Ieri, 15 Febbraio 2010, è stato inaugurato a Pavia il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO). Il primo centro in Italia, e il secondo in Europa, progettato per eseguire trattamenti sia con protoni che con ioni carbonio. La realizzazione di questo centro è stata resa possibile grazie a un acceleratore di particelle realizzato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Si tratta di una macchina denominata “sincrotrone” e il cui progetto deriva dall’esperienza maturata nelle attività di indagine sui costituenti primi della materia condotte istituzionalmente dall’INFN. Possiamo dire che il 90% di questo sincrotrone, nel quale circoleranno i fasci di protoni e ioni carbonio con cui curano una vasta classe di tumori, è stato infatti realizzato grazie alle conoscenze e ai ricercatori dell’INFN, sulla scia del progetto pionieristico promosso dalla Fondazione TERA, promossa dal professor Ugo Amaldi.

In realtà questa non è la prima esperienza di adroterapia a cui l’INFN contribuisce. Infatti l’istituto già dal 2002 l'INFN sperimenta presso i suoi Laboratori del Sud, a Catania, limitatamente alla cura dei soli tumori dell’occhio, l’uso di protoni prodotti da un acceleratore. In questo caso si tratta di un ciclotrone superconduttore, totalmente realizzato dall’INFN.

L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) oltre ad occuparsi della ricerca di base in fisica del nucleo e delle particelle, fra i suoi scopi istituzionali ha il mandato di occuparsi delle applicazioni di queste discipline.  Un settore importante dove questa fisica trova applicazione è quello medico e in particolare è di grandissimo interesse il capitolo dell’ “adroterapia”. Con questo termine si intende l’uso di una certa classe di particelle per la cura dei tumori. Le particelle denominate “adroni” sono quelle che sono soggette alla forza nucleare, quali il protone, il neutrone, ma anche i nuclei atomici.

In particolare gli adroni dotati di carica elettrica, quale il protone o i nuclei atomici (ioni) possono essere opportunamente accelerati e focalizzati su un bersaglio tumorale all’interno del corpo umano, ottenedo una certa serie di vantaggi rispetto alla radioterapia più convenzionale, che fa uso di particelle leggere, quali gli elettroni, oppure i fotoni (raggi X) prodotti a loro volta da elettroni accelerati.

L’adroterapia è una tecnica sviluppata solo in tempi recenti per la cura dei tumori e al momento rappresenta una terapia aggiuntiva e non sostitutiva di quelle convenzionali. Come detto all’inizio ciò che la contraddistingue è il tipo di particelle impiegate, che sono più pesanti di quelle usate nella radioterapia. L'uso di adroni offre principalmente vantaggi in termini di efficacia e di precisione.

L'efficacia è dovuta al fatto che queste particelle pesanti rilasciano la maggior parte dell’energia alla fine del loro percorso, ovvero prorio sul bersaglio tumorale, minimizzando i danni nei tessuti sani.

La precisione nel colpire il bersaglio desiderato deriva dalla possibilità di controllare con precisione la loro energia e il loro percorso.

L’elevato rilascio di energia nella cellula malata da parte di un adrone riesce a produrre danni multipli non riparabili al DNA, ottenendo quindi la distruzione dei tessuti carcinosi e impedendo la loro replicazione. Adroni diversi hanno un diverso grado di efficacia nell'azione sulla cellula malata. La scelta fra protoni e ioni carbonio dipende dal tipo di tumore e dalla situazione clinica del paziente.

Ecco come vengono prodotte e impiegate le particelle nell'adroterapia. I fasci di protoni e ioni carbonio nascono da due zone interne alla circonferenza del sincrotrone, le “sorgenti”.  Si tratta di plasma in cui vengono iniettati dei gas i cui atomi perdono (a contatto col plasma) gran parte degli elettroni. Con campi magnetici e radiofrequenze, si estraggono e si selezionano i protoni e gli ioni di carbonio. Nascono allora i “pacchetti” di fasci composti, ognuno, da un minimo di 10 miliardi a un massimo di 10.000 miliardi di particelle. In partenza i pacchetti di protoni viaggiano a circa 30.000 chilometri al secondo ma nella fase di massima energia (quando sono a 250 MeV)  raggiungono i circa 183.000 chilometri al secondo. Gli ioni carbonio arrivano, nel momento di massima energia (400 MeV), a circa 213.000 chilometri al secondo.

Dopo essere stati accelerati e aver raggiunto l'energia richiesta dalla terapia, i fasci vengono poi estratti ed inviati alle sale di trattamento (al CNAO sono 3).

Il fascio di particelle che colpisce le cellule malate è un “pennello” che si muove in modo simile a quello degli elettroni nel tubo a raggi catodici di un televisore e agisce con una precisione di 200 micron (due centesimi di millimetro). Questa precisione deve essere garantita da un monitoraggio continuo a quattro dimensioni del paziente: 3 dimensioni spaziali, più la loro variazione nel tempo per seguire eventuali movimenti del corpo (il respiro, ad esempio) che possono cambiare la posizione del tumore. La scansione della zona da colpire, cioè la sagoma del tumore, è ottenuta da opportuni campi magnetici che vengono operati sulla base delle indicazioni del monitoraggio.

Questa estrema precisione del sincrotrone è il frutto della ricerca nella fisica delle alte energie. Non a caso, la macchina, un prototipo, è stata realizzata grazie alla collaborazione dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) assieme a CERN, GSI (Germania) e  LPSC (Francia).

Il CNAO si appresta ora ad iniziare la fase cosiddetta di “sperimentazione clinica”. In questo periodo, prima di arrivare a sperimentare il trattamento su un campione di pazienti, occorrerà caratterizzare e qualificare tutto il procedimento. Anche in questa fase l’apporto dei ricercatori INFN sarà importante per il contributo alle misure di dosimetria, alla sperimentazione radiobiologica su tessuti in vitro e nelle simulazioni necessarie per avviare il calcolo dei piani di trattamento.

Per finire vale la pena sottolineare che la collaborazione con il CNAO non è l’unico caso rilevante di contributo dell’INFN alle applicazioni medicali della fisica nucleare. Sempre per quanto riguarda l’adroterapia, gruppi INFN stanno lavorando allo sviluppo di piani di trattamento innovativi per la terapia con il carbonio. Ci sono esempi di lavori importanti anche in campi diversi dall’adroterapia. Di particolare rilevanza sono i lavori in corso da oltre un decennio sull’analisi delle immagini diagnostiche e sulla creazione di databases diagnostici distribuiti, con particolare riferimento alle mammografie, alle TAC polmonari e all’analisi delle risonanze magnetiche cerebrali.

A ciò possiamo anche aggiungere il lavoro di ricerca e sviluppo su un altro tema riconducibile al concetto di adroterapia: la BNCT, ovvero “Boron Neutron Capture Therapy”, cioè terapia mediante la cattura di neutroni su nuclei di boro.