IL NUCLEARE PER LA SALUTE

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1 IL NUCLEARE PER LA SALUTE ALCUNE APPLICAZIONI DELL ENERGIA NUCLEARE IN MEDICINA Diagnostica Medicina nucleare Imaging Terapia (ambiti pavesi ) BNCT CNAO pag.1

2 Medicina nucleare In generale, la Medicina Nucleare è quella branca della medicina clinica che utilizza elementi o composti radioattivi in vivo o in vitro a scopo diagnostico, terapeutico o di ricerca. pag.2

3 Traccianti e radiofarmaci La diagnostica medico-nucleare in vivo si fonda essenzialmente sulla possibilità di studiare fenomeni fisiopatologici utilizzando dei composti radioattivi che, una volta somministrati nell'organismo umano sottoforma di semplici radionuclidi o di molecole radiomarcate, si comportano come traccianti di un particolare fenomeno biologico, permettendo, attraverso l'impiego di appositi rivelatori, di produrre immagini diagnostiche. La radiazione emergente dall'organo e contenente le informazioni relative al suo stato clinico, viene così restituita sotto forma di immagine. L'immagine finale (scintigrafia) è quindi totalmente generata dalla radiazione emessa dal radionuclide che si è localizzato nell'organo bersaglio sfruttando un ben preciso meccanismo biologico. pag.3

4 Diagnostica per immagini Differenza tra Medicina Nucleare e Radiologia, Ecografia, Risonanza Magnetica Nucleare : non si limita a fornire informazioni di tipo morfologico ma rappresenta le funzioni biochimiche e fisiologiche dell'organo in esame. E' richiesta la partecipazione attiva dell'organismo (si può fare la radiografia di un cadavere, ma non una scintigrafia!) pag.4

5 Imaging g medico-nucleare pag.5

6 La PET: Tomografia a Emissione i di Positroni i Pinipi Principio fii fisico: Decadimento β + di un radioisotopo Annichilazione e + e - in 2 raggi γ da 511 kev in direzione opposta Rivelazione in coincidenza dei due fotoni γ Ricostruzione 3dim dell immagine pag.6

7 Informazioni complementari PET TAC In generale, si ottiene una diagnosi migliore usando informazioni complementari ottenute con tecniche diagnostiche diverse PET pag.7 pag.7

8 La BNCT: Boron Neutron Capture Therapy Un nucleo di 10 B viene irraggiato ato con neutroni termici per produrre elementi secondari altamente ionizzanti, cioè particelle a e ioni 7 Li 7 Li α 2 79 MeV n + B *. 6.1% 7 ( Li ) + α MV MeV 93.9% 9% 7 Li + γ (0.478MeV) I prodotti della reazione di cattura neutronica (a e Li) rilasciano energia entro un raggio di pochi μm dal punto in cui sono stati creati (6.5 e 4 μm rispettivamente). pag.8

9 La BNCT è selettiva! Idea: accumulando nelle cellule dell organo malato una opportuna quantità di 10B, e bombardandolo con neutroni, è possibile dare una dose letale di radiazione solo a quelle cellule che contengono effettivamente l'elemento assorbitore, portando alla distruzione selettiva di tali tessuti. Rapporto tra concentrazioni nel tessuto tumorale e nel tessuto sano: Ct/Cs Ct /Cs C tumore 4 Csano pag.9

10 INFN Pavia Progetto TAOrMINA Trattamento Avanzato Organi Mediante Irraggiamento Neutronico e Autotrapianto Fisici: prof. T.Pinelli, S.Altieri Chirurgo: prof. A.Zonta ed équipe di fisici e biologi La BNCT a Pavia Studi di BNCT eseguiti su organi espiantabili (fegato, polmone, ) irraggiati al reattore Triga Mark II del LENA (Università di Pavia) pag.10

11 Il primo paziente (2001) Dopo 15 anni di sperimentazione pre-clinica (studi di fattibilità su ratti), nel dicembre 2001 è arrivata l autorizzazione a sperimentare la terapia su un paziente, maschio di 48 anni, affetto da adenocarcinoma con 14 metastasi t nel fegato, con aspettativa di vita di pochi mesi ma condizioni generali ancora buone. Dopo l infusione di BPA il fegato viene espiantato dal paziente, lavato e messo in due borse di teflon e in un contenitore rigido di teflon, quindi inserito nella colonna termica del reattore per l irraggiamento. L'intervento chirurgico è durato 21 ore! (con il paziente senza fegato ) L irraggiamento è durato 11 minuti. pag.11

