Presentazione di PowerPoint - INFN Genova
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Genova 14 dicembre 2010 L’I.N.F.N. e la ricerca in medicina La fisica delle particelle e del nucleo può aiutare la salute? Sandro Squarcia Laboratorio di Fisica e Statistica Medica Dipartimento di Fisica - Sezione INFN di Genova Via Dodecaneso 33, 16146 Genova 010 353 6207 [email protected] Cosa vorrei presentare? Un panorama dell’ attività di ricerca della fisica applicata alla medicina in particolare le ricerche interdisciplinari rivolte verso il campo medico promosse dall’INFN 9Diagnostica e terapia clinica 9 Alcuni esempi “significativi” 9 Il progetto strategico INFN-MED Missione dell’INFN L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica subnucleare nucleare e astroparticellare nonché lo sviluppo tecnologico necessario alle attività in tali settori Opera in stretta connessione con l’Università nell’ambito della collaborazione e del confronto internazionale Fisica medica Maggiori campi di interesse: Acceleratori dedicati alla terapia Adroterapia BNCT Elettronica Rivelatori Dosimetria Calcolo e reti Imaging clinico Simulazione Sistemi Avanzati di Calcolo Perché parlare di fisica applicata alla medicina? Aumento della vita media Nelle nazioni sviluppate aumenta sempre più! In Italia all’inizio del secolo scorso era 54 anni ora è 76 anni (donne 82) in aumento costante! Cause: • Drastica diminuzione della mortalità infantile • Aumento benessere generale della popolazione • Progressi “fantastici” fatti dalla medicina nell’ultimo secolo Popolazione quasi costante ma più anziana Progressi della medicina Eliminando malattie cardiovascolari e tumori la speranza di vita arriverebbe a 120 anni! • Maggiori conoscenze dell’anatomia (struttura) e della fisiologia (operazionalità) dell’uomo • Introduzione di nuovi strumenti diagnostici • Elaborazione di moderne modalità di cura • Applicazione alla medicina delle più sofisticate scoperte scientifiche e tecnologiche spesso derivate dalla ricerca pura (ricerca di base) • Studio sistematico della struttura genetica Il ruolo del fisico Per legge il fisico ospedaliero (con diploma della Scuola di Specializzazione in Fisica Sanitaria) collabora col medico nella pratica clinica Gestisce acceleratori di particelle e impianti radiogeni (fisica nucleare e subnucleare) Controlla la dosimetria del paziente e degli operatori addetti (fisica nucleare) Gestisce strumentazione di controllo (fisica della materia e dello stato solido) Aiuta nella utilizzazione dell’informatizzazione e della analisi statistica (fisico quadratico medio) Diagnostica clinica Raggi X 1895: Röntgen scopre i raggi X Gli oggetti risultano più o meno trasparenti ai nuovi raggi a seconda del loro spessore e della loro natura Radiografia della mano della signora Röntgen del 22/12/1895 pubblicata sul New York Times del 16/1/1896 Radiografia Immediati utilizzi clinici Tubo per diagnosi con raggi X dell’inizio del 1900 organizza il primo servizio di radiografia clinica per i militari di truppa durante la I guerra mondiale Radiografia moderna La radiografia rimane la più comune ed economica tra le macchine diagnostiche Visti i vantaggi, ci si sta spostando sulla radiografia digitale Tomografia Immagine analitica invece che immagine sintetica ottenuta ruotando sia il tubo radiogeno che la “cassetta” attorno ad un asse passante per il piano che si vuole analizzare Sfumatura tomografica Solo le strutture contenute nello strato che rimane fisso rispetto al punto di osservazione rimangono bene impresse mentre le altre sfumano a seconda della distanza da cui si trovano rispetto al punto focalizzazione Tomografia assiale computerizzata Serie di radiografie in sequenza “a spirale” La TAC (ovvero TC) è una sonda intracorporea Tomografia ad emissione di positroni Radionuclide iniettato emette un positrone che si annichila in 1-2 mm con un elettrone del materiale PET emettendo due fotoni collimati di energia fissa (511 keV) che possono essere rivelati Annichilazione I positroni emessi dai radionuclidi si annichilano in due fotoni che sarebbero perfettamente collineari se la quantità di moto totale delle due particelle fosse nulla La rivelazione deve essere effettuata da un sistema di coincidenza che rilevi i due fotoni emessi a 180° PET Permette quindi una visualizzazione della funzionalità degli organi Ad esempio permette la differenziazione dell’attività cerebrale nelle diverse zone del cervello SPECT Tomografia a emissione computerizzata di singolo fotone Creare una mappa di distribuzione dei radioisotopi Vantaggio: molti radioisotopi sono emettitori β– medicina