CNAO - La fisica nucleare contro il cancro

Ritorniamo a parlare di oncologia e di fisica con il post di oggi in cui voglio presentarvi una punta di eccellenza scientifica e clinica tutta italiana. Il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica(CNAO), da poco entrato in funzione a Pavia, è uno tra i primi centri al mondo specificamente dedicato al trattamento dei tumori mediante adroterapia con ioni carbonio in aggiunta ai più convenzionali protoni.
Negli ultimi decenni i metodi di trattamento dei tumori tramite fasci di particelle che vanno sotto il nome di "adroterapia" hanno conosciuto un grande sviluppo. Questa denominazione deriva dal fatto che le particelle utilizzate non sono fotoni, come i raggi x e gamma usati nella radioterapia convenzionale, ma "adroni"; questo termine è utilizzato in fisica nucleare per indicare particelle composite formate da più quark come, ad esempio, i protoni e i neutroni che formano il nucleo degli atomi. Gli adroni più utilizzati sono i protoni (che sono nuclei di idrogeno senza più elettroni), e ioni carbonio (nuclei di carbonio privati dei loro 6 elettroni).
Queste particelle, essendo elettricamente cariche e pesanti, sono poco deflesse negli urti con i componenti atomici e molecolari dei tessuti e li attraversano, di conseguenza, seguendo un percorso approssimativamente rettilineo. In virtù della loro alta energia e grazie alla loro carica elettrica gli adroni possono "strappare" elettroni dalle molecole dei tessuti, ionizzandole (è questo il motivo per cui si parla di radiazioni ionizzanti). La radiazione ionizzante, interagendo con una molecola d’acqua (che costituisce circa il 70% del corpo umano) può portare alla formazione di specie chimiche radicaliche come H e OH, cioè molecole in cui è presente un elettrone spaiato che, di conseguenza, sono estremamente reattive. I radicali così prodotti, proprio a causa della loro estrema reattività, possono essere causa di danni di varia natura per le cellule colpite. Questi vanno dalla rottura delle membrane cellulari (quando i radicali agiscono sugli acidi grassi che formano i lipidi di membrana cellulare), alla modificazione degli aminoacidi delle proteine cellulari che, perdendo la propria struttura tridimensionale, perdono anche la propria funzione biologica, fino al danneggiamento del DNA.
Tutti questi danni possono portare alla morte delle cellule colpite. Nell'applicazione terapeutica delle radiazioni, queste vengono usate proprio per uccidere le cellule tumorali risparmiando il più possibile il tessuto sano circostante, nel tentativo di eliminare le neoplasie.
I fasci di adroni, a differenza dei raggi x, anche se più costosi da produrre di questi ultimi, perdono la maggior parte delle propria energia negli ultimi centimetri di percorso nel tessuto, nei pressi del punto di arresto. Questo fenomeno detto del “picco di Bragg” fa si che essi siano in grado di danneggiare in modo molto selettivo i tessuti malati, cedendo energia proprio là dove si trova il tumore. Per merito del “picco di Bragg”, protoni accelerati a 200 MeV e ioni carbonio accelerati a 4800 MeV permettono di irradiare i tumori profondi (fino a 25 cm sotto la pelle) seguendone il contorno con precisione millimetrica. E' per questo motivo che l’adroterapia è meno invasiva della radioterapia tradizionale e risulta indicata per un numero sempre maggiore di tumori. I trattamenti di adroterapia sono però 2-3 volte più costosi in quanto gli adroni carichi sono particelle subatomiche difficili da accelerare perché migliaia di volte più pesanti degli elettroni che producono i raggi X nei linac, gli acceleratori lineari. Il problema risiede soprattutto nella dimensione degli apparati: acceleratori, linee di fascio e le cosiddette “gantries” (che servono a far arrivare il fascio a un angolo ben preciso sul paziente) occupano molto spazio ed è per questo motivo che spesso risulta necessaria la costruzione di nuovi edifici appositamente progettati, in cui bisogna predisporre anche tutto l’apparato ospedaliero necessario.
Fisici e ingegneri dell’INFN e del CERN hanno lavorato per molti anni alla realizzazione dello CNAO e alla costruzione del suo vero "cuore tecnologico": un sincrotrone di 25 m di diametro, non dissimile da quelli usati per la ricerca in fisica fondamentale, basato sul disegno della Fondazione TERA diretta dal Prof. Ugo Amaldi. Finalmente, nel settembre dell'anno scorso gli sforzi dei ricercatori sono stati coronati con l'apertura del centro e l'inizio dell'attività clinica. Questo successo, che colloca il nostro paese all'avanguardia nel settore della fisica medica, sta già dando ai pazienti l'opportunità di ricevere le cure più efficaci, migliorandone al contempo la qualità di vita grazie alla riduzione degli effetti collaterali.
Nell'interessante video qui sotto, Paola Catapano del CERN ci mostra da vicino l'acceleratore di particelle del CNAO spiegandone il funzionamento e intervistando le persone che vi lavorano.

Voglio ringraziare la Dottoressa Manuela Cirilli del CERN per la sua disponibilità e il suo aiuto nella correzione della bozza dell'articolo.