Conoscienza - Master in Comunicazione delle Scienze - Università degli Studi di Padova
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Grandi acceleratori di particelle al servizio della salute
di Paolo Colautti, 19/10/2008


La materia ordinaria è composta di atomi, che a loro volta sono composti da elettroni, protoni e neutroni. I protoni ed i neutroni vengono chiamati anche adroni perché quando sono molto vicini si attraggono fortemente (dal greco adrós = forte). Gli adroni carichi elettricamente come i protoni ed i nuclei atomici possono essere accelerati fino a velocità prossime a quelle della luce con macchine elettriche come quella entrata recentemente in funzione presso il laboratorio europeo CERN di Ginevra.

Adroni accelerati fino a raggiungere le più alte energie vengono usati come strumenti di laboratorio per studiare come è fatta la materia, per cercarne le componenti prime e le loro caratteristiche elementari. I fisici hanno però scoperto che gli adroni carichi, quali i protoni ed i nuclei di carbonio, possono essere usati anche per curare i tumori. Se essi vengono “sparati” con precisione contro un tumore posizionato in profondità nel corpo di un paziente, essi lo raggiungono attraversando lo strato di tessuto sano. Appena essi entrano nel tessuto cominciano a frenare: prima debolmente, poi sempre più fortemente, fino a rilasciare la maggior parte della loro energia nel tratto terminale del loro tragitto, cioè nella massa tumorale. Usando fasci di adroni carichi è perciò possibile distruggere un tumore ben definito, posizionato a qualsiasi profondità nel tessuto umano, senza necessità di aprire chirurgicamente il paziente.

Ma certi tumori non sono spazialmente ben definiti. Essi si infiltrano nel tessuto sano, disseminandolo di cellule tumorali. In questi casi l'asportazione o la distruzione del tumore visibile non impedisce purtroppo la ricrescita del tumore stesso a partire dalle cellule che si erano infiltrate nel tessuto sano. Un esempio è il melanoma maligno della pelle. In questi casi servirebbe una “radioterapia cellulare”, cioè una radiazione capace di distruggere selettivamente solo le cellule tumorali, senza danneggiare quelle sane. È da alcuni decenni che i fisici, in collaborazione con medici, biochimici e biologi, stanno cercando di sviluppare un'adroterapia che si basi sulla cattura neutronica del 10B, l'isotopo del boro composto da 5 protoni e da 5 neutroni.

Questa radioterapia che in inglese si chiama "boron neutron capture therapy" o BNCT, avviene in due fasi. Prima si inietta nel paziente una sostanza che contiene 10B e che si concentra in modo specifico nelle cellule tumorali, quindi si irradia la zona invasa dal tumore con neutroni di bassissima energia o “termici”. Tali neutroni penetrano nel tessuto provocando danni minori, finché uno di essi incontra un atomo di 10B. A questo punto avviene una reazione nucleare: il neutrone penetra nel nucleo di 10B che esplode spezzandosi in un nucleo di elio ed uno di litio (quest'ultimo emetterà poi a sua volta un fotone di alta energia o raggio gamma). L'effetto terapeutico è dovuto al fatto che l'azione distruttiva degli ioni litio ed elio si limita alla cellula tumorale, essendo la loro energia sufficientemente alta da distruggere la cellula tumorale stessa, ma non così alta da poterne uscire per danneggiare le cellule sane.

La BNCT è ormai una realtà importante nel panorama scientifico mondiale e italiano. Attualmente ha grande rilevanza la sua applicazione clinica (essenzialmente in Finlandia, Giappone e Argentina) dove sta dando importanti successi in termini sia di controllo del tumore sia di allungamento della sopravvivenza dei pazienti. Finalmente, dopo anni in cui tutti gli sforzi sono stati dedicati al trattamento del Glioblastoma Multiforme (tumore ancora considerato incurabile), la BNCT si profila come l’unica opzione nel caso di alcune patologie recidivanti, quali il carcinoma della testa e del collo, il melanoma della pelle, e le metastasi diffuse al fegato. I Finlandesi, per esempio, hanno recentemente pubblicato un lavoro in cui oltre il 50% di pazienti, aventi tumori recidivanti del capo-collo e che ormai non rispondevano a nessun tipo di terapia, hanno avuto una risposta completa ad un trattamento con BNCT; fra il 2007 e il 2008 sono stati trattati circa 100 pazienti di questo tipo.

