• 15.05.2020
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La start-up Positrigo utilizza i risultati della fisica delle particelle per la diagnosi precoce del morbo di Alzheimer

Scanner PET in formato compatto

Immagine PET di cervelli senza depositi (superiori) e (inferiori) amiloidi. I depositi possono essere riconosciuti dalla colorazione rossa, anche con una risoluzione spaziale ridotta (al centro e a destra).
Immagine: USZ/Alfred Buck, Jannis Fischer
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Immagine PET di cervelli senza depositi (superiori) e (inferiori) amiloidi. I depositi possono essere riconosciuti dalla colorazione rossa, anche con una risoluzione spaziale ridotta (al centro e a destra).
Immagine PET di cervelli senza depositi (superiori) e (inferiori) amiloidi. I depositi possono essere riconosciuti dalla colorazione rossa, anche con una risoluzione spaziale ridotta (al centro e a destra). (Immagine: USZ/Alfred Buck, Jannis Fischer)

La tomografia ad emissione di positroni (PET) aiuta i medici a rilevare il cancro e molte altre malattie. Un team di ricercatori guidato dal professor Günther Dissertori sta lavorando a una nuova generazione di scanner per PET che in futuro potrebbero essere di grande utilità nella ricerca farmacologica e nel trattamento dei malati di Alzheimer. L'innovazione tecnica si basa, tra l'altro, sulla ricerca fondamentale al CERN.

I primi scanner PET sono stati sviluppati negli anni '70. I ricercatori dell'European Particle Physics Laboratory del CERN e dell'Ospedale cantonale di Ginevra sono stati tra quelli coinvolti nell'ulteriore sviluppo della tecnologia. Da allora, i dispositivi medico-diagnostici hanno fornito servizi preziosi, in particolare nella diagnostica del cancro. Da circa vent'anni, gli scanner PET sono stati combinati con la tomografia computerizzata (CT) o a risonanza magnetica (MRT) nella pratica clinica. Questi dispositivi combinati sono particolarmente potenti perché combinano le informazioni degli scanner PET sui processi metabolici con i dati TC o MRI ad alta risoluzione sull'anatomia.

Tecnologia CERN al servizio della medicina oncologica

"Lo scanner PET è pieno di fisica moderna", afferma il professor Günther Dissertori dell'ETH, "si basa sul decadimento beta radioattivo, sulla formula Einstein E = mc2, ma anche sull'annientamento della materia e dell'antimateria". Günther Dissertori è un esperto di particelle elementari. Con il suo team di ricerca, è uno dei principali contribuenti all'esperimento CMS, uno dei quattro grandi esperimenti presso il grande acceleratore di particelle del CERN dal 2010. Questo esperimento indaga sulle particelle elementari create dalla collisione dei protoni. Per fare questo, i fisici delle particelle usano un rivelatore che consiste in gusci come una cipolla. Ognuno di questi gusci può rilevare alcuni tipi di particelle elementari.

Uno dei gusci è il rilevatore di cristalli elettromagnetici. Si compone di circa 80.000 cristalli artificiali. Se una particella di luce (fotone) colpisce uno di questi cristalli, attiva un lampo di luce che può essere rilevato dai fotosensori. Il rivelatore di cristalli al CERN misura quindi i fotoni prodotti nelle collisioni protone-protone. "Questa è esattamente la tecnologia che utilizziamo nello scanner PET", afferma Dissertori. Quando i pazienti vengono esaminati con uno scanner PET, viene somministrata una sostanza radioattiva di basso livello ("tracciante"). Durante il decadimento beta-plus radioattivo, questo tracciante rilascia positroni (antiparticelle di elettroni), che annichiliscono nel corpo con elettroni, producendo due fotoni gamma indirettamente diretti (secondo la formula di Einstein, entrambi i fotoni hanno l'energia di un elettrone / positrone, cioè 511 Kiloelectron-volt). Il rilevatore di cristalli dello scanner PET può rilevare queste coppie di fotoni e determinarne l'origine. In questo modo, i ricercatori possono ad esempi ricostruire aree con accumuli di traccianti e ricavare preziose informazioni sui processi metabolici nel corpo del paziente.

Visualizza i processi metabolici praticamente in tempo reale

Gli enormi dispositivi di ricerca sviluppati per la ricerca di base presso il CERN forniscono quindi un modello per la costruzione di apparecchiature medico-diagnostiche. In questo contesto, non sorprende che il fisico delle particelle Günther Dissertori utilizzi le conoscenze acquisite al CERN per applicazioni mediche da circa dieci anni. Un risultato di questo lavoro è il prototipo di un nuovo scanner PET preclinico chiamato SAFIR (abbreviazione di: Small Animal Fast Insert for MRI). L'innovazione del nuovo scanner è la sua velocità: a differenza degli scanner PET più vecchi, è in grado di rilevare più fotoni per unità di tempo, quindi elaborare un tasso più elevato di decadimento radioattivo e visualizzare processi dinamici in animali sperimentali come topi o ratti quasi in tempo reale.

