Pre-clinical experimental and theoretical
studies to improve treatment and
protection by charged particles
ETHICS
Proposta di nuovo esperimento
Comprendere i meccanismi alla base dell’azione delle
particelle cariche utilizzate in campo medico su cellule sane
e ridurne le conseguenze sulla salute
INFN CSN-V
2015-17
Nuclear Physics European
Collaboration Committee (NuPECC)European Science Foundation (ESF)
“Nuclear physics is a coin that has two
sides: basic research and applications.
Without basic research there would be
little to be applied; applications
resulting from basic research contribute
to the wealth and health of society.”
“Clinical implementation of biologically-optimised plans is often hampered by the
uncertainties in radiobiology… The issue is even more severe with particle
therapy…Radiobiology of charged particles may represent a major improvement
of hadrontherapy compared to X-ray therapy”
Razionale scientifico e scopo del progetto
L’applicazione terapeutica di fasci esterni di particelle cariche si è dimostrata molto
efficace nel trattamento tumorale grazie alla loro migliore precisione balistica e
alla più elevata efficacia radiobiologica rispetto alla radioterapia con fotoni. Le
stesse proprietà radiobiologiche sono poi sfruttate dalla radioterapia con
radionuclidi in cui particelle cariche a cortissimo range sono rilasciate da isotopi
incorporati
Tuttavia, notevoli incertezze sugli effetti sul tessuto sano di basse dosi di particelle
cariche esistono sia nell’esposizione ai fasci esterni che in medicina nucleare, il che
impedisce accurate stime di rischio. Si pensi, per esempio, ai recenti dati che
mostrano una maggiore incidenza di complicazioni cardiovascolari in pazienti
sottoposte al trattamento di tumori al seno, nonostante gli attuali piani di
trattamento riducano sensibilmente la frazione di tessuto cardiaco esposto
La necessità di accurate stime di rischio non si limita al campo medico ma è
essenziale anche per la popolazione generale, esposta spesso a dosi croniche,
come nel caso dell’inalazione di gas radon indoor
Il progetto, pertanto, intende studiare i meccanismi alla base degli effetti biologici
delle particelle cariche su cellule sane mirando allo sviluppo di strategie per
minimizzare le conseguenze per la salute umana del loro impiego in campo medico
40
20
0
1950
1970
1990
2010
Evoluzione temporale dei centri di
protonterapia nel mondo
Piano sperimentale
Verranno impiegati vari ioni e studiati gli effetti di dosi moderate/basse in cellule
sane:
Una fase iniziale prevedrà l’impiego di linee cellulari rilevanti per specifici tessuti
Dallo studio meccanicistico in vitro si passerà poi ad affrontare le problematiche
che risulteranno di maggiore rilevanza in vivo
Verrà considerato l’impatto di approcci quali dose-escalation (ipofrazionamento)
per gli effetti che tale forma di trattamento può avere nella risposta del tessuto
sano e nella comunicazione con le cellule tumorali (signalling cellulare, nontargeted effects, etc), anche in questo caso utilizzando inizialmente sistemi cellulari
modello in vitro e, in prospettiva, modelli animali
Verranno considerate condizioni legate a trattamenti tipici della medicina nucleare,
che prevedono esposizioni protratte con
generazione
radioemettitori
a e/o b
di nuova
A livello di interazione radiazione-materia, in questi scenari di esposizione
diventano fondamentali le problematiche relative alla distribuzione non omogenea
dei depositi energetici a livello spaziale e temporale, che richiederanno
un’adeguata modellizzazione ed avanzate tecniche di bioimaging
WPs (provisional)
• WP.1: Effects on normal cells of charged
particles in vitro
• WP.2: Targeted radiotherapy:
radionuclide metabolic therapy
• WP.3: In vivo studies
Rilevanza e attualità del progetto
in relazione alla mission INFN e alla ricerca nel campo
• Una delle missioni dell’Ente è la promozione della ricerca interdisciplinare: nel progetto
confluiscono competenze ed obiettivi di fisica applicata (radiobiologia, fisica medica,
dosimetria) e teorica (modellizzazione)
• Nell’ultimo piano triennale 2012-14 (pag. 89) si legge: «L’applicazione della fisica
fondamentale alla salute dell’uomo e all’ambiente sta diventando un’esigenza primaria
e riconosciuta della ricerca moderna». Viene in tale contesto riconosciuto un ruolo di
primo piano alla radiobiologia ed alla necessità che essa si rapporti con la fisica medica
operativa e la clinica
• In tal senso, il progetto prevede l’utilizzo di infrastrutture quali il CNAO ed il Polo
Oncologico di Cefalù, mediante l’inclusione organica nel progetto di ricercatori
dell’IBFM-CNR, la cui unità comprende, oltre ad un laboratorio di metodologie
genomiche e cellulari, è specializzata nell’elaborazione di bioimmagini. Tali interazioni
permetteranno una stretta associazione con il mondo della fisica medica e della clinica
• Parte integrante del progetto saranno, inoltre, i LNS, pionieri nel campo della
protonterapia in Italia e dove sarà esplorata la possibilità di esperimenti, e i LNL, le cui
facility di irraggiamento sono da anni impiegate in esperimenti di radiobiologia e in cui
SPES permetterà, in prospettiva, la produzione di radioisotopi innovativi per
applicazioni nel campo della diagnostica e della terapia
Expertise del gruppo, infrastrutture,
collaborazioni internazionali/nazionali
Al progetto aderiscono gruppi che da anni svolgono attività di ricerca nell’ambito della
biofisica delle radiazioni ionizzanti finanziata dalla CSNV, con particolari competenze nello
studio degli effetti delle particelle cariche mediante tecniche all’avanguardia. All’interno
delle Sezioni e dei Laboratori Nazionali coinvolti sono presenti infrastrutture idonee al
raggiungimento degli obiettivi del progetto.