12 Come è avvenuto il trattamento 1. Ore 8.00: preparazione del paziente 2. Laparotomia sottocostale e mobilizzazione del fegato. 3. Nel primo pomeriggio infusione endovenosa di soluzione di BPA (300 mg/kg): dopo rispettivamente una e due ore sono state effettuate biopsie su tessuto sano e tumorale e sono state inviate al LENA per la misura della concentrazione di boro, per poter decidere il piano di trattamento del fegato. 4. Epatectomia e trasporto del fegato al reattore; inserito nella colonna termica del reattore è stato ruotato di 180 intorno al proprio asse verticale durante l'irraggiamento. 5. Dopo l'irraggiamento, il fegato è stato riportato in ospedale e reimpiantato nel paziente, che nel frattempo era stato mantenuto in circolazione extracorporea. 6. L'intervento chirurgico è durato 21 ore; l irraggiamento è durato 11 minuti. 12 mm Campioni di tessuto epatico contenenti metastasi prelevati dal paziente ogni 40 μm, durante l infusione di BPA e prima del trattamento: le zone scure corrispondenti al tessuto tumorale risultano necrotiche grazie alla maggiore concentrazione di 10 B nelle metastasi pag.12

13 Come è andata a finire? Tecnicamente, la terapia ha funzionato alla perfezione! 10 giorni dopo, la TAC mostra il fegato sano in buone condizioni mentre le metastasi appaiono come zone di necrosi. Si vedono altre 8 metastasi oltre alle 6 primarie, tutte necrotizzate. Il paziente è stato dimesso 37 giorni dopo il trattamento in buone condizioni generali. Il trattamento neutronico ha agito su tutto il fegato e tutte le metastasi sono state trattate con efficacia. Il tessuto epatico necrotizzato si è riformato completamente 12 mesi dopo l intervento, e il paziente ha vissuto per circa 20 mesi in condizioni normali. Dopo circa 20 mesi due piccole metastasi sono state rilevate fuori dal fegato ed asportate chirurgicamente. E seguito un ciclo di chemioterapia, ma dopo 33 mesi si sono riformate altre metastasi, per la prima volta anche epatiche. Dopo 38 mesi la situazione è andata gradualmente peggiorando, e dopo 44 mesi il paziente è morto (agosto 2005). Un secondo paziente di 39 anni, in condizioni generali assai critiche per gravi problemi cardiaci, ha subito lo stesso intervento nell agosto Anche in questo caso, si sono avute le necrosi totali delle metastasi. Ma per il quadro clinico compromesso il paziente non è sopravvissuto al pesante intervento chirurgico ed è morto dopo 33 giorni. pag.13

14 BNCT: problemi e prospettive p Dopo il 2003, per problemi di ordine etico il Ministero della Salute non ha più concesso l autorizzazione al trattamento di casi clinici. La BNCT con espianto del fegato a Pavia si è così interrotta. Ma la ricerca è proseguita con energie ancora maggiori! Dal fegato al polmone al ginocchio PRIN Progetti di Ricerca di Interesse Nazionale 2004: Misura di assorbimento del boro in tessuto polmonare di ratto affetto da tumore 2006: Trattamento delle metastasi polmonari mediante cattura neutronica Coord. Prof.Saverio Altieri - Univ.Pavia pag.14

15 Nuclei antitumori: il CNAO di Pavia Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica pag.15

16 Cosa sono gli adroni? Adroni = particelle che risentono dell interazione nucleare forte di fatto sono tutte le particelle presenti nel nucleo atomico: protoni e neutroni in numero variabile atomo elettrone e elettrone e Gli Gli adroni adroni sono sono fatti fatti di di quark quark ione carbonio = 6 protoni + 6 neutroni neutroni In adroterapia si utilizzano Protoni protone o Ioni carbonio 12 C 6+ neutrone quark u o d quark u o d pag.16

17 L assorbimento delle particelle nella materia Le particelle cariche (elettroni,,p protoni, nuclei) penetrano nei corpi cedendo energia, grazie alle interazioni coulombiane con gli elettroni atomici della materia attraversata. Le particelle neutre (neutroni, fotoni) vengono invece assorbite in modo esponenziale. In entrambi i casi l effetto è la ionizzazione e/o eccitazione degli atomi della materia (danno biologico cellulare). N Un fascio di particelle cariche percorre un tratto di strada ben preciso a seconda della sua energia. Un fascio di particelle neutre invece diminuisce gradualmente di intensità, ma è in grado di attraversare anche grandi distanze senza esaurirsi completamente (es. raggi X) Part.cariche Part.neutre pag.17 x

