L’UOMO E LA MACCHINA:
IL FUTURO DELL’ADROTERAPIA

I trattamenti mediante adroterapia al CNAO sono resi possibili grazie al sincrotrone, un complesso acceleratore di particelle di 25 metri di diametro e 80 metri di circonferenza che scompone gli atomi e crea fasci di (protoni e ioni carbonio) da indirizzare sulle cellule tumorali per distruggerle. Le tecnologie al momento disponibili in Italia e nel mondo sono in continua evoluzione per rendere più efficace dal punto di vista clinico, accessibile e meno costosa la strumentazione. Ne parliamo con Monica Necchi, fisico del nostro Centro.

I macchinari che rendono l’adroterapia realtà sono molto complessi e rari nel mondo. Come sta evolvendo questo settore?

Attualmente in Europa ci sono circa 30 centri di adroterapia e una simile tendenza si riflette a livello globale, dove attualmente sono 150 i centri, di cui solo 13 per terapia con ioni carbonio e quattro di questi sono collocati in Europa. È importante notare che, sebbene siano ancora necessari sviluppi tecnologici per garantire un trattamento più sicuro ed economico, la terapia con protoni è ora saldamente nelle mani dell'industria. L'avvento delle strutture single-room sta portando la protonterapia negli ospedali e nei centri clinici più piccoli. Nonostante i 250.000 pazienti già trattati in tutto il mondo, l'adroterapia è ancora un campo giovane e sono necessarie ulteriori ricerche e tecnologie di accelerazione nuove, economiche e compatte per rendere questa terapia più prontamente disponibile per tutti.
L’andamento nel mondo descrive un aumento costante del numero di pazienti trattati con adroterapia, così come il numero di centri attivi nel mondo. Tale numero rappresenta, tuttavia, soltanto una piccola frazione dei pazienti trattati con radioterapia.
Nonostante le difficoltà incontrate nel passato e sino allo sviluppo tecnologico che ha caratterizzato l’ultimo decennio, l’esperienza con la terapia a base di protoni non si è sviluppata in centri clinici dedicati, ma principalmente in strutture dedicate alla ricerca fisica, per periodi limitati di tempo durante l’anno e con tecnologie non sempre attuali e dedicate, come potrebbe accadere in un centro ospedaliero.

Quali vantaggi clinici derivano dall'utilizzo di macchinari più piccoli e compatti?

Negli ultimi decenni sempre più industrie hanno investito risorse nell’R&D al fine di progettare e sviluppare tecnologie sempre più compatte, di ridotto impatto in centri clinici esistenti e dai costi più contenuti.
Se pensiamo a un sistema in grado di erogare trattamenti di protonterapia con fascio rotante intorno al paziente, allora dobbiamo ricordare che il fascio deve essere deviato dai campi magnetici posti nella testata rotante, che consiste in una struttura meccanica posizionata su cuscinetti e rulli in modo da poterla ruotare con precisione millimetrica. I gantry sono grandi strutture che possono pesare diverse tonnellate perché, in primo luogo i protoni alle energie terapeutiche hanno grossa massa e possono essere piegati soltanto con grandi raggi di curvatura. Il design di una simile struttura meccanica è particolarmente critico, visto il necessario rapporto tra la precisione richiesta per l’erogazione della protonterapia e il peso della struttura in questione. Ma tali strutture possono essere agevolmente installate in aree dedicate e integrate con realtà ospedaliere esistenti.
Spostandoci, invece, a considerare una terapia più specificamente sperimentale (e a cui CNAO dedicherà spazio e risorse e attività di ricerca), parliamo della BNCT: il recente sviluppo di sorgenti di neutroni basate invece su acceleratori di dimensioni molto più contenute ha semplificato radicalmente le possibilità di utilizzo e sta portando a una diffusione di questa tecnica in molti Paesi (diverse macchine sono in fase di test in Russia, Giappone, Regno Unito, Argentina e Stati Uniti). Il sistema Alphabeam di TLS include una sorgente di neutroni compatta basata su un acceleratore tandem e altri componenti in grado di offrire una soluzione completa per l’erogazione della BNCT. Il sistema fornito da TLS è progettato per essere installato in un ambiente ospedaliero e può essere configurato in un centro BNCT a una o più sale per soddisfare le varie esigenze cliniche, di ricerca e di capacità.

Come si sta muovendo il CNAO per andare in questa direzione?

