Protonterapia

Esistono al mondo oltre 40 centri di adroterapia, così come ospedali che utilizzano protoni e ioni pesanti nella lotta contro il cancro. Una delle più tradizionali tra queste istituzioni si trova presso l'Istituto Paul Scherrer di Villigen nel Cantone Argovia. Li’ è stato installato dal 1984 un fascio di protoni ad alta energia per trattamenti di tumori tramite protonterapia, ad esempio, di quelli oculari. Migliaia di pazienti oncologici sono già stati curati lì. Altri centri di adroterapia sono, tra l'altro, a Boston (USA), Heidelberg (D) oppure a Pavia (I).

Villigen, Boston, Hidelberg, Pavia - questi i luoghi in cui Martina Bucciantonio può immaginare la sua carriera futura. Nata a Pistoia, vicino Firenze, lavora ancora al CERN per la sua tesi di dottorato. Ma quest’ autunno finirà il suo lavoro e vorrebbe continuare la sua attività di ricerca nel campo dell’adroterapia e questo preferibilmente in un posto in cui il trattamento è già utilizzato per scopi medici, dove, cioè con i risultati della fisica delle particelle si è già in grado di curare e guarire pazienti oncologici. « In queste istituzioni si è strettamente legati all’utilizzo delle apparecchiature mediche, si ottengono molti feedback sul proprio lavoro e si può addirittura partecipare allo sviluppo di piani di trattamento», il fisico trentacinquenne delinea il suo quadro lavorativo futuro.

Studiare a Pisa, fare ricerca negli Stati Uniti

"Ho deciso di studiare fisica perché ho voluto sempre comprendere la natura delle cose nella loro profondità. " Con queste parole, Martina Bucciantonio ha giustificato la sua scelta. Ha cominciato dunque all'Università di Pisa dove ha studiato fisica. È maturato subito il suo particolare interesse per la fisica delle alte energie. Nell'estate del 2002 l’allora 23enne studentessa ha cominciato un tirocinio presso il Fermilab, famoso istituto di ricerca di fisica delle particelle vicino Chicago (USA). Negli otto anni successivi la Bucciantonio ha completato a Pisa i suoi studi di Bachelor e di Master. In questo periodo è stata più volte al Fermilab, lavorando in particolare al Collider Detector del Fermilab (CDF), un esperimento che vede impegnate diverse centinaia di fisici provenienti da tutto il mondo. CDF era un rivelatore operante all’acceleratore di particelle Tevatron in cui sono state prodotte collisioni protone – antiprotone fino al 30 Settembre 2011. Attraverso i dati raccolti dall' esperimento CDF vengono studiati i costituenti base della materia. Nel 1995 è stata verificata sperimentalmente il quark top, la più pesante particella elementare oggi a noi nota.

Dopo la scoperta del quark top, i fisici del Fermilab hanno lavorato a lungo per determinare con precisione la sua massa. In questo contesto, Martina Bucciantonio ha scritto la sua tesi di Bachelor in materia di analisi dei dati il che si è rivelata molto utile ai fini di queste misure. Anche la tesi di Master, che lei ha condotto all'Università di Pisa nel 2010, ha attinenza con l'esperimento CDF. È susseguita poi l'analisi dei dati sperimentali, ma anche l'informatica necessaria per esso. Il suo lavoro scientifico ha contribuito all’ aggiornamento Hardware, che è stato attuato nel marzo 2010 presso l'esperimento CDF. Questo aggiornamento era finalizzato al tracciamento delle traiettorie delle particelle cariche in tempo reale.

Dopo la discussione della sua tesi di Master la Bucciantonio si trasferisce per qualche tempo al Fermilab. "Lì potevo lavorare a un esperimento di fisica delle alte energie ad altissimo livello, e mi muovevo in un ambiente molto stimolante e competitivo", la Bucciantonio guarda indietro nel tempo al periodo trascorso appunto al Fermilab. La sua attività comprendeva anche la partecipazione a conferenze internazionali, dove lei e altri ricercatori si scambiavano gli ultimi risultati delle loro ricerche. I ricercatori dell’ esperimento CDF hanno sempre mantenuto un’intensa cooperazione nell'ambito dell'esperimento e, come Bucciantonio sottolinea, "Questa è, secondo me, nell’ambito della ricerca sulle nuove tecnologie, la chiave del successo."

