Adroterapia: la fisica delle particelle per curare il cancro

Una delle tante ricadute pratiche della ricerca di base. Imprevedibile 60 anni fa.

"Ma a cosa serviranno mai questi esperimenti di fisica delle particelle! Non produrranno mai niente di utile, sono solo uno spreco di soldi!!!".   

Capita di leggere commenti simili, no? Tipicamente in calce a qualche articolo scientifico online, dove il pubblico si sente in dovere di esprimere il suo punto di vista. Di fronte a certi commenti a me sale il crimine, già solo perché usare il web, inventato originariamente proprio per gli esperimenti di fisica delle particelle, per sentenziare una cosa del genere, è come usare la radio per dire che Marconi non ha mai combinato niente di utile.

E quindi voglio raccontare un'applicazione pratica della fisica delle particelle, quella fisica che utilizza gli acceleratori, e che ha come fine primario lo studio degli oggetti più piccoli che ci sono in natura. Non è l'unica ricaduta pratica. Oltre al web sopra menzionato, inventato originariamente per rendere più agevole lo scambio dei risultati scientifici tra i fisici nelle varie parti del mondo, e solo in seguito reso pubblico (gratuitamente) con i risultati che tutti conosciamo, c'è un enorme indotto che ruota attorno a questo tipo di esperimenti, che si manifesta in termini di lavoro per le aziende e diffusione di competenze. Ma la ricaduta pratica di cui voglio parlare è una di quelle cose che se 60 anni fa avessero chiesto a chi si cimentava nella ricerca delle prime particelle elementari - il muone, il pione etc - "cosa potrà mai portare di pratico questo tipo di ricerca", difficilmente avrebbero potuto immaginare che sarebbe servita un giorno per curare il cancro. Di sicuro non era con quella prospettiva che le particelle venivano studiate. La fisica delle particelle, infatti, ha prodotto oggi, tra le sue ricadute pratiche, una tecnica per curare il cancro che si chiama "adroterapia".

Una piccola premessa: non essendo io un medico immagino che mi potrà scappare qua e là qualche imprecisione che salterà certamente agli occhi di un vero medico. Eventualmente fatemelo notare. In ogni caso saranno peccati veniali, perché io voglio in realtà spiegare i principi fisici che sono alla base di questa pratica.

Una tecnica comunemente usata per attaccare i tumori è la radioterapia. Essa si basa sul fatto che i raggi X, ovvero onde elettromagnetiche particolarmente penetranti, sono in grado di danneggiare il patrimonio genetico delle cellule cancerose, causandone la morte e impedendo quindi la loro proliferazione. La radioterapia è quindi l'irraggiamento tramite raggi X della parte del corpo all'interno della quale è situato il tumore. A seguito dell'irraggiamento quest'ultimo si riduce di dimensioni, e può eventualmente essere asportato chirurgicamente. Alla base di tutto questo c'è l'interazione dei fotoni della radiazione ionizzante con le molecole che essi incontrano lungo il loro percorso, interazione che è di tipo elettrico, cioè dovuta al fatto che i fotoni "vedono" le cariche elettriche presenti negli atomi, e con esse interagiscono.

Questa tecnica è ben sperimentata da lungo tempo, relativamente poco costosa e efficace, ma ha un problema. Il problema è che i fotoni dei raggi X non sanno quali sono le cellule malate, per cui loro, quando entrano all'interno del corpo del paziente, non fanno distinzione e interagiscono non solo con le cellule malate, ma anche con tutto quello che c'è di sano davanti o dietro. Sono una specie di Lanzichenecchi, che rompono tutto quello che incontrano, senza preoccuparsi di cosa sia, e mentre procedono attraverso il materiale su cui sono stati sparati (il corpo del paziente) diminuiscono esponenzialmente in numero, fino a essere completamente assorbiti. Bisogna dire comunque che si osserva che le cellule cancerogene, se danneggiate dai raggi X, hanno la proprietà di morire in maggiore quantità rispetto a quelle analogamente danneggiate, ma in origine sane. In pratica gli enzimi che hanno il compito di riparare le cellule danneggiate, nelle celle cangerogene fanno più fatica. Almeno quello!

