Rilevatore di tracce di diamante: il magnetometro quantistico endoscopico indicherà al chirurgo dove cercare i linfonodi sentinella

I fisici dell'Università di Warwick hanno dimostrato un prototipo di magnetometro endoscopico a diamante per oncologia. Il sensore utilizza centri di azoto-vacanza (NV) nel diamante e legge i campi magnetici dal tracciante di ossido di ferro MagTrace™, lo stesso utilizzato nella biopsia del linfonodo sentinella in chirurgia mammaria. Il dispositivo registra una massa di ferro di soli 0,56 mg a una distanza fino a 5,8 mm, ovvero circa 100 volte inferiore alla dose raccomandata del tracciante; a concentrazioni più elevate, la distanza di lavoro aumenta a 14,6 mm. Il diametro della "testa" del sensore non supera i 10 mm, quindi può essere installato su endoscopi e laparoscopi.

Contesto dello studio

La biopsia del linfonodo sentinella (SLNB) è lo standard per la stadiazione del carcinoma mammario in fase iniziale e di numerosi altri tumori: i "primi" linfonodi lungo il drenaggio linfatico vengono rimossi per capire se il tumore è penetrato nel sistema linfatico, evitando una dissezione più traumatica. La navigazione classica prevede un radioisotopo + colorante blu, ma il metodo presenta i suoi svantaggi: logistica radiologica, finestre temporali limitate, rare reazioni allergiche e limitazioni per le procedure mini-invasive. Pertanto, si stanno attivamente sviluppando alternative, come gli ossidi di ferro superparamagnetici (SPIO), ad esempio il tracciante clinico MagTrace®, approvato da NICE e FDA in combinazione con la sonda Sentimag. Questi marcatori possono essere introdotti minuti o settimane prima dell'intervento chirurgico, rimangono nei linfonodi e sono visibili con sensori magnetici in sala operatoria.

Tuttavia, le sonde magnetiche esistenti sono in genere dispositivi portatili dotati di un magnete permanente e di un sensore Hall: funzionano, ma la sensibilità e il fattore di forma ne limitano l'uso in endoscopia e laparoscopia, e la soglia di rilevamento incoraggia l'uso di iniezioni di tracciante a dose piena. Lo strumento ideale per il chirurgo è una sonda miniaturizzata, sterile e compatibile, in grado di "vedere" quantità molto piccole di SPIO a distanze centimetriche e di funzionare senza grandi magneti magnetizzanti.

In questo contesto, i sensori quantistici su diamante sembrano rappresentare una piattaforma promettente: i centri di azoto-vacanza (NV) nel diamante consentono la lettura ottica del campo magnetico (ODMR) a temperatura ambiente, senza criogeni; i dispositivi possono essere realizzati in fibra ottica, portando laser e rilevatori fuori dalla zona sterile. Negli ultimi anni, magnetometri NV compatti sono stati dimostrati per applicazioni biomediche, inclusa la registrazione di segnali da nanoparticelle magnetiche. Articoli di revisione sistematizzano le modalità per aumentare la sensibilità e confermano il potenziale del diamante NV come piattaforma per magnetometri applicati.

Un nuovo sviluppo dell'Università di Warwick colma questa lacuna: è stato presentato un magnetometro endoscopico a diamante NV che rileva il tracciante clinico MagTrace®. Il prototipo rileva una massa di ferro fino a 0,56 mg a una distanza fino a 5,8 mm (circa 100 volte inferiore alla dose raccomandata) e funziona con concentrazioni fino a 2,8 mg/ml a una distanza fino a 14,6 mm; il diametro della "testa" del sensore ≤10 mm è compatibile con endoscopi e laparoscopi. Se questi parametri saranno confermati in vivo, la tecnologia può ridurre le dosi di tracciante richieste, semplificare la navigazione nella chirurgia mini-invasiva e ridurre la dipendenza dai radioisotopi. Per ora, si tratta di un prototipo di laboratorio in attesa di calibrazione su tessuto vivente e di un confronto diretto con i sistemi esistenti, ma il percorso "quantistico" verso la clinica è già visibile.

Come funziona

All'interno del sensore è presente un microcristallo di diamante con impurità NV. Un laser verde e un segnale a microonde sintonizzano i centri NV, e la loro luminescenza cambia quando entrano in un campo magnetico. Questa lettura a risonanza ottica (ODMR) offre un'elevata sensibilità a temperatura ambiente, senza criogeni e superconduttori. Nel nuovo dispositivo, la "testa" di diamante è collegata tramite fibra ottica al resto dell'ottica: tutta l'elettronica pesante rimane al di fuori del campo sterile e solo un sensore miniaturizzato viene portato al paziente, una soluzione pratica per la sala operatoria.

Perché i chirurghi oncologi ne hanno bisogno?