CNAO negli ultimi anni si è un po’ dimostrato come un precursore ed ecco che, nel caso specifico del progetto di espansione, l’obiettivo è ampliare il panorama delle opportunità di trattamento e diventare un “unicum” al mondo, aggiungendo una sala per protonterapia con testata rotante (i.e. gantry) e un’area dedicata alla ricerca oncologica con una tecnica sperimentale, la BNCT (Boron Neutron Capture Therapy).
Al fine di comprendere le principali motivazioni che hanno spinto CNAO a ingrandirsi e dotarsi di nuove tecnologie per il prossimo futuro, con particolare riferimento a un gantry per protonterapia, vale la pena fare una digressione sul razionale dell’utilizzo dei protoni e di una testata rotante.
La protonterapia è un trattamento radiante di precisione che utilizza particelle pesanti – i protoni – per irradiare le cellule tumorali. La produzione di fasci di protoni con energia utile per la protonterapia avviene attraverso l’uso di apparecchiature molto complesse progettate e costruite per la produzione di nuvole di particelle cariche (sorgenti) e per la loro accelerazione (acceleratori di particelle). Nel caso di CNAO l’acceleratore utilizzato, facente parte del sistema completo fornito dalla ditta giapponese Hitachi, è un sincrotrone, ovvero un acceleratore circolare in grado di erogare fasci pulsati ad energia variabile. Nel sincrotrone di Hitachi i protoni sono fatti circolare su una traiettoria di raggio costante, circa 3 m, in cui vengono iniettati una volta che siano stati pre-accelerati. A seguito dell’accelerazione del fascio, che avviene ad ogni giro, i protoni vengono infine trasportati dal sincrotrone alla sala trattamento.
Dal punto di vista clinico, lo scopo finale è di posizionare il paziente nella direzione del fascio in modo da poter colpire la massa tumorale con il minimo impatto sui tessuti sani circostanti. Grazie al gantry il fascio arriva al paziente da vari angoli di incidenza, tra 0 e 360°.
E ora consideriamo la parte più prettamente sperimentale e di ricerca, che troverà alloggio nel nuovo edificio presto in costruzione nel nostro Centro.
Nella nuova area destinata all’attività clinica e alla ricerca oncologica, troverà spazio un’area dedicata alla Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), terapia per la cattura neutronica del boro, una forma sperimentale di radioterapia che consente di generare una reazione fisica localizzata, capace di distruggere le cellule neoplastiche risparmiando le cellule sane. La BNCT si basa sull’interazione tra il Boro-10, un isotopo naturale non radioattivo del boro (un semimetallo), che viene veicolato all’interno delle cellule tumorali grazie a una molecola che funge da “vettore”, e un raggio di neutroni a bassa energia.
Pavia è già stata pioniera in questa tecnica, applicata al trattamento di due pazienti con metastasi epatiche, grazie ai lavori portati avanti nei primi anni 2000 da esperti del Policlinico San Matteo e dell’Università di Pavia. Questo bagaglio di esperienze troverà nuova linfa nel progetto “BNCT” del CNAO, dove, per la prima volta in Italia, sarà installato, all’interno di uno spazio dedicato alla clinica e alla ricerca medica, un acceleratore di particelle di dimensioni relativamente ridotte per la produzione di fasci di neutroni, che sarà messo a disposizione, in concessione gratuita, da Tae Life Sciences, azienda statunitense, che ha scelto il nostro Centro per la sperimentazione e l’ottimizzazione della tecnica.
In quest’ottica, CNAO seguirà un’attività di ricerca, in particolare per lo sviluppo di nuovi farmaci per la somministrazione del Boro-10, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l’Università di Pavia e il Policlinico San Matteo.
Sperimentazioni recenti, eseguite in Giappone e in Finlandia, dimostrano che nei confronti dei tumori in stadio avanzato o recidivanti del distretto testa-collo, per i quali le altre terapie disponibili falliscono, la BNCT rappresenta una tecnica utile per il controllo del tumore, migliorando significativamente la qualità di vita dei pazienti.
Non ultimo, tra le attività di ricerca proiettate in un futuro un po’ più lontano e tuttora in cerca di opportuni fondi di finanziamento, vale la pena menzionare il progetto di un gantry per ioni carbonio. Tale progetto coinvolge, oltre a CNAO, l’INFN di Genova, l’Università di Torino, il laboratorio nazionale di Frascati, il CERN e il Centro di adroterapia di MedAustron. Attualmente il gruppo di fisici e ingegneri è impegnato nella fase di design, alla quale succederà quella costruttiva del prototipo (che durerà due o tre anni) e, infine, ci sarà la fase della costruzione.
Si tratta di un progetto ambizioso e dai costi elevati, ma che, una volta realizzato, permetterà da un lato di aumentare di molto l’efficacia della cura con ioni carbonio e, dall’altro, di abbassare i costi di gestione, di utilizzo e quelli infrastrutturali. Minori costi corrispondono a una maggiore diffusione delle strumentazioni in centri di cura e, conseguentemente, a una maggiore accessibilità alle cure di adroterapia per un numero sempre maggiore di pazienti.