SAFIR è stato sviluppato in collaborazione con il farmacologo Prof. Bruno Weber (Università di Zurigo) per la ricerca preclinica. Gli scienziati lo usano per studiare, tra l'altro, il flusso sanguigno e la distribuzione dell'ossigeno nel cervello degli animali da laboratorio. Lo scanner PET, unico al mondo, consente di misurare questi processi nel tempo. Il prototipo, completato nel 2019, è composto da quasi 3000 cristalli. Oltre a una risoluzione spaziale di poco meno di 2 mm, raggiunge una risoluzione di coincidenza temporale di 194 picosecondi e consente la ricostruzione dell'immagine in pochi secondi, un valore record. "Per un'applicazione pratica nei dispositivi PET / MR, è essenziale che il nostro scanner PET funzioni perfettamente nonostante i forti campi magnetici della MRT", afferma Dissertori, sottolineando uno dei vantaggi del prototipo.

Rilevazione precoce della malattia di Alzheimer

Gli scanner PET promettono un grande potenziale non solo nella ricerca, ma anche nella diagnosi e terapia della malattia di Alzheimer. Gli scanner sono già il metodo più affidabile per rilevare placche amiloidi. Questi sono i depositi proteici associati alla distruzione delle cellule cerebrali dei pazienti di Alzheimer, che possono essere rilevati molti anni prima che compaiano i primi sintomi della malattia. Se i depositi possono essere rilevati con scansioni di screening, le persone potrebbero essere curate prima dell'inizio della malattia. I farmaci per l'Alzheimer attualmente in fase di sviluppo potrebbero essere somministrati in una fase precoce della malattia grazie alla diagnostica preventiva, un momento in cui potrebbero essere particolarmente efficaci.

"Se vogliamo rendere disponibili scansioni preventive a una vasta popolazione, abbiamo bisogno di scanner più piccoli ed economici di quelli attualmente disponibili", afferma Dissertori, ricercatore dell'ETH. Basato su un'idea del Prof. B. Weber e del Prof. em. Alfred Buck (ex medicina nucleare, ospedale universitario di Zurigo), Jannis Fischer e Max Ahnen, due ex studenti di dottorato presso l'Istituto di particelle e astrofisica, hanno sviluppato uno scanner compatto. Sembra simile al cappuccio di una poltrona da parrucchiere ed è quindi considerevolmente più piccolo degli scanner a pieno corpo che riempiono la stanza fino ad ora utilizzati. Con la start-up Positrigo, fondata nel 2018, vogliono portare sul mercato il nuovo scanner PET. L'obiettivo è ridurre i costi di una scansione PET dagli attuali 3000-4000 Fr. di un fattore 10. Al momento, i giovani imprenditori stanno per concludere un primo ciclo di investimenti, che dovrebbe consentire la commercializzazione del dispositivo. I primi studi clinici sono previsti per iniziare quest'anno. Questi sono i prerequisiti per l'utilizzo del dispositivo medico sui pazienti.

Traccia la distruzione del tumore in dettaglio

Günther Dissertori è uno scienziato dell'ETH e personalmente non ha in programma di diventare un imprenditore. Questo è "un altro mondo", il mondo dei piani aziendali, dei contratti e delle analisi di mercato, afferma Dissertori. Ma anche se lo stesso Dissertori rimane fedele alla scienza, le applicazioni che emergono da questa scienza continuano a rendere possibili nuove applicazioni. Ad esempio, in futuro gli scanner compatti in PET potrebbero essere utilizzati negli ospedali per esaminare il cervello dei pazienti vulnerabili nelle unità di terapia intensiva. Un'altra applicazione mira a migliorare la terapia protonica. Qui, lo scanner PET sarebbe utilizzato per consentire ai medici di valutare e migliorare la precisione della distruzione del tumore utilizzando la radiazione protonica mentre il trattamento è ancora in corso. I corrispondenti progetti di ricerca condotti dal Prof. Dissertori e finanziati dalla Swiss National Science Foundation inizieranno nell'autunno 2020 presso l'ospedale universitario CHUV (Vaud) e il centro di terapia protonica dell'Istituto Paul Scherrer (Villigen / AG).

Autore: Benedikt Vogel

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