La Fisica Nucleare per la Medicina: una nuova frontiera per la cura dei tumori

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1 G. Battistoni La Fisica Nucleare per la Medicina: una nuova frontiera per la cura dei tumori Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Milano

2 Fisica e Medicina L interazione fra fisica e medicina si è dimostrata particolarmente feconda fin dagli albori della fisica subatomica, rafforzandosi poi man mano che progredivano la fisica del nucleo e delle particelle elementari. Al dialogo fra queste discipline si deve l impiego di indispensabili strumenti di diagnosi e di cura, quali i raggi X, la risonanza magnetica e molti altri, fino alle più moderne strategie per combattere i tumori. La collaborazione fra fisica e medicina è tuttora di grande impatto non solo sulla società in genere ma anche sullo sviluppo di alcuni settori industriali. G. Battistoni 2

3 Un po di storia: la scoperta dei raggi X è in genere considerata l inizio del contributo della fisica moderna alla medicina l 8 novembre 1895, il fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen, durante degli esperimenti con l elettricità, scopre la radiazione elettromagnetica meglio nota come raggi X. Premio Nobel 1901 G. Battistoni 3

4 Fisica+Calcolo+Trattamento Immagini: la Tomografia Computerizzata Premio Nobel 1979 al fisico Cormack e ad Hounsfield, ingegnere. G. Battistoni 4

5 Utilizzo delle proprieta magnetiche dei nuclei atomici: la Risonanza Magnetica Nucleare Scoperta indipendentemente nel 1946 dai fisici Felix Bloch ed Edward Purcell, per cui ricevettero il Premio Nobel per la fisica nel 1952, tra il 1950 e il 1970 venne utilizzata primariamente nell'analisi della chimica molecolare e della struttura dei materiali. Nel 1971 Raymond Vahan Damadian descrive come tumori e tessuti sani si comportino in maniera differente all'rmn. G. Battistoni 5

6 L utilizzo dell antimateria: la PET L annichilazione elettrone-antielettrone (positrone) G. Battistoni 6

7 Fisica nucleare e delle particelle subatomiche Studio dei costituenti ultimi della materia e delle forze fondamentali che agiscono fra loro G. Battistoni 7

8 Quando le particelle attraversano la materia: le radiazioni ionizzanti p Quando una particella elettricamante carica passa in prossimita di un atomo, cede a questo parte della sua energia. L atomo può quindi essere ionizzato : almeno un elettrone viene espulso dall atomo G. Battistoni e - 8

9 le radiazioni ionizzanti in natura i raggi cosmici... materiali radioattivi G. Battistoni 9

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11 L effetto biologico delle radiazioni ionizzanti Quando una cellula viene irradiata gli atomi delle molecole che la compongono vengono ionizzati. Se in seguito a questo il DNA viene danneggiato, anche la cellula subisce un danno. Esiste una certa capacità di autoripararsi, ma a volte il danno può essere così grave da portare alla morte cellulare... G. Battistoni 11

12 Ricombinazione delle specie ioniche Riparazione Enzimatica del danno al DNA Effetti acuti Sindrome da radiazione Ionizzazione Formazione di radicali Danno al DNA Morte cellulare Effetti evolutivi Effetti tardivi Irradadiazione delle cellula Mutazioni Genetiche (al DNA) cellule germinali cellule somatiche Effetti ereditari trasformazioni oncogeniche Eccitazioni atomiche e molecolari Tumore calore SECONDO > MINUTI-ORE > GIORNI > SETTIMANE > MESI > ANNO > GENERAZIONI G. Battistoni 12

13 Esempio di danni al DNA e di aberrazione dei cromosomi Singola rottura del filamento Doppia rottura del filamento G. Battistoni 13

14 Come sfruttare vantaggiosamente l effetto biologico delle radiazioni ionizzanti? Indirizzando le radiazioni ionizzanti su cellule tumorali possiamo provocarne la morte e impedire la loro riproduzione La Radioterapia G. Battistoni 14

