RDH-IRPT

Responsabile: Dott. Flavio Marchetto

L’adroterapia, ovvero la cura dei tumori con fasci di ioni carichi, è un campo nel quale l’INFN svolge attività di ricerca e sviluppo da diversi anni. Essa non costituisce solamente un caso paradigmatico di applicazione delle ricerche in fisica nucleare, fisica delle particelle e acceleratori in un ambito di estrema attualità e con ricadute immediate e positive nella società: è anche un ambito ricco di opportunità di ricerca di avanguardia e di problemi aperti ancora da affrontare.

Dopo il lavoro pionieristico presso i Laboratori Nazionali del Sud con la facility CATANA per la cura del tumore oculare, e l’enorme contributo per la realizzazione e commissioning del primo centro clinico, il CNAO di Pavia, la comunità scientifica dell’INFN che lavora in questo ambito si trova ad affrontare nuove sfide, inserite in un più ampio contesto europeo, per rendere questa tecnica competitiva con la radioterapia convenzionale. Alcuni esempi sono l’ottimizzazione della pianificazione e delle procedure di trattamento, il miglioramento della comprensione degli effetti radiobiologici, inclusi gli effetti a lungo termine, lo sviluppo di nuovi rivelatori e nuove tecniche di imaging per migliorare il controllo durante il trattamento, lo sviluppo di sistemi di dosimetria specifici e lo sviluppo di nuove tecnologie per l’accelerazione dei fasci. Vi sono inoltre alcune lacune da colmare nella misura di alcuni processi nucleari di interesse, quali ad esempio la frammentazione.

RDH (Research and Development in Hadrontherapy) è un progetto scientifico comune che riunisce tutte le realtà che operano all’interno dell’INFN in un’unica attività sperimentale in grado di affrontare in modo coordinato le sfide descritte, e che rappresenta allo stesso tempo il terreno fertile per il trasferimento tecnologico e di conoscenze. Parte del progetto scientifico di RDH è anche oggetto del progetto premiale INFN IRPT (Innovation in Radio and Particle Therapy), finanziato dal Ministero Italiano della ricerca.

Le attività di RDH e IRPT coinvolgono 13 sezioni INFN, diverse Università e altre istituzioni esterne quali il CNAO, in CERN, il Centro Fermi, l’Istituto Nazionale Tumori e alcuni altri. Le attività sono suddivise in Working Packages; nel seguito sono riportati solo i WPs nei quali vi è il contributo di Torino.

WP1: Innovative Treatment Planning Systems (coordinatore Dott. Andrea Attili)

L’obiettivo dell’attività proposta in questo WP è lo studio e l’implementazione di sistemi innovativi per la pianificazione del trattamento (TPS) al fine di sfruttare in modo ottimale i benefici fisici e biologici della terapia con fasci di ioni.

L’attività del gruppo ha portato allo sviluppo di un prototipo di TPS commerciale per trattamenti con protoni e ioni carbonio, chiamato PlanKIT (Planning Kernel for Ion Therapy), realizzato e validato nell’ambito di un accordo con la ditta belga IBA (Ion Beam Application), e alla sottomissione di un brevetto congiunto INFN/IBA. In parallelo, l’attività copre diversi aspetti quali:

  • sviluppo di modelli per terapia adattativa, che sfruttano la dose ricostruita a partire dai dati raccolti durante le frazioni del trattamento (in-beam PET, monitoring del fascio, posizione e movimenti del paziente) per applicare tecniche di ri-ottimizzazione e compensazione della dose;
  • metodologie innovative per la pianificazione, quali l’inclusione nel modello di ottimizzazione delle incertezze del trattamento (robust planning), modelli di ottimizzazione 4D, TPS basati su metodi MonteCarlo, simulazione dell’attivazione radioattiva del paziente successiva all’irraggiamento;
  • sviluppo ed estensione di modelli radiobiologici, includendo ad esempio l’effetto dei radiosensibilizzanti o dell’ossigeno (OER);
  • analisi retrospettiva dei clinical trials attraverso una simulazione completa dei trattamenti, implementazione di metodi di training per l’ottimizzazione della parametrizzazione radiobiologica basata sui dati clinici.