18 Gli adroni nella materia Quando un adrone (particella carica pesante) entra nella materia viene progressivamente rallentato da numerosi urti con gli elettroni atomici del corpo. La probabilità di tali collisioni aumenta con il diminuire dell energia della particella. Quindi i fasci di ioni carichi perdono gran parte della loro energia cinetica iniziale in una zona relativamente stretta al termine del loro percorso (picco di Bragg), mentre l energia rilasciata nel tratto iniziale è relativamente bassa. RILASCIO DI ENERGIA DI DIVERSE RADIAZIONI NEL TESSUTO BIOLOGICO elettroni raggi X raggi gamma PICCO DI BRAGG protoni GRAFICO della dose assorbita (in %) in funzione della profondità del tessuto Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi risparmiando le cellule sane! pag.18

19 Rilascio energia in tessuto biologico unità relative (cute=1) 4 protoni 200 MeV 3 γ 22 MeV picco di Bragg 2 protoni con modulaz. energia 1 elettroni 22 MeV X 200 kev γ 1.3 MeV ( 60 Co) cm profondità di tessuto pag.19

20 Idea base dell adroterapia Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi risparmiando le cellule sane! pag.20

21 Adroterapia: come e perché va a [%] ca effettiva se biologic Dos Il picco di Bragg si può allargare quanto necessario variando l energia!!! Profondità in acqua [cm] Profondità in acqua [cm] La radioterapia convenzionale utilizza elettroni e raggi X Ma ci sono dei problemi: Gli elettroni non penetrano in profondità I raggi X rilasciano alte dosi prima del bersaglio, e dosi basse anche dopo Entrambi hanno alta dispersione laterale Con gli adroni si riesce a penetrare alla profondità desiderata variando l energia ottenendo un rilascio conforme alle dimensioni del tumore picco di Bragg allargato e rilasciando an una dose inferiore prima del picco e nulla/piccola dopo il picco Ioni carbonio 12 C 6+ rispetto ai protoni: Vantaggi: maggior LET, minor dispersione laterale minor dose prima del tumore Svantaggi: frammentazione nucleare maggior dose dopo il tumore pag.21

22 Radioterapia e adroterapia Photons Raggi X Protons Protoni Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi in modo conforme alle loro dimensioni risparmiando le cellule l sane! Ma allora l adroterapia è sempre migliore della radioterapia? NO, dipende L adroterapia non sostituisce la radioterapia convenzionale, che anzi mantiene la sua validità per la maggior parte dei tumori, ma è un arma in più a disposizione dei pazienti e dei medici in situazioni particolari. Solo valutando ogni singolo caso si può stabilire l approccio terapeutico migliore, ed eventualmente l opportunità di ricorrere all adroterapia. Questa potrà essere utilizzata in aggiunta o in sostituzione di trattamenti più tradizionali, radioterapici, chirurgici o farmacologici. pag.22

23 Ma gli adroni dove li prendiamo? TIPO DI PARTICELLE: Elettroni, protoni, ioni i pesanti ENERGIA (in elettronvolt: 1 ev = J): Bassa ( MeV), media (100 MeV 1 GeV), alta (>1 GeV ) INTENSITA : N.particelle al secondo e al cm 2 DUE CATEGORIE PRINCIPALI: A bersaglio fisso (elettrostatici o ciclici) A collisione (colliders) ACCELERATORI DI PARTICELLE ACCELERATORI CICLICI Lineari (per iniettare le particelle) Circolari i (per raggiungere le energie desiderate) pag.23

24 Il ciclotrone In campo magnetico, gli ioni carichi seguono traiettorie circolari in due camere semicircolari chiamate D connesse a un potenziale oscillante. Quando gli ioni sono all interno dei D sentono solo il campo magnetico e la loro traiettoria è circolare. Nel gap tra i due D vengono accelerati da un campo elettrico. Ad ogni semigiro il campo elettrico tra i D viene invertito. Forza di Lorentz F = qvb = mv 2 /r v = qbr/m Energia massima: E = ½ mv 2 limitata dal valore del raggio e del campo magnetico! e se non basta?... pag.24

