Dalla radioterapia all'adroterapia: nuove frontiere per vincere la battaglia contro i tumori

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Adroterapia, una delle nuove frontiere nella cura dei tumori. Questa terapia utilizza gli adroni come particelle ionizzanti, e nasce dall'evoluzione della radioterapia tradizionale. Ecco le differenze e i vantaggi di questa tecnica terapeutica rispetto alla radioterapia convenzionale.

La popolazione europea colpita da episodio di cancro, si sottopone a tecniche curative di tipo loco-regionale e la chirurgia può essere il metodo più semplice, sicuro ed efficace per curare un paziente affetto da un tumore solido, che si integra con altri trattamenti come la chemioterapia, l’immunoterapia e la radioterapia

Circa il 50% dei pazienti con tumori maligni localizzati sono trattati con radiazioni X, di solito ad alta energia (≥500 keV), come parte della loro terapia iniziale.
Il successo del trattamento con radiazione, dipende dalla dose di radiazione totale rilasciata al tumore e purtroppo la tolleranza dei tessuti sani circostanti il tumore è un fattore limitante. La gravità degli effetti tossici a seguito di una data dose di radioterapia varia dipendentemente da fattori genetici o fisiologici e spesso non può essere prevista prima del trattamento.

E' dunque chiaro che per migliorare il trattamento radioterapico dei tumori loco-regionali si deve agire massimizzando la dose ceduta al volume tumorale, preservando i tessuti sani circostanti.
L’uso dei fasci di fotoni e di elettroni per il trattamento del cancro è ormai una routine ospedaliera, ma negli ultimi decenni si sono diffuse nuove tecniche di irraggiamento, dette collettivamente di “adroterapia”, in quanto le particelle utilizzate sono “adroni”, ovvero le particelle nucleari fatte di quark. 

Gli adroni più utilizzati sono i protoni, nuclei dell’atomo di idrogeno, e gli ioni carbonio, nuclei dell’atomo di carbonio privati dei loro 6 elettroni. Questi adroni elettricamente carichi, essendo pesanti rispetto agli elettroni, sono poco deflessi nel percorso all’interno del paziente e hanno quindi una traiettoria praticamente rettilinea nella materia attraversata.

Tutte le particelle usate per radioterapia e adroterapia (fotoni, elettroni e adroni) colpiscono le cellule tumorali e il loro DNA producendo danni non riparabili; in pratica la cellula tumorale non riesce più a replicarsi correttamente e va incontro alla morte.

Rispetto alla radioterapia convenzionale con raggi gamma o elettroni, l’adroterapia punta a migliorare la sicurezza di qualità, ad aumentare il rapporto di dose per la zona bersaglio rispetto ai tessuti normali e a risparmiare il più possibile i tessuti sani circostanti, comportando così notevoli vantaggi per il paziente sottoposto al trattamento.

Cos’è l’adroterapia?


Adroterapia
Adroterapia - Credit by UniversitätsKlinikum Heidelberg

Il 20% dei tumori sono radio-resistenti alla radioterapia convenzionale (fotoni o elettroni)e per migliorare il trattamento radioterapico dei tumori loco-regionali è stato necessario agire massimizzando la dose (energia depositata in un volume/massa del volume) ceduta al volume tumorale, preservando al massimo i tessuti sani circostanti.

L’uso di fasci di protoni e ioni carbonio è stato introdotto recentemente allo scopo di curare tumori resistenti alle classiche tecniche di radioterapia oppure quelli non operabili chirurgicamente. Essa rappresenta una terapia aggiuntiva e non sostitutiva di quelle convenzionali.
Le particelle che utilizza per il trattamento del cancro sono gli adroni, protoni e ioni pesanti. Queste particelle cariche di energia ne depositano la maggior parte negli ultimi centimetri del percorso, prima di fermarsi in quello che si chiama il picco di Bragg, che corrisponde alla posizione del tumore. Poiché il picco di Bragg per le particelle di una certa energia è molto stretto, fasci di energie diverse possono essere sovrapposte per produrre uno spread-out del picco di Bragg (SOBP) che copra l’intero tumore.
Le caratteristiche della curva di Bragg indicano che la terapia delle particelle adroniche è in grado di fornire ottime distribuzioni della dose nel paziente, anche in confronto a tecniche a raggi X più avanzate. Da questo deriva la precisione dell'adroterapia: gli adroni, prodotti utilizzando un acceleratore, possono essere pilotati a colpire quasi solo le cellule malate, minimizzando così i danni nei tessuti sani.