I recenti risultati sono così incoraggianti che non si contano i gruppi di ricerca che in tutto il mondo iniziano nuovi progetti di ricerca e potenziano i mezzi in questa direzione, coinvolgendo università, ospedali, fondazioni, e compagnie private. Ne sono prova i più di 200 contributi che sono arrivati alla segreteria del XIII International Congress on Neutron Capture Therapy che si terrà a Firenze dal 2 al 7 novembre prossimi. I lavori presentati, tutti di alto livello scientifico, sono distribuiti in tutte le aree scientifiche coinvolte in questo tipo di ricerca: medicina, fisica, biologia, chimica, ingegneria.

Parallelamente all’aspetto clinico, esiste un’altra grande tematica nel mondo della BNCT: le sorgenti neutroniche. I reattori nucleari di ricerca infatti, gli unici strumenti che oggi siano in grado di fornire gli alti flussi neutronici necessari alla BNCT, difficilmente potranno in futuro entrare dentro un ospedale. È chiaro quindi che il futuro di questa terapia è legato al successo che avranno le ricerche sullo sviluppo di sorgenti neutroniche basate su acceleratori di particelle che hanno il vantaggio di porre minori problemi di sicurezza, di essere più versatili, meno costosi e infine di poter essere installati anche dentro gli ospedali. Istituti di ricerca in Belgio, Inghilterra, Argentina, Giappone sono impegnati da tempo nello studio di sorgenti neutroniche per BNCT basate su acceleratori. Crescente è anche l’interesse di tipo commerciale: diverse ditte internazionali stanno proponendo macchine potenzialmente adatte alla BNCT, magari accoppiate alla produzione di radioisotopi per la diagnostica PET.

In Italia, presso i laboratori di Legnaro (vicino a Padova), l'Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) ha un progetto ambizioso: realizzare la più intensa sorgente neutronica mai costruita basata su un acceleratore di protoni per poter curare i melanomi maligni della pelle con la BNCT. Per produrre i neutroni desiderati, si sfrutterà un’altra reazione nucleare, quella che si ha quando dei protoni di qualche MeV di energia colpiscono un bersaglio di berillio. Il nucleo composto che si viene a formare è instabile e può spezzarsi in vari modi. Tra i prodotti delle varie reazioni possibili ci sono anche i neutroni. Si ottiene così di convertire protoni in neutroni. L’efficienza di conversione però è bassa: servono 10.000 protoni per produrre un 1 solo neutrone. Occorre perciò avere un flusso molto intenso di protoni. L'idea che si è avuta a Legnaro è stata quella di utilizzare un acceleratore di protoni basato su un quadrupolo a radiofrequenza o RFQ. Gli RFQ sono infatti in grado di accelerare fasci estremamente intensi di particelle cariche.

Una volta accelerati fino a 5 MeV di energia, i protoni vengono trasportati all'interno di un tubo, in cui è stato fatto il vuoto, verso il bersaglio di berillio, che, a causa delle reazioni nucleari generate dall'impatto, emetterà 1014 neutroni al secondo. Il bersaglio di berillio non è un semplice pezzo di metallo, ma un sofisticato strumento termomeccanico che deve dissipare un'enorme potenza senza danneggiarsi. Infatti il fascio di protoni ha una potenza di 150 kW (quella di un motore di più di 200 cavalli) che si scarica sul bersaglio trasformandosi quasi tutta in calore, poiché meno di un decimillesimo di tale potenza viene usata per generare i neutroni. In neutroni emergenti sono però troppo veloci per essere usati direttamente. Per fargli perdere tutta l'energia che hanno e nello stesso tempo incanalarli verso la “porta” a cui viene affacciato il tumore da trattare, si usano strati di materiali diversi combinati in modo opportuno.

Al progetto dell'INFN partecipano anche biologi e fisici dell'università di Padova e medici dello IOV (Istituto oncologico veneto). Infatti, mentre a Legnaro si sta costruendo la sorgente neutronica, a Padova si sviluppano nuove bio-molecole contenenti 10B con un'alta capacità di essere assorbite dalle cellule tumorali. Si sviluppano anche rivelatori di radiazione innovativi che serviranno a pilotare i medici nella progettazione dei piani terapeutici. Si sta studiando infine la possibilità di accoppiare alla BNCT la PDT (terapia fotodinamica), progettando molecole che, oltre a trasportare il 10B, diventino a loro volta tossiche quando vengono illuminate da un fascio di luce di lunghezza d'onda opportuna. In tal modo, irradiando il tumore prima con un fascio laser e poi con neutroni, si spera di avere un effetto terapeutico aumentato.

Paolo Colautti è il coordinatore del progetto BNCT dei Laboratori Nazionali di Legnaro





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