Nel cancro al seno (e in molti altri tumori), è importante che il chirurgo individui e rimuova accuratamente i linfonodi sentinella, ovvero quelli in cui le cellule tumorali si diffondono per prime. I traccianti magnetici a base di ossido di ferro superparamagnetico rappresentano un'alternativa sicura ai radioisotopi e ai coloranti (con rischi anestetici e allergici). Un sensore quantistico al diamante aggiunge delicatezza e compattezza a questa tecnica: più bassa è la soglia di rilevamento e più piccolo è il sensore, prima e più facilmente è possibile vedere la "traccia magnetica" del linfonodo, anche con procedure endoscopiche.

Fatti e cifre chiave

• Soglia di massa del ferro: 0,56 mg rilevati a una distanza fino a 5,8 mm (≈100× inferiore alla dose raccomandata).
• Soglia di concentrazione: 2,8 mg/ml (≈20 volte inferiore a quella raccomandata) - con una distanza di lavoro fino a 14,6 mm.
• Dimensioni del sensore: “testa” ≤10 mm di diametro - compatibile con endoscopia/laparoscopia.
• Applicazione: rilevamento del tracciante di ossido di ferro MagTrace™ (Endomag/Endomagnetics) nella chirurgia mammaria.

In che cosa si differenzia dalle sonde esistenti?

Attualmente, le sale operatorie utilizzano sensori magnetici manuali con un magnete permanente e un sensore Hall: hanno dimostrato la loro funzionalità, ma la loro sensibilità e il loro formato sono limitati. Magnetometro Diamond NV:

• funziona senza magnetizzazione tramite magneti massicci,
• legge campi deboli da piccole quantità di tracciante,
• si adatta a un fattore di forma endoscopico,
• consente di rimuovere la fibra ottica al di fuori della zona sterile.

Cosa significa questo per il paziente (e per la sala operatoria)?

In uno scenario ideale, il chirurgo ottiene un "puntatore quantistico": avvicinando una sonda sottile al tessuto, vede dove la traccia magnetica del tracciante è più forte e cerca lì il linfonodo sentinella. Questo può:

• ridurre i tempi di ricerca e il volume dei tagli;
• ridurre la dose del tracciante somministrato (mantenendo l'affidabilità);
• assistere negli interventi minimamente invasivi - al torace, all'addome, al bacino;
• ridurre la dipendenza dai radioisotopi e dalla logistica della marcatura nucleare.

Contesto e valutazioni indipendenti

La pubblicazione su Physical Review Applied è open access e con licenza CC BY 4.0; l'Università di Warwick ha pubblicato un comunicato stampa, "Diamanti che aiutano a individuare il cancro", evidenziando la portabilità e il diametro endoscopico della sonda. Pubblicazioni specializzate per medici e ingegneri sottolineano che la sensibilità al di sotto delle dosi cliniche rappresenta un passo importante verso una vera sala operatoria.

Cos'altro deve essere controllato (un elenco onesto di cose da fare)

• Sterilità ed ergonomia: “coperture” monouso, fissaggio agli endoscopi, praticità per gli assistenti.
• Calibrazioni nei tessuti viventi: l'influenza del sangue, del grasso, della profondità dei nodi e degli strumenti metallici sul segnale.
• Confronti diretti: rispetto alle attuali sonde magnetiche e alla navigazione con radionuclidi, in termini di precisione, tempo e "falsi bersagli".
• Percorso normativo: standard EMC e base di evidenza per l'approvazione in diversi paesi.

Perché i centri diamanti e NV

I centri NV hanno sensibilità quantistica ai campi magnetici e capacità di lettura del segnale ottico: questa combinazione consente di realizzare sensori compatti e stabili che funzionano a temperatura ambiente. Questo è fondamentale per la medicina: assenza di criogeni, avvio rapido, modularità (laser e fotodiodo vengono rimossi dal paziente tramite fibra ottica), potenziale di scalabilità in lotti clinici.

Conclusione

Il nuovo magnetometro endoscopico a diamante "vede" con sicurezza la traccia magnetica di un tracciante clinico a dosi inferiori al normale e si adatta a un fattore di forma di 10 mm. Se i prossimi test confermeranno la stabilità nell'ambiente operatorio, i chirurghi avranno a disposizione un assistente quantistico, compatto e delicato per la ricerca dei linfonodi sentinella, dagli interventi chirurgici a cielo aperto alla laparoscopia e all'endoscopia. Questo è un raro caso in cui la sensoristica quantistica è quasi pronta a varcare la soglia di una vera clinica.

Fonte: AJ Newman et al. Magnetometro endoscopico a diamante per la chirurgia oncologica. Physical Review Applied 24, 024029 (12 agosto 2025). DOI: https://doi.org/10.1103/znt3-988w