Oggi Martina Bucciantonio è dottoranda presso l'Università di Berna. L’ “Albert Einstein Center for Fundamental Physics” che l’università di Berna ospita è un centro di eccellenza ormai affermato nel campo delle applicazioni della fisica alla medicina e fornisce un'opportunità unica per la ricerca applicata in ambiente accademico. Dal 2013 è operativo un ciclotrone che produce radioisotopi per la diagnostica PET e ricerca multi-disciplinare presso l'ospedale universitario di Berna. Questo contesto ha spinto la Bucciantonio a redigere la sua tesi di dottorato a Berna. Come ricercatrice, però, ora lavora principalmente al CERN, il Laboratorio europeo per la fisica delle particelle a Meyrin, vicino Ginevra . "Io lavoro anche alla scrivania, ma circa il 60 per cento del mio tempo lo trascorro in laboratorio", dice la giovane scienziata. Le sue attività sono principalmente focalizzate sull’applicazione medica della fisica delle particelle. La sua ricerca è finanziata con una borsa di studio sovvenzionata dalla Fondazione per Adroterapia Oncologica TERA, un ente italiano che si dedica allo sviluppo di nuove tecnologie nel campo della radioterapia. La radioterapia fa ampio uso di radiazioni gamma, raggi X e fasci di elettroni a scopo medico. Al contrario, la Fondazione TERA promuove in particolare la radioterapia che si basa su adroni. Con adroni s’intende protoni e ioni (ad esempio ioni di carbonio). Protoni e ioni sono utilizzati dai medici per curare il cancro.

La radioterapia per i pazienti oncologici

Il cancro non è solo una sofferenza diffusa, la malattia ha molte manifestazioni. Così come diversi sono i trattamenti. Oggi per il trattamento del cancro i medici sono aperti fondamentalmente a tre metodi (in molti pazienti affetti da cancro, viene applicata una combinazione di questi tre metodi): in primo luogo, la rimozione chirurgica del tumore, dall'altro la lotta contro i tumori con l’ausilio di farmaci (chemioterapia), e in terzo luogo, il trattamento del tumore con radiazioni ad alta energia (radioterapia). Nella radioterapia vengono utilizzate radiazioni (raggi X, raggi gamma o elettroni) ionizzanti che hanno la capacità di distruggere le cellule tumorali. Fisicamente il controllo del tumore viene effettuato con raggi X e raggi gamma (particelle di luce ad alta energia).

La stragrande maggioranza dei trattamenti di radioterapia effettuata su pazienti oncologici viene fatta oggi con fotoni. Solo in casi particolari per l’irradiazione non vengono utilizzati fotoni ma protoni o ioni (generalmente noti come adroni). Il termine appropriato per definire il trattamento medico è 'protonterapia' e 'terapia con ioni' (il termine generico è 'adroterapia'). La protonterapia è più diffusa rispetto alla terapia con ioni. La protonterapia in Svizzera svolge un ruolo pionieristico: per la prima volta questa forma di terapia è stata utilizzata in Europa occidentale nel 1984 presso l'Istituto Paul Scherrer di Villigen (AG). La protonterapia ha due vantaggi fondamentali rispetto all’irradiamento con fotoni: i protoni distruggono il tessuto canceroso in modo più preciso, soprattutto in profondità (al contrario dei raggi X e gamma, che distruggono il tessuto soprattutto in superficie). In secondo luogo, con protoni (e soprattutto ioni) si può fare un danno biologico maggiore. La protonterapia ha tuttavia particolari sfide già pronte: i medici devono essere sicuri di non danneggiare il tessuto sano durante l'irradiazione dei malati. Rispetto ai fotoni, il trattamento con protoni è più complesso - e quindi anche più costoso.

