno sguardo retrospettivo

A questo punto, ci siamo chiesti: possiamo applicare questa metodica ai dati umani già esistenti? Abbiamo quindi analizzato retrospettivamente i dati di tre studi pubblicati su pazienti umani, che riguardavano il metabolismo cerebrale sano, il metabolismo renale e il glioblastoma (un tipo aggressivo di tumore al cervello).

Qui le cose si sono fatte un po’ più complesse. Le temperature apparenti che abbiamo calcolato per il cervello e i reni sani erano inferiori alle temperature fisiologiche note. Questo suggerisce che, nell’uomo, potrebbero esserci altri fattori che influenzano la misurazione e che al momento limitano l’uso di questo metodo per determinare la temperatura assoluta con precisione millimetrica.

Quali potrebbero essere questi fattori? Eccone alcuni:

• Variazioni di suscettibilità magnetica: la microstruttura dei tessuti cerebrali può causare piccole variazioni locali del campo magnetico (B₀), che influenzerebbero piruvato e lattato in modo diverso, dato che si trovano in compartimenti diversi (il piruvato principalmente nel sangue, il lattato inizialmente dentro le cellule).
• Precisione della misurazione: la qualità dello spettro MRI (risoluzione spettrale, rapporto segnale/rumore) è cruciale. A campi magnetici più bassi come i 3 Tesla usati per gli studi umani (rispetto ai 7T dei topi), la risoluzione è inferiore, rendendo più difficile la stima precisa delle frequenze.
• Concentrazione del bolo: nei sistemi clinici, la concentrazione di piruvato iniettato è più alta rispetto ai sistemi preclinici. Questo potrebbe portare a effetti di concentrazione più marcati nell’uomo.
• Lattato intra vs. extracellulare: è stato dimostrato che il lattato extracellulare ha una frequenza leggermente diversa da quello intracellulare. Questa differenza potrebbe tradursi in una variazione di temperatura apparente di quasi 2°C.

Nonostante queste limitazioni per la misurazione della temperatura assoluta nell’uomo, abbiamo fatto una scoperta interessante: confrontando i dati di cervelli sani con quelli di pazienti con glioblastoma, abbiamo trovato una temperatura cerebrale apparente media più alta nei pazienti con tumore (35.1 ± 2.1 °C contro 31.7 ± 2.5 °C nei sani). Questo potrebbe essere dovuto a vari fattori, inclusa l’assunzione di farmaci come il desametasone da parte dei pazienti, o a differenze nella microstruttura cerebrale. È una pista che merita sicuramente ulteriori indagini!

Implicazioni e prospettive future

Al di là dell’applicazione come termometro, la dipendenza dalla temperatura degli chemical shift di piruvato e lattato ha implicazioni importanti. Ad esempio, molte sequenze di imaging ¹³C assumono che le frequenze di risonanza siano stabili. I nostri risultati mostrano che non è così: una variazione di temperatura locale di pochi gradi può spostare queste frequenze, potenzialmente falsando i risultati metabolici. Quindi, bisogna tenerne conto!

Inoltre, questa tecnica potrebbe essere utilissima per il controllo qualità di nuovi dispositivi di iperpolarizzazione o in studi in vitro, dove basta un singolo spettro NMR per misurare la temperatura o la concentrazione (se l’altra è nota).

In sintesi, il nostro metodo permette di ottenere informazioni sulla temperatura (o sulla concentrazione) da spettri NMR che contengono [1-¹³C]piruvato e [1-¹³C]lattato. Anche se ci sono ancora sfide da superare per la misurazione accurata della temperatura assoluta nell’uomo, questa tecnica offre un nuovo strumento, ottenuto “gratuitamente” con ogni iniezione di piruvato iperpolarizzato, per studiare, ad esempio, i cambiamenti di temperatura apparente dovuti a trattamenti antitumorali.

È un campo di ricerca in continua evoluzione, e sono convinto che queste scoperte apriranno la strada a nuove applicazioni diagnostiche e terapeutiche. Rimanete sintonizzati, perché la scienza non si ferma mai!

Fonte: Springer Nature