Il fatto che la radioterapia sia potenzialmente dannosa anche sulle cellule sane non è cosa da poco, perché sappiamo che le radiazioni ionizzanti possono esse stesse provocare il cancro! Non sarebbe un bel risultato distruggere le cellule malate ma irradiare così tanto le parti sane da aumentare significativamente la probabilità di sviluppare un altro tipo di cancro in futuro! L'ideale sarebbe di disporre di una sorgente di radiazione ionizzante che irradiasse la zona con il tumore, e passasse senza colpo ferire dove il tumore non c'è.

Qui entra in gioco l'adroterapia, una tecnica che idealmente permette di irradiare in modo selettivo la parte malata, rilasciando una quantità di dose minima nei tessuti antistanti. Idealmente perché, come sempre, la realtà ha le sue complicazioni. Vediamo di capire come funziona, quali sono i vantaggi, e gli aspetti da studiare ancora. Premetto comunque che questa tecnica è già applicata alla cura del cancro, e che in Italia esistono 3 centri che la utilizzano: il CNAO a Pavia, il Centro di Protonterapia a Trento, e il Centro di Adroterapia Oculare a Catania. In particolare in quest'ultimo centro, il primo a nascere in Italia in ordine temporale, la casistica clinica dei pazienti trattati, in maggioranza affetti da melanoma uveale, mostra risultati molto incoraggianti, con il 95% dei pazienti con la malattia attualmente sotto controllo (fonte). Numerosi altri centri analoghi esistono in altri paesi, e quindi, sebbene introdotta recentemente, non si tratta più di una tecnica sperimentale. Il trattamento, è importante specificarlo, è completamente indolore.

Adroterapia viene da "adroni", un termine che significa particella "pesante" (sempre riferito alle particelle, ovviamente) e identifica le particelle che sentono la forza nucleare, quella che tiene assieme i nuclei atomici. Nella pratica l'adroterapia utilizza sia i protoni, le particelle cariche che costituiscono i nuclei degli atomi, che alcuni tipi di nuclei pesanti (ioni positivi di elementi pesanti, tipicamente di Carbonio, detti spesso genericamente "ioni pesanti"), composti da più protoni e neutroni. 

I protoni sono particelle facili da ottenere e da manipolare, ed è per questo che gran parte degli acceleratori di particelle esistenti al mondo accelera protoni per gli esperimenti di fisica. Anche per l'adroterapia, sia con protoni che con ioni pesanti, si utilizzano gli acceleratori di particelle. Il fatto di essere "pesanti" ha un ruolo determinante nel modo in cui queste particelle si comportano quando attraversano un materiale (nel nostro caso il corpo di un paziente).

Cosa fanno gli adroni (protoni o ioni pesanti) "dell'energia giusta" (poi capiremo cosa significa) quando vengono "sparati" all'interno della materia? Ad esempio dentro la pancia di un paziente?  I protoni sono particelle dotate di carica elettrica, e tramite questa interagiscono con le cariche elettriche degli elettroni e dei nuclei presenti negli atomi del materiale che costituisce il bersaglio. E principalmente grazie a questa loro proprietà, perdono energia mentre si muovono (in linea retta) all'interno del bersaglio. L'energia che essi perdono per ogni centimetro di spessore attraversato è sostanzialmente sempre uguale nel tragitto che essi percorrono, ed è relativamente piccola. Poi però succede una cosa speciale, caratteristica di questo tipo di particelle, ed è quella che le rende utili per il nostro scopo. Quando hanno perso quasi tutta la loro energia, ma ne hanno ancora un po' da spendere, i protoni, invece di dosare la loro energia cinetica restante come hanno fatto in precedenza, la consumano tutta in un colpo solo solo arrestandosi di botto.