Scelto lo ione da impiegare e l'energia del fascio di particelle, è possibile regolarne la penetrazione in base alla localizzazione e alla struttura del tumore. In particolare, gli ioni carbonio hanno una ridotta dispersione laterale, in confronto ai protoni, che li rende particolarmente utili nella cura di tumori profondi; ad esempio un fascio di ioni carbonio di 300 MeV/nucleone (MeV/n) penetra circa 20 cm di tessuto umano o, equivalentemente, di acqua. Le basi fisiche e radiobiologiche suggeriscono che gli ioni leggeri, come gli ioni carbonio, possano essere una terapia innovativa ed efficace anche per la cura dei tumori resistenti alla radioterapia, come il carcinoma delle cellule renali, il melanoma e il glioblastoma.

Un po’ di storia.

La nascita della radioterapia, disciplina clinica per la cura dei tumori che si serve delle radiazioni ionizzanti, è stata una diretta conseguenza di tre scoperte fondamentali avvenute poco più di 100 anni fa per merito di W.C. Roentgen (1895), H. Becquerel (1896) e M. e P. Curie nel 1898, scienziati che grazie alle loro ricerche conseguirono il premio Nobel. Per arrivare alla moderna radioterapia, che si serve oggi delle alte energie dei fasci di radiazioni ionizzanti, meno lesive e più efficaci, occorrono altri 50 anni di progressi scientifici nel campo delle radiazioni e delle loro applicazioni in medicina.
All'inizio degli anni '50, in Canada, viene reso disponibile un apparecchio terapeutico che usufruisce della radioattività emessa dal Cobalto 60, un isotopo radioattivo che ha un tempo di dimezzamento di circa 5 anni e che è in grado di emettere raggi gamma di 1.25 MeV. Lo sviluppo tecnologico in campo radioterapico affiancato dall’informatica, ha fatto in modo che negli ultimi 20 anni del XX secolo ci siano state numerose altre innovazioni. La ricerca di nuovi isotopi e di nuove modalità di trattamento che offrano maggiore protezione per il paziente e l’operatore, sono stati e sono tuttora gli obiettivi dei ricercatori e degli scienziati.
La necessità di misurare le radiazioni ionizzanti e di conoscerne la distribuzione all’interno del corpo umano ha segnato lo sviluppo della radioterapia, con la possibilità di ottenere grandi benefici, dalla guarigione dalla malattia tumorale alla riduzione al minimo degli effetti collaterali. Fu Robert R. Wilson, nel 1946 a proporre i protoni accelerati per la terapia del cancro localizzato, in base alla loro favorevole profondità di distribuzione di dose nel tessuto.

Il primo utilizzo clinico di protoni è stato nel 1950 per la pituitaria soppressione ormonale nel carcinoma mammario metastatico. La protonterapia per molti decenni si è sviluppata lentamente poiché venivano utilizzati, principalmente, acceleratori costruiti per la ricerca nucleare. Un efficiente terapia con protoni dei melanomi oculari, tumori poco profondi e piccoli che richiedono protoni di 65 MeV (corrispondente a 4 cm di penetrazione nei tessuti molli) si è sviluppata in seguito alle esperienze iniziali. Più di circa 15.000 pazienti sono stati trattati nel mondo con ottimi risultati.

