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
