10 Set Acceleratori di particelle al servizio della società

Le applicazioni mediche

Se si pensa a un acceleratore di particelle, vengono subito in mente grandi apparecchiature in laboratori dedicati alla ricerca scientifica. Il ruolo di queste macchine nello studio della scienza di base è certamente importantissimo, tuttavia, sono usate anche per scopi più vicini alla vita dei tutti i giorni. Tra le diverse applicazioni degli acceleratori, le più significative sono probabilmente quelle legate alla medicina e alla cura dei tumori.

Fasci di ioni contro il cancro

Fasci di ioni accelerati sono utilizzati per curare tumori non trattabili con tecniche tradizionali. L’INFN è stato pioniere in questo campo attraverso il Centro di Adroterapia e Applicazioni Nucleari Avanzate (CATANA) attivo dal 2002 presso i Laboratori Nazionali del Sud e dedicato al trattamento con fasci di protoni dei melanomi oculari. La terapia con ioni accelerati (adroterapia), a differenza della radioterapia convenzionale con raggi X, agisce in modo molto più localizzato, preservando i tessuti sani che circondano il tumore. Questo è fondamentale quando si deve agire su aree sensibili, come appunto l’occhio, dove la radioterapia non è utilizzabile perché provocherebbe danni gravi anche ai tessuti del cervello.

Il fascio di protoni di CATANA viene fornito dal ciclotrone superconduttivo dei Laboratori Nazionali del Sud e ha un’energia di 60 MeV, ideale per curare i melanomi oculari. Questa terapia è l’unica alternativa alla chirurgia e, a differenza di quest’ultima, permette di conservare la vista.

Una struttura dedicata al trattamento dei pazienti

L’esperienza dell’INFN nell’utilizzo di fasci ionici per la cura dei tumori è sfociata nel Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) di Pavia, l’unico centro in Italia e uno dei 6 al mondo in grado di erogare trattamenti di adroterapia con protoni e con ioni di carbonio. L’INFN ha infatti disegnato e realizzato il sincrotrone di 80 metri di circonferenza capace di accelerare protoni fino a 250 MeV e ioni carbono fino a 4800 MeV. L’impiego di due diversi tipi di particelle e le energie in gioco permettono di trattare diversi tipi di tumore.

INFN e CNAO hanno siglato un importante accordo per svolgere ricerche congiunte volte sia all’introduzione di trattamenti con ulteriori ioni, che a sviluppare sistemi di imaging e dosimetria innovativi.

FLASH Therapy e oltre

L’utilizzo degli acceleratori in medicina però non si ferma all’adroterapia. Nell’ambito del progetto ANTHEM, è stato installato e collaudato presso il Center for Advanced Preclinical in Vivo Research (CAPiR) dell’Università di Catania, un acceleratore per Electron FLASH Therapy.

La FLASH Therapy utilizza fasci di elettroni che concentrano in frazioni di secondo dosi di radiazione fino a mille volte superiori alla radioterapia tradizionale. In tal modo è possibile trattare efficacemente un tumore preservando però i tessuti circostanti dai danni da radiazione.Si tratta di una procedura ancora in fase di studio, e l’installazione di questo acceleratore, frutto di una collaborazione tra l’Università di Catania, l’Ospedale Cannizzaro, il CNR-IBSBC e i Laboratori Nazionali del sud dell’INFN è fondamentale per lo sviluppo e la validazione di nuovi protocolli terapeutici.

 La ricerca sul tema coinvolge anche i Laboratori Nazionali del Sud dove sarà presto disponibile I-Luce, un sistema di accelerazione degli elettroni basato su laser ad alta potenza che consentirà di lavorare in modalità ultra-FLASH, usando cioè fasci di elettroni di intensità ancora più alta aprendo così la strada a nuovi strumenti per la lotta al cancro.

Boron Neutron Capture Therapy

Ma il progetto ANTHEM non si limita alla FLASH Therapy. Lo spoke 4, nel quale l’INFN è coinvolto, ha infatti fra i suoi obiettivi la costruzione, presso l’Università della Campania Luigi Vanvitelli, di un centro per la ricerca clinica sulla Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), basato su una tecnologia INFN per la produzione di fasci ad alto flusso di neutroni.