15 La Radioterapia Normalmente la radioterapia si effetta con elettroni o quanti (raggi) X prodotti da elettroni. Gli elettroni vengono portati all energia necessaria mediante una macchina acceleratrice: acceleratore lineare (LINAC) di elettroni La metà circa dei tumori sono trattati con radioterapia con quanti X In Italia circa pazienti all anno Circa il 40% di questi dopo 5 anni dal trattamento non mostrano più sintomi G. Battistoni 15

16 Produzione dei quanti X MeV? Cosa significa???? G. Battistoni 16

17 Come è fatto un acceleratore lineare di elettroni per radioterapia G. Battistoni 17

18 Terapia conformazionale G. Battistoni 18

19 Gli acceleratori di particelle sono strumenti inventati per la ricerca in fisica nucleare La loro applicazione in medicina è uno degli esempi di ricaduta diretta dell attività di ricerca in campo sociale G. Battistoni 19

20 Strategie della radioterapia Dose: è l energia media ceduta dalle radiazioni ionizzanti in una data unità di massa Si misura in Gray (Gy) 1 Gy= 1J/1Kg (fonte: Prof. U.Amaldi) G. Battistoni 20

21 Uso di fasci multipli (diverse direzioni) Anche: Modulazione delle intensità G. Battistoni 21

22 Esempi di soluzioni diverse adottate dai radioterapisti Possiamo pensare altre soluzioni per fare meno danno possibile ai tessuti sani e agli organi a rischio? (fonte: Prof. U.Amaldi) G. Battistoni 22

23 e se usassimo particelle pesanti al posto degli elettroni e dei fotoni? G. Battistoni 23

24 Gli adroni. Cosa sono? G. Battistoni 24

25 Una terapia radiante con adroni: adroterapia Robert Wilson proposta del 1946 G. Battistoni 25

26 (fonte: Prof. U.Amaldi) G. Battistoni 26

27 Si può andare meglio in profondità muovendo il fascio in X,Y e variandone l energia (profondità raggiunta) tutto il bersaglio puo essere efficacemente irradiato G. Battistoni 27 (fonte: Prof. U.Amaldi)

28 Riconsideriamo un esempio precedente la terapia con adroni risulta indicata per circa il 15% dei tumori oggi trattati con raggi X ma è piu costosa circa 20,000 Euro/trattamento conto i della radioterapia X piu sofisticata (fonte: Prof. U.Amaldi) G. Battistoni 28

29 Per quali tumori è indicata l adroterapia? Poter concentrare la dose è importante soprattutto nei casi in cui il tumore sia localizzato presso organi vitali che non devono essere irradiati Inizialmente indicata per tumori nella base cranica, fondo dell occhio e lungo la colonna vertebrale Successivamente: tumori della prostata, del fegato, dell apparato gastroenterico, del polmone Tumori pediatrici G. Battistoni 29

30 Gli acceleratori per i protoni gli adroni carichi sono piu difficili da accelerare rispetto agli elettroni perchè sono migliaia di volte più pesanti! Occorre formare dei fasci di particelle costituiti da decine di miliardi di particelle al secondo Con appositi magneti montati su teste rotanti (molti metri di diametro) tali fasci possono essere diretti sul paziente in posizione opportuna. G. Battistoni 30

31 il Ciclotrone E. Lawrence G. Battistoni 31

32 Prodotto industriale Leader del mercato modiale: IBA (Belgio) G. Battistoni 32

33 I centri in operazione oggi nel mondo Terapia con protoni 26 Centri (6 in USA, 5 in Giappone, 3 in Russia, 2 in Francia e Svizzera, 1 in Cina, Germania, Svezia, Inghilterra, Sud Africa, Canada, Sud Corea) Anche 1 in Italia! (vedi dopo) Molti di questi non sono centri clinici specializzati, ma operano all interno di Laboratori di Ricerca in Fisica Nucleare All inizio del 2008 sono stati trattati con protoni. in tutto il mondo, circa pazienti G. Battistoni 33

