Curare i tumori con un acceleratore di particelle

Nel 1946 Robert Wilson si rese conto che una particolare proprietà delle particelle pesanti poteva essere sfruttata per distruggere le cellule tumorali. Wilson era all’epoca considerato uno dei “maestri” degli acceleratori di particelle e, dopo aver collaborato al Progetto Manhattan, stava costruendo un ciclotrone alla Università di Harvard. Le particelle dotate di carica elettrica, come per esempio protoni ed elettroni, quando attraversano un materiale perdono energia. Questa energia ionizza gli atomi del materiale attraversato e, come tutte le radiazioni ionizzanti, può distruggere il DNA di una cellula. Al di sopra di una certa dose, le radiazioni ionizzanti uccidono la cellula, e possono quindi essere usate per uccidere anche una cellula tumorale: l’unica difficoltà è far sì che il nostro fascio di particelle colpisca il tumore senza distruggere i tessuti circostanti… più facile a dirsi che a farsi, ma non impossibile.

La perdita di energia di una particella nella materia dipende sia dal materiale attraversato che dall’energia della particella stessa: in particolare, quando l’energia scende al di sotto di un certo valore, la ionizzazione diventa molto intensa e la particella si ferma in pochi millimetri. La dipendenza dall’energia della ionizzazione prodotta deriva da un sacco di fattori, per cui non la descriveremo nel dettaglio, quello che vogliamo sottolineare è proprio questa proprietà: negli ultimi millimetri, si ha il rilascio di quasi tutta l’energia iniziale e, conoscendo i tessuti che si devono attraversare prima di arrivare al tumore, si può regolare l’energia per arrivare alla profondità giusta.

A sinistra, il rilascio di energia per un protone in diverse sostanze: si vede a sinistra come, per energie più basse, questo aumenti molto (immagine Particle Data Group). A destra, il rilascio di energia di un protone di 110MeV di energia in acqua, in funzione della profondità: si vede a destra il "picco di Bragg", dove la maggior parte dell'energia viene rilasciata, negli ultimi millimetri del cammino del protone (immagine CERN-Geant4)

A sinistra, il rilascio di energia per un protone in diverse sostanze: per energie più basse, il rilascio di energia aumenta molto (fonte: Particle Data Group). A destra, il rilascio di energia di un protone di 110MeV di energia in acqua, in funzione della profondità: si vede a destra il “picco di Bragg”, dove la maggior parte dell’energia viene rilasciata, negli ultimi millimetri del cammino del protone (immagine CERN-Geant4)

Da allora, diversi acceleratori sono stati costruiti (o riadattati) per consentire di provare questa idea. I primi tentativi sono stati fatti con acceleratori “presi in prestito” dalla fisica delle particelle, a Berkeley, in California, nel 1954 e a Uppsala, in Svezia, nel 1957. Nel 1961 il Massachusetts General Hospital siglò un contratto con l’Harvard Cyclotron Laboratory e nei 41 anni successivi usò particelle accelerate per trattare oltre 9000 pazienti.

Nei primi anni del XXI secolo sono state costruite le prime macchine dedicate al trattamento dei tumori, la maggior parte delle quali usano protoni, ma anche ioni di carbonio. Tra queste, spicca il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica di Pavia, il primo in Italia e il quarto nel mondo. Aperto nel 2011, era all’epoca il più evoluto dei centri di questo tipo nel mondo. Il CNAO usa un sincrotrone capace di accelerare sia protoni che ioni carbonio, in grado di trattare tumori fino a una profondità di 27 cm.