Diagnosi e terapia

Il reparto che si occupa dell’ irradiazione diagnostica dei pazienti, è chiamato 'Radiologia'. Va notato che l’irradiazione è utilizzata non solo per il trattamento effettivo di pazienti malati di cancro. Altrettanto importante è l'uso di irradiazioni attraverso “l’ imaging” (diagnostica), che permette di “vedere dentro il corpo”. Questa tecnica aiuta a determinare, tra le altre cose, la posizione dei tumori e delle loro metastasi nel corpo. Per la ricerca dei tumori nel corpo del paziente attualmente vengono utilizzati dalla medicina moderna principalmente tre metodi: radiotomografia computerizzata a raggi X, tomografia attraverso risonanza magnetica, tomografia ad emissione di positroni ( PET ). Questi metodi diagnostici creano condizioni tali da permettere ai medici di trattare successivamente i tumori in modo mirato.

Le tecniche di imaging sono importanti indipendentemente dal trattamento utilizzato per la terapia del cancro ossia se essa viene effettuata con fotoni o protoni (o ioni). Nella protonterapia (e nell’adroterapia) la localizzazione del tumore è tuttavia indispensabile. Dunque questa tecnologia consente – a differenza del trattamento con raggi X e radiazioni gamma - una distruzione molto precisa del tumore, in cui il tessuto sano circostante praticamente non viene danneggiato. È proprio questo ora il principale interesse della tesi di dottorato di Martina Bucciantonio. La sua attività è ora incentrata sulla ricerca di un metodo grazie al quale in futuro i medici potranno effettuare il trattamento con protoni ancora più accuratamente di oggi. Questo nuovo metodo è il cosiddetto 'radiografia a trasmissione di protoni' (inglese: Proton Range Radiography). Si tratta di un metodo con cui si può controllare l’effettiva penetrazione dei protoni all’interno del corpo e i punti esatti in cui questi vanno a depositare la loro energia che uccide i tessuti tumorali.

Garanzia di qualità nella Protonterapia

Nell’ambito della sua tesi di dottorato la Bucciantonio ha sviluppato un prototipo di radiografia con protoni e questo dispositivo è stato testato in laboratorio (ma non ancora su pazienti). « Questo metodo potrebbe essere utilizzato in futuro per garantire la qualità della terapia ed è probabile che tra qualche anno esso sia anche disponibile per le applicazioni mediche », dice la Bucciantonio. « La radiografia con protoni potrebbe rivelarsi un’interessante alternativa ai metodi finora utilizzati per controllare lo stato del paziente e del tumore durante il trattamento. Il nuovo metodo ha una migliore risoluzione e un’esposizione alle radiazioni nettamente inferiore. Un altro punto chiave del lavoro di Martina Bucciantonio riguarda la tomografia ad emissione di positroni (PET), che viene utilizzata oggi in molti ospedali per individuare la presenza di tumori nel corpo. L'obiettivo della ricerca della Bucciantonio è quello di perfezionare unlteriormente il metodo della PET, in modo che esso possa essere utilizzato per nuovi scopi, ovvero nel garantire la qualità della protonterapia.

Se la cosa dovesse avere successo, il trattamento dei pazienti affetti da cancro si effettuerebbe in futuro attraverso irradiazione di protoni. Nel momento in cui i medici irradiano il tumore con protoni, viene eseguita anche una PET, che verifica immediatamente se i protoni raggiungono il loro obiettivo e se essi riescono a distruggere il tumore efficacemente e senza effetti collaterali. La protonterapia continuerebbe con questo ulteriore metodo della PET, più complesso, ma tuttavia più affidabile. Martina Bucciantonio ha avuto per la prima volta occasione di fare qualcosa che non ha mai fatto nel corso della sua carriera scientifica: esercitare la sua attività a diretto contatto con i pazienti oncologici.

Benedikt Vogel (13. 3. 2014)

Video-conferenca di 20 Marzo 2014 con Franco Cavalli e Martina Buccantonio (video)