Una collaborazione organica a più livelli già esiste o è in fase di definizione con diverse
istituzioni internazionali e nazionali: la Queen’s University, Belfast (UK), Strathclyde
University of Glasgow (UK), Institute of Radiation Biology, Helmholtz Zentrum München
(DE), Seconda Università degli Studi di Napoli (SUN), Laboratorio di Fisica Medica e
Sistemi Esperti-IFO, Roma, e IRST, Meldola (FC)
Infrastrutture e tipologie di fasci impiegati:
- esposizioni acute (LNL, LNS, CNAO): p, He, 12C, 16O
- esposizioni protratte (ISS, LNL): He
Impatto della ricerca, Horizon 2020 e richieste ai servizi
di Sezione
Ricadute sono attese nel progresso della ricerca sullo studio dei meccanismi di
base sulla interazione tra fasci di particelle cariche e sistemi biologici,
complementare agli studi di ottimizzazione del trattamento tumorale condotti
in altri progetti (vedi RDH) e in medicina nucleare (terapia radiometabolica), con
il fine ultimo del miglioramento della radioprotezione del paziente
Horizon 2020-Priority:
“Scientific Excellence” data la partecipazione di competenze nazionali ed
internazionali nei suddetti campi; “Societal Challenges”, Specific objectives:
“Health” in quanto uno dei principali obiettivi del progetto consiste nella
riduzione del rischio di conseguenze per la salute umana
Horizon 2020-EURATOM Radiation Protection
Gli argomenti trattati fanno parte delle priorità di ricerca identificate dalla SRA
di MELODI (piattaforma di ricerca europea nel campo delle basse dosi di RI)
Ogni Sezione valuterà le richieste ai propri servizi sulla base delle proprie
esigenze e di come esse siano funzionali al progetto.
Fattibilita' e sostenibilita’ del progetto:
manpower, risk assessment, financial plan
A livello nazionale il progetto attualmente annovera le seguenti unità:
Sezioni (Responsabili)
NA (L.Manti) Responsabile nazionale
Roma1-Gr.coll.Sanità (M.A. Tabocchini)
PV (F.Ballarini)
LNL (R.Cherubini)
LNS (G.Russo)
AQ (L.Palladino)
Totali
FTE
2.0 (+2.0 da associazioni in corso)
3.0
2.7
2.0
1.0
2.0
11.7 (+ 2.0 nel 2015)
• Per ottimizzare le risorse e garantire la sostenibilità del progetto, esso sarà articolato
in un congruo numero di Work Packages (WP) in via di definizione
• Un dettagliato risk assessment sarà previsto per garantire il raggiungimento delle
milestone fissate, intervallate da dettagliati deliverable.
• Richieste finanziarie (ripartite per WP) nell’ordine di 250 k€/anno
Unità di Napoli
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Lorenzo Manti RU
Gianfranco Grossi PO
Francesca Perozziello dottoranda
Luigi Campajola Tecnologo EP
70%
80%
30%
20%
E’ in corso l’associazione all’INFN di una specializzanda in Fisica Sanitaria
(Università di Napoli) e di ricercatori del CNR-IBFM, Cefalù (PA)
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•
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Mafalda Boccia Specializzanda
Valentina Bravatà Ricercatore TD
Francesco P. Cammarata Ricercatore TD
Luigi Minafra Ricercatore TD
50%
50%
50%
50%