34 Adroterapia sperimentale in Italia: l INFN e il progetto Catana Cosa e l INFN? L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è un Ente Pubblico di Ricerca fondato nel È uno dei più prestigiosi ed importanti Istituti di ricerca italiani ed i suoi compiti istituzionali sono la conduzione, il finanziamento ed il coordinamento della ricerca fondamentale nei campi della fisica nucleare, subnucleare ed astroparticellare. Da oltre 15 anni si occupa di ricerca e sviluppo tecnologico connesso all adroterapia in collaborazione anche con CERN e altri laboratori nel mondo Iniziatore principale: Prof. Ugo Amaldi, presidente della fondazione TERA G. Battistoni 34

35 I Laboratori del Sud dell INFN e il Ciclotrone Superconduttore Costruito all INFN di Milano a partire dalla seconda meta degli anni 80 Macchina concepita e costruita per la ricerca in fisca del nucleo Idea: usarlo anche per adroterapia: il progetto CATANA G. Battistoni 35

36 Il Ciclotrone Superconduttore durante la sua costruzione a Milano (Progetto guidato da F.Resmini) G. Battistoni 36

37 CATANA ai LNS dell INFN Centro di Adro Terapia e Applicazioni Nucleari Avanzate Gli acceleratori dei Laboratori del Sud dell INFN adroterapia con protoni per i tumori oculari Si ringrazia G.Cuttone per le informazioni aggiornate G. Battistoni 37

38 I tumori dell occhio... Melanoma Uveale Melanoma Congiuntivale Carcinoma della palpebra Papilloma congiuntivale Protoni di energia intorno a 60 MeV G. Battistoni 38

39 168 pazienti curati dal 2002 a maggio 2008 età media 48 anni (da 14 a 81) 98% sopravvivenza 95% riduzione o rimozione tumore o cessazione del suo sviluppo (18%) G. Battistoni 39

40 L adroterapia con nuclei atomici invece che con protoni Nucleo atomico: aggregato di adroni (protoni e neutroni) la capacità di ionizzare aumenta in proporzione al quadrato della carica elettrica! (la carica elettrica è data dal numero di protoni) Un nucleo composto, essendo piu pesanto di un protone, devia piu difficilmente dalla traiettoria lineare ideale Si usa il termine ione al posto di nucleo (atomo privato dei suoi elettroni) G. Battistoni 40

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43 Ione (nucleo di Carbonio): 6 protoni + 6 neutroni Non e conveniente utilizzare ioni piu pesanti del Carbonio: producono troppi frammenti nucleari che vanno piu lontano di quello che serve A causa della maggior efficacia radiobiologica, è meno probabile la capacità della cellula irradiata di autoripararsi: mediamente potrebbero bastare 8-10 sedute di radioterapia contro le della terapia con raggi X o con protoni G. Battistoni 43

44 Terapia con scansione attiva Sincrotrone Linac Sorgente di Ioni Carbonio Sorgente di Protoni Magneti di Scansione Sistemi di controllo del fascio G. Battistoni 44

45 Centri che operano con ioni Fino ad oggi: GSI di Darmstadt, Germania, centro di ricerca per fisica nucleare) HIMAC, Chiba, in Giappone, centro di ricerca di scienze radiologiche ~4500 pazienti trattati all inizio del 2008 i risultati di HIMAC hanno dimostrato la maggior efficacia terapeutica degli ioni anche nel trattamento di tumori a grande diffusione G. Battistoni 45

46 Valutazione dell AIRO (2004) Dei paziente trattati con raggi X, circa 1000 dovrebbero essere trattati con protoni, avrebbero profitto dalla terapia con protoni, circa 3600 avrebbero risultati maggiori dalla terapia con ioni carbonio Per lo più nel caso di tumori radio-resistenti Studi confermati in Austria, Francia e Germania: ioni: 3% dei pazienti protoni: 12% G. Battistoni 46

47 Accelerare i nuclei: il sincrotrone G. Battistoni 47

48 Un problema di dimensioni... CICLOTRONI SINCROTRONI PER PROTONI SINCROTRONI PER IONI G. Battistoni 48

49 Il futuro dell adroterapia in Italia: il CNAO Creato dal Ministero della Salute al principio del Consiglio di amministrazione insediato il 21 Nov per costruire un Centro con 2 priincipali finalità: curare pazienti per mezzo dell adroterapia con protoni e ioni carbonio essere allo stesso tempo un centro di ricerca clinica e radiobiologica Si ringrazia S.Rossi per le informazioni aggiornate G. Battistoni 49