Tutte le attività descritte sono svolte in collaborazione con le sezioni INFN di Milano, Roma, Pisa e Catania.

WP2: nano-Amplified Targeted Therapy (coordinatore: dott. Piergiorgio Cerello)

L’attività del WP2 consiste in un’indagine approfondita sulle potenzialità delle nanoparticelle di oro (AuNP), legate ad opportuni agenti traccianti PET, quali radiosensibilizzanti al fine di aumentare l’efficacia dei trattamenti dei tumori in radioterapia e adroterapia. Questi costrutti, iniettati nel paziente prima del trattamento, tenderanno ad accumularsi maggiormente nel volume tumorale rispetto ai tessuti sani. Durante il trattamento, l’aumento del valore medio del numero atomico Z, legato dall’accumulo di AuNP, dovrebbe causare nel volume bersaglio un incremento del rilascio locale di dose e del danno cellulare, senza incrementare il danno ai tessuti sani circostanti.

Il progetto prevede lo studio di due percorsi biochimici per l’accumulo selettivo di AuNP, basati sul metabolismo del glucosio (FDG) e su quello dei peptidi (RGD). L’attività prevede la produzione e la caratterizzazione di AuNP legate a traccianti FDG e RGD radiomarcati, lo studio e l’ottimizzazione dell’accumulo selettivo attraverso scansioni micro-PET/CT su piccoli animali e la misura in-vitro degli effetti radiosensibilizzanti su diverse colture cellulari irraggiate con fotoni e fasci adronici. Fa inoltre parte del progetto lo studio della modellizzazione radiobiologica e la simulazione nanodosimetrica dell’irraggiamento in presenza di radiosensibilizzanti al fine di comprenderne meglio l’effetto.

Questo lavoro si avvale della collaborazione delle sezioni INFN di Pisa, Milano e Roma3, del Dipartimento di Biotecnologie Molecolari e Scienze della Salute dell’Università di Torino e del CNR di Pisa.

WP7 RDH e WP6 IRPT: Monitor per fasci pulsati di alta intensità (coordinatore: Dott. Roberto Sacchi)

Al fine di ridurre le dimensioni e la complessità delle macchine acceleratrici per adroterapia ed aumentarne al contempo la flessibilità, sono state proposte negli ultimi anni diverse tecnologie di accelerazione innovative (accelerazione laser, Cyclinacs) o derivate da tecnologie esistenti (sincrociclotroni, Fixed Field Alternating Gradient). La struttura temporale dei fasci prodotti in questi acceleratori è composta di impulsi di breve durata, inferiore a qualche microsecondo, nei quali il flusso del fascio è ordini di grandezza superiore rispetto ai fasci terapeutici attualmente utilizzati. In queste condizioni le camere a ionizzazione a piani paralleli, che rappresentano il metodo più comune per misurare il flusso di particelle del fascio, sono affette da inefficienza, dipendente dal flusso stesso, dovuta alla ricombinazione delle cariche a causa dell’alta densità di ionizzazione nel gas.

L’attività di questo WP consiste nello sviluppo di un rivelatore innovativo in cui venga misurata simultaneamente la carica prodotta per ionizzazione in due o più camere a ionizzazione a piani paralleli di diversi spessori e alimentate con tensioni differenti. Poiché la ricombinazione ionica dipende dal campo elettrico nel gas e dalla distanza percorsa dalle cariche prima di essere raccolte agli elettrodi, il confronto tra le misure consente di determinare la densità di ionizzazione nel gas e di risalire quindi all’efficienza di raccolta. Una parte dell’attività consiste anche nel disegno di un nuovo chip di lettura delle camere, basato sull’architettura del chip TERA, attualmente utilizzato in diverse applicazioni cliniche (es. nelle camere monitor di CNAO), con un range dinamico esteso che consenta di leggere le alte correnti prodotte dalle camere durante gli impulsi del fascio. A questo riguardo è stato siglato un accordo di collaborazione con la ditta DE.TEC.TOR, spin-off della sezione INFN di Torino, che rappresenta il partner privilegiato per il futuro trasferimento tecnologico di questo prodotto.

Dott. Flavio Marchetto

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