25 Il ciclotrone di Pavia Produzione di radiofarmaci ( 18 F) per la PET presso il LENA dell Università di Pavia www-1.unipv.it/cylena/ Inaugurazione 9 luglio 2007 Diametro esterno del magnete: 2 m Altezza totale: chiuso 2,22 m, aperto 2,87 m Peso: 22 Tonnellate Ioni: estratti: H +, D + ; accelerati: H -, D - Energia: protoni: 18 MeV; deutoni: 9 MeV Numero di porte per i bersagli: 8 Fasci estratti contemporaneamente: 2 Consumo di corrente: < 50 KW Intensità campo magnetico principale: 1,3 T Radiofrequenza: 10 KW a 42 MHz pag.25

26 Il sincrotrone L energia ottenibile mediante ciclotrone è limitata. Un aumento di energia richiederebbe dimensioni i i e costi enormi. SINCROTRONE Idea: campo magnetico gradualmente crescente. Le particelle percorrono la stessa orbita ma a velocità sempre maggiore. L orbita delle particelle è mantenuta costante, il campo magnetico viene applicato solo sulla circonferenza. Ad ogni passaggio, l energia aumenta, e anche il campo magnetico deve aumentare per mantenere il raggio costante. Teoricamente non ci sono limiti all energia salvo dimensioni e costi dei magneti. pag.26

27 LHC - CERN Large Hadron Collider protoni-protoni (o ioni pesanti) Circonferenza 27 km - Energia massima 14 TeV = ev Prime collisioni i i 30/03/10 con due fasci di protoni da TeV : verificata tutta la fisica nota del Modello Standard con energia fino a 7 TeV 4 luglio 2012: osservato il bosone di Higgs (?) Cern Press Office: CERN experiments observe particle consistent t with long-sought Higgs boson pag.27

28 Acceleratori e Moltissime applicazioni pratiche: tecnologiche, A tutta velocità Vittorio Giorgio Vaccaro Acceleratori, non solo ricerca Crisostomo Sciacca industriali, mediche, Semplice come un altalena Carlo Bernardini Cellule e radiazioni Roberto Cherubini p Acceleratori per la salute Ugo Amaldi Dalla fisica alla medicina Vincenzo Napolano Guarire con i protoni Giacomo Cuttone INFN Parola all oncologo Catia Peduto Istituto Nazionale Un acceleratore tascabile di Fisica Nucleare per l adroterapia Luciano Calabretta Acceleratori in farmacia Mauro Bonardi Nata dalla ricerca Rivista al servizio della medicina Francesca Scianitti Proiettili nel silicio Claudio Piemonte Asimmetrie Elettroni in tuta blu Amedeo Staiano E luce fu Emilio Burattini n Neutroni, sonde e alchimia Paolo Pierini i i Notte bianca della ricerca Catia Peduto La fisica, più magica Rassegna delle attuali di Harry Potter Bruno Arpaia applicazioni industriali e mediche degli acceleratori di particelle Acceleratori per la salute cce e ato pe a sa ute Ugo ad pag.28

29 Adroterapia: e come si fa? Terapia con adroni = far giungere ai pazienti fasci di protoni o ioni i carbonio alle energie opportune per 6-7 sedute da pochi minuti ciascuna. Centri per l adroterapia Nelle vicinanze di centri ospedalieri! 1) INIEZIONE linac: acceleratore lineare Protoni o ioni (da idrogeno o carbonio ionizzato) vengono accelerati da un campo elettrico e introdotti nell anello di accelerazione 2) ACCELERAZIONE sincrotrone: acceleratore circolare Le particelle vengono n mantenute nut in orbita circolare e fatte girare a velocità sempre crescente per mezzo di un campo magnetico che aumenta gradualmente 3) ESTRAZIONE linee di fascio Sempre per mezzo di campi elettromagnetici, i protoni o ioni vengono fatti uscire dall anello e inviati a una delle diverse sale di trattamento dove colpiscono il paziente, posizionato tramite congegni elettronici e monitorato online. pag.29

30 Il centro del centro pag.30

31 Adroterapia in Italia e nel mondo IN ITALIA CATANA (protoni-occhio) occhio) attivo a Catania CNAO (protoni-ioni carbonio) in costruzione a Pavia Nuovo centro (protoni) in progetto a Trento NEL MONDO CENTRI IN: USA GIAPPONE SVIZZERA CINA GERMANIA FRANCIA COREA pazienti con p 2500 pazienti con C pag.31

32 Il centro di Catania A Catania (INFN Lab.Naz. del Sud) fascio di protoni da 62 MeV da ciclotrone superconduttore. Dal 2002 al 2008 sono stati trattati 164 pazienti affetti da particolari tumori dell occhio a poca profondità. Primi dati pubblicati (2008) su 139 pazienti Salvato l occhio a 132 pazienti Buon controllo o locale nel 95 % dei casi! Asportato a 7 pazienti: 1 per perforazione cornea (non dipendente da terapia) 1 per progressione locale l del tumore 5 per danni radioindotti Insorte metastasi a distanza in 12 pazienti di cui 6 poi deceduti. d Ass.Italiana Fisica in Medicina 2/2008 pag.32