nucleare: 99Tc, 123I, 133Xe, 201Te Risonanza magnetica nucleare (MRI) Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia E = hν da parte dei livelli quantizzati esistenti nella materia (acqua!) Pratica non invasiva Migliore risoluzione anatomica Complementare a TAC PET e SPECT Si apprezzano anche le nervature all’interno della calotta cerebrale Risoluzione altissima Colonna vertebrale Ginocchio Immagini per l’Alzheimer Come possiamo vedere le modificazioni del cervello? Anatomia Fisiologia La struttura: le immagini La funzione: la irrorazione sanguigna Source: Harrison et al. (2002). Cerebral Cortex. Invecchiamento e perdita neuronale Le modificazioni, ossia le perdite della materia grigia, sono fortemente legate all’invecchiamento Sopra gli 85 anni il 50% dei soggetti presenta demenza (mancanza) Ma la demenza non è un processo fisiologico Alcuni inventano strategie per vincere da anziani Strategia Non cercare di competere con i più giovani ma creare altri centri che portino a una modifica e a una specializzazione di “nuove” zone cerebrali Roberto Cabeza et al. NeuroImage 17, 1394–1402 (2002) Cervello La MRI può misurare il diverso grado di atrofia Progressiva scomparsa della materia grigia e sua sostituzione da parte del liquido endorachidiano Diagnosi dell’Alzheimer “…non vi è una diagnosi definitiva della malattia di Alzheimer se non dopo una biopsia cerebrale oppure un’autopsia…” 9 Storia clinica del paziente 9 Analisi del sangue (ricerca di marker) 9 Test di capacità cognitiva (MMSE, Blessed Dementia Scale, …) 9 Follow-up (perdita progressiva della memoria, delle abilità spaziali, del movimento, …) 9 Parametro anatomico-funzionale aggiuntivo Esperimento Magic-5 L’analisi delle neuroimmagini è iniziata nel 2007 Segmentazione e analisi della regione ippocampale da RMI Scopo: Permettere ai neurologi di ottenere rapidamente (WWW?) informazioni preziose che possano essere correlate con gli altri esami diagnostici Ippocampo La demarcazione dell’ippocampo è un processo difficile anche per un neurologo esperto più semplice per crani nella stessa “posizione” Perché l’ippocampo? C’è una convincente “evidenza” che un processo degerativo dell’ippocampo avvenga nella fase iniziale della malattia di Alzheimer che pare essere associata alla perdita della memoria Alzheimer Differenza tra malati di Dementia Alzheimer Type (DAT) e sani (controls) ma molto più importante determinare quale sarà la sorte dei Mild Cognitive Impairement Correlazione tra RMI con PET/SPECT/EEG? Segmentazione ippocampo non è un malato di Alzheimer! Tre categorie: - “normali” - MCI: Mild Cognitive Impairment - malati (AD) Come evolveranno? 135 Normal 247 MCI 76 ± 6 Years 75 ± 7 Years La radioterapia Radiazioni Sono pericolose ma conosciute! Hiroshima e Nagasaki (1945) Three Mile Island (1979) Chernobyl (1986) Veste protettiva utilizzata dai radiologi agli inizi del 1900 Possono però essere utilizzate positivamente a fini clinici nella radioterapia oncologica Trattamento del cancro Causa principale di morte nei paesi sviluppati Da rapporti recenti della UE: Senza terapia 49 % Chirurgia Radioterapia Chirurgia e radioterapia Altri trattamenti 24 % 15 % 9% 3% 51 % Il miglioramento della terapia è dato dal CONTROLLO LOCALE DEL TUMORE Cosa è un tumore? Le cellule del nostro corpo ricevono dei segnali che indicano loro quando crescere e moltiplicarsi e quando tale crescita deve arrestarsi Il tumore, oggi, può essere considerato una patologia a componente genetica caratterizzata da una crescita cellulare incontrollata Nel tumore le cellule, a causa di alterazioni del patrimonio genetico, non rispondono più ai segnali di controllo e si diffondono nelle diverse parti del corpo crescendo e moltiplicandosi irregolarmente Come funziona la radioterapia? Individuazione focolai della zona tumorale (microscopio elettronico) Modificare, con le radiazioni, la catena del DNA Effetto Raggi X La modifica del DNA è dovuta da ionizzazioni sempre più importanti con l’aumentare deposizione dell’energia energia oppure, a energia costante, con l’aumentare della massa della particella Protone Particella α Ione C E = 1 MeV/u 1 nm Terapia conformazionale Riuscire a dare il massimo di dose ai tessuti tumorali risparmiando i tessuti sani circostanti Dose-effetto Compromesso tra dose irradiata al tumore e complicazioni negli organi/tessuti adiacenti Apparecchiature Testate ruotanti per meglio focalizzare le cellule tumorali Sistemi multilamellari per “conformare” esattamente il volume del tumore da trattare Adroterapia! La dose rilasciata dai protoni in funzione della penetrazione nel corpo umano ha una