A Pavia, una buona scienza a servizio dell uomo CNAO ADROTERAPIA ONCOLOGICA

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1 A Pavia, una buona scienza a servizio dell uomo CNAO Centro Nazionale di ADROTERAPIA ONCOLOGICA Cosa sono gli adroni? Come penetrano nel corpo? Perché si può curare un tumore con gli adroni? Come si ottengono gli adroni? Che tecniche si utilizzano? Cosa si sta costruendo a Pavia? Come funzionerà? risponde (o almeno ci prova!) ricercatore in Fisica Nucleare docente di Fisica Medica nei corsi di laurea nelle Professioni Sanitarie Tecniche e di Radioattività i i nel corso di laurea in Tecniche di Radiologia i Medica ACCELERATORI PER LA SALUTE: L ADROTERAPIA -1-

2 Cosa sono gli adroni? Adroni = particelle che risentono dell interazione nucleare forte di fatto sono tuttett le particelle presenti nel nucleo atomico: protoni e neutroni in numero variabile elettrone e elettrone e Gli Gli adroni adroni sono sono fatti fatti di di quark quark In adroterapia si utilizzano Protoni Ioni carbonio 12 C 6+ atomo ione carbonio = 6 protoni + 6 neutroni protone o neutrone quark quark u u o o d d -2-

3 Le particelle nella materia Le particelle cariche (elettroni, 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 i i e/o eccitazione degli atomi della materia (danno biologico cellulare). Un fascio di particelle cariche percorre un tratto di strada ben preciso a seconda della sua energia. Un fascio di particelle neutre invece diminuisce i i gradualmente di intensità, ità ma è in grado di attraversare anche grandi distanze senza esaurirsi completamente (es. raggi X) -3-

4 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 raggi X PICCO DI BRAGG protoni GRAFICO della dose assorbita (in %) in funzione della profondità del tessuto elettroni raggi gamma Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi risparmiando le cellule sane! -4-

5 Idea base dell adroterapia Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi risparmiando le cellule sane! -5-

6 Adroterapia: come e perché q a effettiva [%] e biologica Dose 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 una dose inferiore prima del picco e nulla/piccola l 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 -6-

7 Radioterapia e adroterapia Photons Raggi X Protons Protoni Gli adroni permettono di irradiare tumori profondi in modo conforme alle loro dimensioni i i risparmiando le cellule 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. -7-

8 Ma gli adroni dove li prendiamo? TIPO DI PARTICELLE: Elettroni, protoni, ioni pesanti ENERGIA (in elettronvolt: l 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 (per raggiungere le energie desiderate) -8-

9 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?

10 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 -10-

11 Il sincrotrone L energia ottenibile mediante ciclotrone è limitata. Un aumento di energia richiederebbe dimensioni 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. -11-

12 LHC Large Hadron Collider protoni-protoni (o ioni pesanti) Circonferenza 27 km - Energia massima 14 TeV = ev Inizio attività 10/09/08 - fascio singolo di protoni da 1 TeV Interruzione 19/09/08 - Ripresa 23/11/09 Prime rm collisioni son 30/03/10 / -due fasci di protoni da 3.5 TeV Nel 2010 raggiunti tutti gli obiettivi del 1 anno e verificata tutta la fisica nota del Modello Standard -12-

13 Acceleratori e Moltissime i applicazioni i i pratiche: tecnologiche, industriali, mediche, Acceleratori per la salute INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare A tutta velocità Vittorio Giorgio Vaccaro Acceleratori, non solo ricerca Crisostomo Sciacca Semplice come un altalena Carlo Bernardini Cellule e radiazioni Roberto Cherubini Acceleratori per la salute Ugo Amaldi Dalla fisica alla medicina Vincenzo Napolano Guarire con i protoni Giacomo Cuttone Parola all oncologo Catia Peduto Un acceleratore tascabile per l adroterapia Luciano Calabretta Acceleratori in farmacia Mauro Bonardi Nata dalla ricerca al servizio della medicina Francesca Scianitti Proiettili nel silicio Claudio Piemonte Elettroni in tuta blu Amedeo Staiano Rivista Asimmetrie n it E luce fu Emilio Burattini Rassegna delle attuali applicazioni industriali e mediche degli acceleratori di particelle Neutroni, sonde e alchimia Notte bianca della ricerca La fisica, più magica di Harry Potter Paolo Pierini Catia Peduto Bruno Arpaia -13-

14 Adroterapia e come si fa? Terapia con adroni = far giungere ai pazienti fasci di protoni o ioni carbonio alle energie opportune per 6-7 sedute da pochi minuti ciascuna. Centri per l adroterapia 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 mantenute 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. Nelle vicinanze i di centri ospedalieri! -14-

15 Il centro del centro -15-

16 Adroterapia in Italia e nel mondo IN ITALIA CENTRO DI PROTONTERAPIA ATTIVO A CATANIA CENTRO CNAO IN COSTRUZIONE A PAVIA CENTRO DI PROTONTERAPIA IN PROGETTO A TRENTO NEL MONDO CENTRI IN: USA GIAPPONE SVIZZERA CINA GERMANIA FRANCIA COREA pazienti con p 2500 pazienti con C -16-

17 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 locale nel 95 % dei casi! Asportato a 7 pazienti: 1 per perforazione cornea (non dipendente da terapia) 1 per progressione one locale del tumore 5 per danni radioindotti Ass.Italiana Fisica in Medicina, 2/2008 Insorte metastasi a distanza in 12 pazienti di cui 6 poi deceduti. -17-

18 1 in Europa: Heidelberg Heidelberg Ion-Beam Therapy Centre (HIT) officially 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 -18-

19 Il CNAO di Pavia Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica -19-

20 Come funzionerà il CNAO Il centro CNAO dovrebbe entrare in funzione entro la fine del 2010 Funzionerà in day-hospital L 80% dei trattamenti sarà con ioni carbonio, il 20% con protoni Ci saranno tre verticalmente sale di trattamento; in una di esse il fascio arriverà anche 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 1 estratti dal sincrotrone e deviati in una delle 2 3 tre sale di trattamento In una seconda fase si allestiranno altre sale sperimentali per attività di ricerca con gli adroni 25 m in radiobiologia nei tempi di non utilizzo clinico -20-

21 Visita al CNAO Foto febbraio

22 Prospettive cliniche 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 i tradizionale. i Ogni sessione durerà minuti. A regime (2013?) si potranno tenere circa sessioni di trattamento all anno (6-7 sedute ciascuno per 3500 pazienti) -22-

23 A che punto siamo? 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 (sperimentazione su mille topolini) Fine 2011? Inizio sperimentazione clinica su 150 pazienti -23-

24 In conclusione Il CNAO che sta nascendo nd è uno dei pochi centri al mondo in cui verrà effettuata la terapia oncologica con ioni carbonio. Vi si potranno curare circa 3500 pazienti all anno tra quelli che non hanno molte speranze di guarire con le altre terapie. Pavia avrà un centro di assoluta eccellenza a livello mondiale in 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 Ingegneria. Inoltre - non ultimo - il CNAO offrirà numerosi posti di lavoro estremamente specializzato e stimolante a molti fisici, ingegneri, medici oncologi, tecnici di radiologia medica, biologi, e poi dicono che la ricerca scientifica non serve a niente mah! Questa presentazione è online sul sito