Paperfuge, la centrifuga di carta super low-cost ispirata alle trottole

Sul bancone di ogni laboratorio non può decisamente mancare uno degli strumenti più utili nella quotidianità di un ricercatore: la centrifuga. Si tratta di uno strumento progettato per produrre una forza centrifuga molto maggiore della gravità terrestre, facendo girare il campione attorno a un asse centrale; le particelle contenute nel campione, di dimensioni, forma e densità diverse, sedimenteranno a velocità differenti a seconda della velocità di rotazione e della distanza dall’asse centrale. A seguito della separazione si potranno poi condurre dei test diagnostici: ad esempio, viene utilizzata per separare il sangue nelle sue diverse componenti, sulle quali si possono così effettuare specifiche analisi.

Nonostante per la gran parte dei laboratori la centrifuga sia un oggetto di uso comune, in molte parti del mondo, specie quelle più povere e rurali, non è così: le centrifughe commerciali sono considerate troppo costose, ingombranti e soprattutto alimentate ad energia elettrica, che in queste aree spesso non è disponibile. Da questa considerazione è nata un’idea tanto semplice quanto geniale, che potrebbe davvero rivoluzionare la diagnostica di laboratorio nei paesi in via di sviluppo: “paperfuge”, una centrifuga di carta azionata con il semplice uso delle mani.

Cresciuto in India, Manu Prakash si divertiva a giocare con una trottola, ricavata usando un tappo di bottiglia che faceva ruotare attorno a due stringhe che tirava con le dita: oggi il Dott. Prakash è biologo alla Standford University, in California, e si è ingegnato per trasformare questo semplice gioco in uno strumento estremamente a basso costo che potrebbe aiutare a diagnosticare importanti malattie quali la malaria, l’HIV e la tubercolosi.

Prakash ha iniziato questo progetto, i cui risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Biomedical Engineering, dopo un viaggio in Uganda nel 2013. Mentre lui e il suo team visitavano diverse cliniche, aveva notato che la maggior parte di loro non possedeva una centrifuga da banco – o mancava dell’elettricità necessaria per farla funzionare – e perciò erano incapaci di separare i campioni di sangue per effettuare semplici diagnosi di base. Commenta Prakash: “Addirittura una clinica utilizzava la sua centrifuga come fermaporta”: la mancanza di elettricità la rendeva inutile. “Tornati dall’Africa ci siamo chiesti, ‘È possibile creare una centrifuga senza elettricità, sfruttando solo la potenza umana?””.

Prima di loro, altri ricercatori avevano avuto l’intuizione di usare centrifughe per insalata e fruste elettriche come centrifughe a basso costo, ma queste apparecchiature “di fortuna” consentivano di ottenere velocità di rotazione alquanto basse, circa 1.200 rivoluzioni per minuto (r.p.m.), e richiedevano tempi troppo lunghi per processare i campioni. Sperando di fare meglio, il team di Prakash si è dedicato allo shopping sfrenato in un negozio di giocattoli, collezionando ogni sorta di gioco rotante e filmando il loro funzionamento con una videocamera ad alta velocità. “Abbiamo osservato, ad esempio, che gli yo-yo ruotano troppo lentamente (e in ogni caso richiedono un certo tipo di allenamento per poter essere usati correttamente). Le trottole invece sono contemporaneamente semplici da usare e raggiungono velocità di 10.000 r.p.m., come quelle di una centrifuga commerciale”.

Affascinati dalla performance della trottola, i ricercatori hanno iniziato ad esplorare la matematica che vi sta alla base, nella speranza di potervi apportare dei miglioramenti utili in ambito clinico. Dai video analizzati è emerso che non solo i fili del giocattolo si arrotolano l’uno sull’altro, ma formano anche dei superavvolgimenti simili a quelli che si trovano nel DNA. Risolvendo le equazioni che descrivono le forze che generano i superavvolgimenti, i ricercatori hanno trovato le caratteristiche per una trottola ideale – dalla grandezza del disco di carta allo spessore dei fili – capace di ruotare fino a un milione di volte al minuto.

Le mani umane non sono capaci di far ruotare il gioco abbastanza velocemente da raggiungere un limite teorico così elevato; tuttavia, un nuovo design creato nel laboratorio di Prakash ha permesso di raggiungere i 125.000 r.p.m., cioè oltre 2.000 rotazioni al secondo – un risultato straordinario, tanto da essere stato sottoposto al Guinness World Records lo scorso anno come strumento più veloce a ruotare per mano umana.

“Ciò che rende questo strumento veramente speciale è che richiede una strumentazione ridicolmente semplice, qualcosa che era davvero nascosto sotto il nostro naso, e si rivela invece superbamente utile” commenta Tadashi Tokieda, un matematico applicato all’Università di Cambridge, Regno Unito. Dopo aver ottimizzato la trottola, Prakash e il suo team hanno montato dei tubi di plastica per mantenere campioni di sangue sul supporto di carta. Il prototipo finale, soprannominato “paperfuge” (un incrocio tra “paper”, carta, e “centrifuge”, centrifuga), può separare il plasma dal sangue intero in 90 secondi e isolare il parassita della malaria in soli 15 minuti.

Le sfide che attendono paperfuge non sono poche: Prakash ha stretto un accordo con l’associazione sanitaria no-profit PIVOT a Boston, Massachusetts, per un trial clinico in Madagascar, che valuterà non solo la semplicità d’utilizzo dello strumento, ma anche la sua durabilità e l’affidabilità a confronto delle centrifughe commerciali. Per esempio, bisognerà valutare se gli operatori sanitari saranno disposti a impiegare tutto quel tempo per azionare l’innovativa centrifuga. “Non sappiamo ancora se paperfuge funzionerà” dice Matt Bonds, cofondatore di PIVOT ed economista alla Harvard University di Cambridge, Massachusetts. “Ci vorranno evidenze schiaccianti per convincere le persone ad abbandonare le centrifughe moderne, ma avere a disposizione una paperfuge come alternativa potrebbe davvero aprire un mondo di nuove possibilità”.