50 Fondatori: Fondazione Policlinico Ospedale Maggiore - Milano Fondazione Istituto Neurologico C. Besta - Milano Fondazione Istituto Nazionale dei Tumori - Milano Istituto Europeo di Oncologia - Milano Fondazione Policlinico San Matteo - Pavia Fondazione TERA - Novara Partecipanti Istituzionali: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Università di Milano Politecnico di Milano Università di Pavia Comune di Pavia Partecipanti: Fondazione Cariplo Altri Istituti collaboranti (nazionali ed internazionali: Università di Torino CERN GSI (Germania) LPSC (Francia) NIRS (Giappone) G. Battistoni 50

51 Edificio Ospedaliero Completato meta 2007 Edificio Alta Tecnologia Consegnato a fine 2006 G. Battistoni 51

52 Il sito del CNAO nel Giugno2005 (inizio dei lavori sul terreno il 5 Marzo 2005) G. Battistoni 52

53 Centrale elettrica Area per futuri edifici per ricerca Area di espansione Edificio del Sincrotrone Ingresso Principale Edificio Ospitaliero 30 Settembre 2008 Bergamo 30 September 2008 Scienze 9/10/2008 G. Battistoni 53 53

54 L Acceleratore del CNAO Linac Sorgenti SINCROTRONE linee Alta Energia Sale di trattamento G. Battistoni 54

55 Lo stato dell acceleratore Magneti curvanti Sorgenti Linea bassa energia Magneti Focheggianti Cavita Radio Frequenza G. Battistoni 55

56 La fase operativa A regine il CNAO programma sessioni di trattamento all anno: corrisponde a circa pazienti/anno Il CNAO è connesso alla Rete Sanitaria Italiana A partire dal CNAO si stabilirà la Rete Italiana per l Adroterapia Esiste un preciso protocollo sanitario per la selezione dei pazienti (che manterranno il legame con l ospedale d origine) G. Battistoni 56

57 I nuovi centri che entreranno in funzione RPTC, Munich Germany p 2008? PSI, Villigen Switzerland p 2008/ 2009 UPenn USA p 2010 Med-AUSTRON, Wiener Neustadt Austria p, C-ion 2013 Trento Italy p 2011? CNAO, Pavia Italy p, C-ion 2009 Heidelberg Germany p, C-ion ithemba Labs South Africa p? RPTC, Koeln Germany p? WPE, Essen Germany p 2009 CPO, Orsay France p 2010 PTC, Marburg Germany p, ion 2010 Northern Illinois PT Res.Institute, W. Chicago, IL USA p 2010 PTZ, Kiel Germany p, ion 2012 Chang Gung Memorial Hospital* Taiwan p 2011 G. Battistoni 57

58 L Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e altri filoni di ricerca di interesse medico Nuovi sistemi di accelerazione di particelle per adroterapia (combinazione ciclotrone+linac...) La Terapia mediante Cattura dei Neutroni sul Boro (BNCT) Produzione di nuovi radioisotopi di interesse medico Sistemi di calcolo avanzato (piani di terapia e trattamento immagini) Calcolo distribuito per applicazioni mediche (GRID) Nuovi sistemi di accelerazione per elettroni e produzione di innovativi sistemi diagnostici a raggi X e luce di sincrotrone (per migliorare qualità di immagine e ridurre la dose in mammografia, angiografia...) Sviluppi della PET (fotorivelatori innovativi, rivelatori e software per monitoraggio adroterapia in-vivo ) G. Battistoni 58

59 La cattura di neutroni sul Boro (BNCT) Iniettando una molecola contenente Boro si aumenta di molto la probablita di catturare neutroni: i frammenti nucleari risultanti hanno un elevata efficacia biologica G. Battistoni 59

60 Il trattamento extra-corporeo del tumore del fegato Il fegato estratto dal paziente viene trattato con neutroni in un reattore nucleare e poi re-impiantato G. Battistoni 60