In Italia nei Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN è stato creato, usando un ciclotrone superconduttore dedicato alla fisica nucleare, un centro di protonterapia di questo tipo. Altri centri europei per melanomi oculari si trovano in Svizzera, Francia, Gran Bretagna e Germania. La terapia con ioni pesanti, invece, è iniziata nel 1970 con Cornelius A. Tobias, il quale suggerì che particelle più pesanti dei protoni avrebbero potuto fornire ulteriori vantaggi, come la ridotta dispersione laterale. Nel 1993 il primo ospedale a divenire operativamente dedicato all’adroterapia è stato il Loma Linda University Medical Center in California. Sono circa 30 i centri costruiti a scopi clinici adroterapici. La maggior parte utilizzano protoni (in USA, Russia, Giappone ed Europa), mentre la terapia con ioni carbonio è ancora di confine tra la ricerca e la pratica clinica. Oggi, i centri dove i pazienti vengono trattati con fasci di ioni carbonio sono: in Germania al GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH) a Darmstadt e in Giappone allo Heavy Ion Medical Accelerator Center (HIMAC) e allo Hyogo Ion Beam Medical Center (HIBMC).
Il 15 febbraio 2010 è stato inaugurato a Pavia il CNAO, Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica, il primo centro ospedaliero in Italia (e il quarto del mondo, dopo gli Stati Uniti, la Germania e il Giappone) espressamente dedicato al trattamento dei tumori mediante l'adroterapia.

Vantaggi dell’adroterapia rispetto alla radioterapia


Adroterapia
Adroterapia - Credit by UniversitätsKlinikum Heidelberg

I fasci di fotoni ed elettroni sono caratterizzati da dispersione laterale unitamente ad un rilascio di energia maggiore all’inizio del volume di trattamento e pertanto non rispondono alle specifiche previste per il trattamento di tumori in profondità.

Le particelle usate in adroterapia, quali protoni e ioni carbonio, hanno invece una intensa ionizzazione locale, specialmente a fine percorso, unitamente a una ridotta dispersione laterale, che ne aumentano l'efficienza nel trattamento dei tumori profondi radio-resistenti.
La terapia con protoni e ioni carbonio è particolarmente indicata per numerosi siti tumorali (occhio, base cranica, fegato, addome superiore, pelvi, polmoni, midollo spinale) perché riducendo la dose integrale da fornire, diminuisce il rischio di cancro secondario.
In particolare, i protoni sono particolarmente utilizzati per i tumori pediatrici, dove un elevato rischio di complicazioni, a causa di radiazione indotta nei tessuti normali, è previsto per l’aumento della sensibilità nei tessuti inerenti.
La terapia con ioni carbonio, invece è particolarmente efficace per i tumori della testa, del collo, della base cranica, del polmone, del fegato, della prostata, ossei e dei tessuti molli.

Gli ioni carbonio presentano un vantaggio che riguarda la durata del trattamento. Un paziente trattato con protonterapia, così come avviene per i raggi X, si deve sottoporre a 20-30 sedute, per un totale di 4-6 settimane di cura. Nel caso degli ioni carbonio il trattamento può essere concentrato in 8-10 sedute con un notevole risparmio di stress per il paziente e di costi.
Un altro vantaggio è la maggiore localizzazione dell’azione radioterapica, poiché gli ioni carbonio raggiungono sia il picco del rilascio di energia che quello della efficacia biologica (RBE, Relative Biological Effectivness) alla fine del percorso delle particelle.

Il concetto di RBE consente di valutare l’efficacia dell’irraggiamento con ioni rispetto a quello con i raggi X. Ad esso è legata la dose biologica Deq = D*RBE che indica il danno biologico causato da un fascio di ioni in funzione della dose depositata dai raggi X per ottenere lo stesso effetto. Protoni accelerati a 200 MeV e ioni carbonio accelerati a 400 MeV, per merito del picco di Bragg, permettono di trattare tumori profondi (anche a 25 cm sotto la pelle) con precisione millimetrica, risparmiando i tessuti sani in quantità maggiore rispetto a un fascio di raggi X. Pertanto l’adroterapia è una tecnica meno invasiva della radioterapia tradizionale e risulta più adeguata per un numero sempre crescente di tumori.
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