caratteristica dipendente dalla energia dei protoni Modulando l’intensità, posizione e energia del fascio si riesce ad ottenere un rilascio della dose sul tumore con minima invasività Adronterapia? • Proposta da Ugo Amaldi negli anni 90’ l’INFN “supporta” TERA (TERapia con Adroni) e finanzia ATER progetto R&D sull’adronterapia • Nel 2002 l’INFN realizza, in collaborazione con l’Università di Catania, presso i LNS la prima struttura di adronterapia italiana (Progetto CATANA) • L’INFN come centro di ricerca di eccellenza sugli acceleratori garantisce come partner fondamentale la costruzione e l’operatività del CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) a Pavia Progetto CATANA Sistema per il trattamento di tumori oculari con fasci di protoni da 62 MeV Risultati clinici 138 pazienti con follow-up su 174 4 pazienti deceduti (3 a causa di metastasi) • Non enucleazione dell’occhio 95% • Controllo locale del tumore 98% • Sopravvivenza totale 95% Risulta il trattamento migliore per il melanoma! Possibile evoluzione? passaggio a protoni e ioni leggeri (300 MeV/n) Progetto “quasi” operativo a Pavia fascio Terapia diodo filtro Y X modificatore del range modulatore Z collimatore configurazione del tumore salvando il nervo ottico CNAO Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica a Pavia (entrata in funzione nel corso del 2011) ¾ acceleratore di particelle per produrre sia protoni che, in un prossimo futuro, ioni leggeri ¾ centro d’avanguardia per il trattamento del cancro e le ricerche in radiobiologia Centro di eccellenza Struttura ospedaliera inserita all’interno del centro Europeo di Oncologia A regime circa 1000 pazienti/anno con circa 5000 sessioni di trattamento Magneti I magneti per la deflessione del fascio e controllo della traiettoria: 8 + 1 a 90º per la linea verticale sviluppati in collaborazione con la Sezione INFN di Genova Altri progetti Progetto SPES Presso i Laboratori Nazionali di Legnaro Acceleratore innovativo utilizzabile anche per fini clinici con sviluppo di dosimetri e rivelatori specifici BNCT Boron Neutron Capture Therapy utilizzato con successo per la cura dei tumori con il reattore di Pavia Progetto ELBA Rimozione del fegato Irradiazione del fegato con il “reattore” Ritorno in sala operatoria per il reimpianto del fegato Strumenti innovativi Un misuratore di Ferro nel fegato (non invasivo!) per la diagnosi di anemie (thalassemia e mocromatosi ereditaria) Esperimento MID(2) Dal febbraio 2005 misurati un migliaio di pazienti, oltre ai volontari, presso l’E.O. Galliera di Genova Dosimetria avanzata Misura accurata non solo della dose ma anche della sua distribuzione spaziale e temporale Ad esempio: rischi legati a lunghe permanenze degli equipaggi fuori dell’atmosfera terrestre mediante lo studio della componente nucleare dei raggi cosmici: • monitoraggio della esposizione degli astronauti • interazione (modifica) dei materiali Calcolo e reti Infrastrutture Calcolo distribuito, sicurezza e gestione dati HealthGRID BioinfoGRID Algoritmi Simulazione e modellistica Elaborazione di immagini medicali Metodi matematici e statistici Progetti Strategici INFN Iniziative promosse al fine di : a) Valorizzare sul piano applicativo le attività tecnico – scientifiche condotte dall’Istituto nell’assolvimento dei propri compiti istituzionali b) Mantenere e rafforzare la “leadership“ dell’ INFN a livello internazionale in attività di ricerca che necessitano di sviluppi tecnologici mirati c) Trasferimento verso altre realtà nazionali e internazionali di “prodotti” realizzati all’interno dell’Istituto INFN-MED Diviso in sottoprogetti che definiscono: ¾ Gli obiettivi ed i prodotti ¾ Le risorse umane e finanziarie ¾ Il piano temporale e le milestones ¾ I finanziamenti esterni all’ente e/o la potenzialità di attrarre finanziamenti esteri Acceleratori studio e costruzione di apparati BNCT valorizzazione della ricerca Imaging trasferimento delle analisi in rete Rivelatori innovativi e avanzatissimi TPS sistemi di piani di trattamento RT Conclusione L’INFN è in grado di trasferire le proprie conoscenze, studi e applicazioni derivate dalle ricerche nel campo della “fisica di base” ai differenti campi della vita di ogni giorno tra cui la medicina è, forse, il più importante Occorre però non offrire ai medici le competenze ma discutere con loro e ricevere da loro le richieste per ottenere i migliori risultati Per raggiungere lo scopo sono necessarie: Capacità e competenza Fiducia da parte del mondo clinico Inserimento internazionale Vi ringrazio per la gentile attenzione! Sono pronto a rispondere a tutte le vostre eventuali domande