33 1 in Europa: Heidelberg Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) officially i opened The Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) at the University Hospital of Heidelberg was officially opened on 2nd November 2009 by Minister President Günther H. Oettinger. The HIT in Heidelberg is the first radiation therapy facility in Europe that enables the treatment of malignant tumours both with heavy ions and with protons. The centre s rotatable gantry used for heavy-ion treatment is the only one of its kind in the world. So far, there are only around 30 ion-beam therapy facilities in the world, in the USA, Japan and Europe. The operating permit was officially handed over at the opening ceremony and the first patients will undergo treatment in the next few weeks. Photos University Hospital Heidelberg pag.33

34 Come funziona/funzionerà il CNAO Il centro CNAO è entrato in funzione alla fine del 2011 Funzionerà in day-hospital L 80% dei trattamenti sarà con ioni carbonio, il 20% con protoni Ci saranno tre sale di trattamento; in una di esse il fascio arriverà anche verticalmente Per l iniezione si utilizzerà un unico acceleratore LINAC sia per protoni che per ioni carbonio Il sincrotrone ha diametro di 25 metri Le sorgenti e l iniettore sono sistemati all interno del sincrotrone Attraverso un sistema di magneti, gli adroni accelerati alle energie necessarie verranno estratti dal sincrotrone e deviati in una delle tre sale di trattamento In una seconda fase si allestiranno altre sale 25 m sperimentali per attività di ricerca con gli adroni in radiobiologia nei tempi di non utilizzo clinico pag.34

35 Visita al CNAO pag.35

36 Visita al CNAO pag.36

37 La fase pre-clinica 18 gen.2010: Visita ministri Fazio, Tremonti, Bossi 15 feb.2010: Inaugurazione politica 2010 Qualificazione del fascio: test di energie e posizionamento nelle sale di terapie 2011 Studio radiobiologico: irradiazione di cellule animali 22 settembre 2011 Inizio sperimentazione clinica su pazienti L 80% delle sedute saranno dedicate al trattamento con ioni carbonio di tumori radioresistenti (es. polmoni, pancreas, fegato, tiroide, distr.cervicale), cioè difficilmente aggredibili con la radioterapia tradizionale. Ogni sessione durerà minuti. A regime (2014?) si potranno tenere circa sessioni di trattamento all anno (6-7 sedute ciascuno per 3500 pazienti) pag.37

38 L avvio della fase clinica 14 luglio 2011 Autorizzazione del Ministero della Salute all avvio di un nuovo trattamento radioterapico con protoni per la cura di alcuni tipi ditumori. 22 settembre 9 novembre 2011 Primo ciclo di trattamento con protoni di un paziente affetto da condrosarcoma alla base del cranio. Inizio fase di terapia con protoni secondo i protocolli clinici approvati dal Ministero della Salute 13 novembre 2012 Per la prima volta in Italia un tumore bombardato con ioni carbonio Primo ciclo di trattamento con ioni carbonio di un paziente affetto da un tumore alle ghiandole salivari: Pavia diventa il 4 centro al mondo che realizza la carbonterapia, dopo Chiba, Hyogo e Gunma in Giappone e Heidelberg in Germania. 3 aprile 2012: Il Ministro della Salute Balduzzi e il Presidente della Regione Lombardia Formigoni incontrano i pazienti Nel 2013 si completeranno i protocolli clinici sperimentali, poi la struttura andrà gradualmente a pieno regime a partire dal 2014, quando si cureranno circa 3500 pazienti all anno in circa sedute pag.38

39 In conclusione A Pavia esistono centri di assoluta eccellenza a livello mondiale in radiodiagnostica e radioterapia. E questo un ambito scientifico di enorme utilità sociale ed estremamente multidisciplinare, dove la Fisica si pone al servizio della Medicina utilizzando le più sofisticate tecniche dell Ingegneria. Servono figure professionali altamente qualificate nei settori più vari: fisici sanitari e nucleari, ingegneri civili, elettronici e nucleari, informatici, medici oncologi, radiologi e specialisti delle diverse discipline, tecnici sanitari di radiologia medica, tecnici di laboratorio biomedico, biologi, e poi dicono che la ricerca scientifica non serve a niente mah! pag.39