Questo avviene perché la perdita di energia di una particella carica nella materia è inversamente proporzionale al quadrato della sua velocità. Quindi quando la particella (il protone, o un nucleo di Carbonio) sta per fermarsi, la sua perdita di energia per centimetro di percorso aumenta moltissimo. Il risultato è quindi che queste particelle rilasciano poca energia lungo tutto il percorso, finché viaggiano veloci, e molta nel punto in cui si fermano. Quindi se scegliamo l'energia dei protoni in modo opportuno (l'energia "giusta"!), possiamo far si che essi si fermino proprio dove c'è il tumore, e rilascino quindi gran parte della loro energia solo nella zona malata. Il picco di energia depositata all'arrestarsi delle particelle nella materia si chiama "Picco di Bragg".

Dose rilasciata da raggi X di varie energie e da un opportuno fascio di protoni, in funzione della profondità all'interno del materiale. Il picco che si ottiene per i protoni si chiama "Picco di Bragg".

Tutto ciò è illustrato nella figura qua sopra, in cui è schematizzata, in rosso, la dose rilasciata da un fascio di protoni da 150 MeV (unità di energia tipica della fisica nucleare) in funzione della profondità del materiale attraversato. Si vede che la dose rilasciata è  più o meno costante nel tratto iniziale, con una crescita lenta man mano che il protone si muove all'interno del bersaglio, per poi avere un brusco aumento poco prima del suo arresto, che deve essere scelto in modo da coincidere con il punto in cui si trova il tumore. Dopo, non c'è più niente.  Per confronto è mostrata la dose rilasciata da raggi X di diverse energie. Si vede chiaramente che se l'energia dei raggi X è troppo bassa,  nella zona malata non ci arriva niente, ma gran parte della dose viene rilasciata dove invece non serve (e dove ci sono tessuti sani!). Quindi se si vuole rilasciare il massimo di dose sulla zona malata, occorre aumentare l'energia dei fotoni, con il risultato di irraggiare anche tutto quello che si trova dietro la zona malata.

I vantaggi nell'utilizzare protoni sono chiari: si irradia principalmente la parte malata, senza rischio di danneggiare in modo significativo il resto. Questo permette di trattare tumori che si trovano in zone non operabili, oppure localizzati in punti particolari per i quali la radioterapia non è la scelta ottimale, come ad esempio il retro dell'occhio. E' infatti facilmente intuibile che irraggiare un occhio sparandogli contro dei raggi X per cercare di distruggere quello che c'è dietro il bulbo oculare non è proprio la cosa più sana da fare. L'adroterapia invece permette un trattamento selettivo della zona malata senza danneggiare, almeno in linea di principio, tutto il resto. A Catania, esiste appunto un centro espressamente dedicato a questo.

E perché si usano i nuclei, gli ioni di carbonio?  Essi hanno la caratteristica di avere una carica elettrica elevata, 6 volte quella del protone, oltre a una massa maggiore. Questo rende nel loro caso la posizione del picco di Bragg meglio localizzata, e la loro interazione con la materia più efficace nel danneggiare il DNA delle cellule, causando in particolare danni maggiori nella zona del tumore. Una tipica adroterapia al carbonio consiste nell'accelerare questi nuclei fino al 50% della velocità della luce, e spararli sulla parte malata in numero di 1-10 milioni di ioni al secondo. Lo svantaggio dell'utilizzo degli ioni pesanti (nessun pasto è gratis) è che dopo il picco di Bragg, il deposito di energia nei tessuti non si riduce a zero come nel caso dei protoni, ma è presente un residuo a distanze maggiori. Questo perché i nuclei di carbonio interagiscono con i nuclei degli atomi contenuti nei tessuti irraggiati producendo ioni leggeri, che necessitano di più spazio per essere arrestati all'interno della materia.