La BNCT avviene in due fasi: nella prima, il paziente assume un farmaco che si lega al tumore concentrando in esso grandi quantità di boro; nella seconda, il tumore viene irraggiato con un fascio di neutroni a bassa energia.

I neutroni hanno un’elevata probabilità di essere catturati da un isotopo del boro, il boro-10, che si trasforma in boro-11 e poi decade in un nucleo di elio e uno di litio. L’energia prodotta da questa reazione viene assorbita in un volume molto piccolo, paragonabile alle dimensioni cellulari, perciò è possibile in questo modo utilizzarla per distruggere il tumore, in cui il farmaco ha concentrato il boro, lasciando intatti i tessuti sani circostanti. questo tipo di terapia è estremamente selettivo e permette quindi di trattare tumori resistenti alle terapie oppure vicini a tessuti molto sensibili alle radiazioni, e anche metastasi.

In passato, le uniche sorgenti di neutroni sufficientemente intense disponibili per la BNCT erano reattori nucleari modificati per l’irraggiamento di pazienti, mentre oggi sono disponibili sorgenti di neutroni generate con acceleratori di particelle. Il centro in costruzione in Campania vede coinvolti la Sezione di Pavia, i Laboratori Nazionali di Legnaro, i Laboratori Nazionali del Sud, la Sezione di Napoli, la Sezione di Torino dell’INFN.

Non solo trattamenti

L’utilizzo degli acceleratori in medicina non si limita al trattamento diretto dei pazienti, ma è anche fondamentale per la produzione di radiofarmaci.

Il primo passo per la creazione di un radiofarmaco è la produzione del radioisotopo, cioè dell’elemento che emette radiazioni e proprio in questo step rientra il contributo dell’INFN, grazie al progetto SPES (Selective Production of Exotic Species), che mira a realizzare presso i Laboratori Nazionali di Legnaro una struttura unica sia per la ricerca di base nella scienza nucleare che per la ricerca sui radioisotopi per scopi medicali.”

Il ciclotrone di SPES accelera protoni fino a 70 MeV con intensità molto elevate, raggiungendo i 700 µA, e fornisce il fascio per due linee di ricerca sui radionuclidi medici attive presso i Laboratori di Legnaro, l’attivazione diretta e la tecnica ISOL.

Il metodo di attivazione diretta consiste nell’irraggiare con fasci di protoni un bersaglio dedicato, la cui realizzazione è specificamente ottimizzata per produrre il radionuclide medico di interesse, che dopo il bombardamento deve essere sottoposto a un processo radiochimico per estrarre e purificare il radioisotopo medicalmente rilevante da tutto il materiale irraggiato.

Nella tecnica ISOL, invece, il fascio di protoni incide su un bersaglio spesso di carburo di uranio (UCx), generando un insieme di frammenti di fissione, la maggior parte dei quali viene poi rilasciato dal target grazie alle elevate temperature di lavoro, generalmente superiori a 2000 °C. I nuclei rilasciati, vengono trasformati in ioni positivi e vengono estratti in un fascio di particelle. Un separatore di massa permette di selezionare e raccogliere l’isotopo desiderato.

Due esempi sono solo il rame-67 e lo scandio-47, i cui metodi di produzione da target irraggiati con un ciclotrone sono oggetto di altrettanti brevetti INFN.

La ricerca di base al servizio della società

Le applicazioni degli acceleratori di particelle nelle scienze della vita rappresentano i frutti, spesso inaspettati della ricerca di base. Investire nella scienza fondamentale è necessario per creare il substrato di conoscenze che portano alla creazione di tecnologie che poi generano impatto positivo sulla società. L’INFN conduce ricerche di frontiera in campo fisico e, attraverso le sue strutture di trasferimento tecnologico, lavora attivamente affinché i risultati della ricerca abbiano effetti positivi sulle persone, sulla società e sull’economia.

per saperne di più

contatta il Servizio Trasferimento Tecnologico