Il sincrotrone del CNAO (immagine del CNAO)

Il sincrotrone del CNAO (immagine del CNAO)

Nel frattempo sono stati aperti nuovi centri e attrezzati laboratori esistenti per poter ospitare sempre più pazienti: un centro di trattamento dei tumori, infatti, ha esigenze e caratteristiche molto diverse rispetto a un laboratorio per la fisica delle particelle. C’è bisogno di strutture di accoglienza, personale opportunamente formato e anche di apportare modifiche alle macchine. Per evitare danni ai tessuti non tumorali, soprattutto, è fondamentale avere un’ottica molto accurata per il fascio. Sia la precisione con cui definiamo l’energia delle particelle (e quindi la profondità a cui andiamo a operare) che la nostra capacità di focalizzare il fascio e renderlo il più “stretto” possibile, sono fondamentali. Inoltre, è preferibile avere un sistema di “scansione”, che muova il fascio in tutto il volume delle cellule tumorali molto velocemente, per evitare che i tessuti si scaldino localmente. Infine, un grande sforzo viene fatto per avere un modello accurato dei tessuti del paziente, in modo da poter calcolare la giusta energia “personalizzata”, perché lo spessore delle ossa, le cavità interne del nostro corpo e la distribuzione di grasso e muscoli sono diversi per ciascuno di noi.

Ciò che rende davvero unica questa terapia è che va a intervenire su un tumore anche quando il paziente non può essere operato e quando non si hanno risultati con le terapie tradizionali. Nei primi 4 anni di attività, il CNAO ha curato quasi 400 pazienti (quasi tutti quest’anno, i primi anni sono stati di test e validazione), mentre circa 3000 sono in lista di attesa. Per determinati tumori, come ad esempio quelli oculari, è attiva una convenzione tra l’Azienda Ospedaliera Cannizzaro di Catania con i Laboratori Nazionali del Sud dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, mentre è imminente l’apertura del nuovo ATREP di Trento, il secondo centro dedicato in Italia per i trattamenti adroterapici. A fine 2013 si potevano contare 51 centri di adroterapia in tutto il mondo, molti dei quali ospitati da laboratori di fisica delle particelle.

Pochi giorni fa è rimbalzata sui giornali la notizia del rischio di chiusura per il CNAO. A quanto si legge, l’assottigliamento progressivo dei finanziamenti a questo istituto sta mettendo a rischio la sua stessa sopravvivenza. Se fossimo negli Stati Uniti, potremmo aspettare che qualche miliardario benefattore facesse una grossa donazione, ma questa non sembra una pratica tanto frequente dal nostro lato dell’Atlantico. Per questo, un folto gruppo di scienziati ha già firmato una lettera rivolta alle più alte cariche dello Stato perché il CNAO, pienamente operativo da un anno, dopo 12 anni di progettazione e costruzione e 3 anni di sperimentazione, possa continuare a operare ancora per molti anni a venire.

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Author: Andrea Bersani

Fisico delle particelle, tecnologo all’INFN un po’ per tutte le stagioni. È molto curioso, soprattutto di cose che non gli serviranno mai sul lavoro.

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  • In passato ho (da fisico) lavorato nel settore, facendo parte del team che ha sviluppato l’acceleratore (e tutto il sistema, in realtà, non solo l’acceleratore) per l’RPTC di Monaco di Baviera.
    Veramente un tema affascinante (e non solo per le applicazioni mediche, anche se chiaramente queste sono preminenti).
    Ottimo che ne scrivete: nonostante in Italia tale applicazione esista da anni (per esempio i Laboratori Nazionali del Sud a Catania lavorano da tempo nel settore), se ne parla troppo poco.
    Grazie per l’articolo.
    Saluti,
    Mauro.

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  • Paolo

    Un bel po’ di anni fa l’impiego di fasci di protoni nella radioterapia dei tumori è stato l’argomento della mia tesi di laurea in Fisica Medica sviluppata presso i Laboratori dell’INFN di Legnaro (Padova).
    Una tecnica che, nonostante le ottime caratteristiche, gli ottimi risultati e l’invasività praticamente nulla, non ha avuto lo sviluppo che avrebbe meritato.
    Il rischio chiusura dei centri come quello di Pavia è un problema soprattutto italiano. Qui da noi, soprattutto chi sta a Roma non comprende la grande importanza di questi istituti di eccellenza scientifica e culturale. Si trovano fondi per ogni genere di cose e mi sembra impossibile che non si trovino per questi centri di trattamento oncologico.

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