Dietro tutto questo c'è la fisica delle particelle, perché per produrre questi fasci di protoni o di ioni c'è bisogno degli acceleratori di particelle, delle tecniche e delle tecnologie che si sono apprese e sviluppate in questo campo in decenni di ricerca scientifica. Ricerca scientifica finalizzata inizialmente per tutt'altri scopi, ma che adesso trova ricadute anche su aspetti molto concreti per la nostra vita. In Italia un importante contributo allo sviluppo dell'adroterapia è venuto proprio dall'INFN, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l'ente pubblico che finanzia e partecipa ad esperimenti sullo studio del bosone di Higgs, sulle proprietà dei neutrini o sulla la ricerca della materia oscura.

Tornando all'adroterapia, finora abbiamo visto i vantaggi: e gli svantaggi? Perché il mondo non è pieno di centri di adroterapia?

Innanzitutto perché è una tecnica costosa e perché necessita di strutture molto particolari, complesse da realizzare e da mantenere. Occorre avere un acceleratore di particelle apposito, con spazi dedicati ralativamente grandi, e il numero di pazienti trattabili non è elevato come per la radioterapia. Quindi, per forza di cose, i centri dedicati non possono essere diffusi sul territorio come quelli per la tradizionale radioterapia. Il numero di centri per l'adroterapia è comunque in crescita nel mondo, come pure il numero di pazienti trattati (fonte). I tumori trattabili al meglio con l'adroterapia sono descritti ad esempio qui. Ulteriori informazioni per il pubblico, oltre a quelle contenute in tutti i link che ho messo finora, possono essere trovate ad esempio qui.

Al CNAO di Pavia, al momento si possono trattare circa 1000 pazienti l'anno, e il costo di un ciclo completo è di circa 24000 euro (fonte), da confrontarsi con i costi della chemioterapia, variabili fra alcune migliaia di euro fino ai 100000 euro dei farmaci biologici più costosi, e la radioterapia, del costo tipico di alcune migliaia di euro, anche in questo caso con ampia variabilità.

In più in Italia la legge prevede che ogni regione separatamente debba stipulare una convenzione specifica con i centri che effettuano questo tipo di trattamento, al fine di farlo passare sotto il Servizio Sanitario Nazionale, e finora soltanto Emilia Romagna e Lombardia hanno sottoscritto questo accordo.

In parallelo ai trattamenti terapici si effettuano anche studi sugli effetti delle radiazioni rilasciate dai protoni o dagli ioni lungo il loro percorso all'interno dei tessuti, per capirne gli effetti. Esistono poi le difficoltà tecniche presenti quando il tumore da trattare si trova in tessuti che si modificano durante il trattamento stesso. Ad esempio la respirazione del paziente da un lato cambia la disposizione degli organi all'interno del corpo, e contemporaneamente modifica la densità del materiale che i protoni devono attraversare. Questo fa sì che il punto di arresto dei protoni non sia così ben determinato come dovrebbe essere.

Esiste poi un problema "sociologico" di comunicazione con il mondo medico, come mi raccontavano separatamente e indipendentemente due oncologi dell'Ospedale Sant'Orsola di Bologna e dell'IRST di Meldola (FO). Sostanzialmente questa tecnica deve ancora diffondersi e essere pienamente accettata anche fra i medici stessi, e forse questo richiederà tempo. Sarebbe interessante, sotto questo aspetto, conoscere il parere di medici esperti del settore, che avranno sicuramente argomenti molto più puntuali dei miei.

Tuttavia entrambi gli oncologi con cui ho avuto modo di parlare hanno detto che (cito le parole testuali di uno di loro) "esiste una nicchia molto vasta di tumori trattabili al meglio con questa tecnica". Ovvero tumori particolari per tipologia e localizzazione, ma tuttavia molto diffusi, il cui trattamento beneficerebbe da una più ampia diffusione dell'adroterapia. Speriamo.