Sandro Squarcia

L’I.N.F.N. e la ricerca in medicina

La fisica delle particelle e del nucleo può aiutare la salute?

Genova 14 dicembre 2010Genova 14 dicembre 2010

Laboratorio di Fisica e Statistica MedicaDipartimento di Fisica - Sezione INFN di Genova

Via Dodecaneso 33, 16146 Genova010 353 6207

squarcia@ge.infn.it

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

Diagnostica e terapia clinicaAlcuni esempi “significativi”Il progetto strategico INFN-MED

Missione dell’INFNL’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN),

promuove, coordina ed effettua la ricerca scientifica nel campo della fisica

subnuclearenucleare

e astroparticellarenonché lo sviluppo tecnologico

necessario alle attività in tali settoriOpera in stretta connessione con l’Università

nell’ambito della collaborazione e del confronto internazionale

Fisica medicaMaggiori campi di interesse:Acceleratori dedicati alla terapia

AdroterapiaBNCT

ElettronicaRivelatoriDosimetria

Calcolo e reti Imaging clinicoSimulazioneSistemi Avanzati di Calcolo

Perché parlare di fisica applicata alla medicina?

Aumento della vita mediaNelle nazioni sviluppate aumenta sempre più!

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

In Italia all’inizio del secolo scorso era 54 anniora è 76 anni (donne 82) in aumento costante!

Progressi della medicinaEliminando 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 fisicoPer legge il fisico ospedaliero (con diploma della Scuola di Specializzazione in Fisica Sanitaria) collabora col medico nella pratica clinicaGestisce 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 X1895: Röntgen scopre i raggi XGli 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

organizza il primo servizio di radiografia clinica per i militari di truppa durante la I guerra mondiale

Immediati utilizzi clinici

Tubo per diagnosi con raggi X

dell’inizio del 1900

Radiografia moderna

La radiografia rimane la più comune ed economica tra le macchine diagnostiche

Visti i vantaggi, ci si sta spostando sulla radiografia digitale

Immagine analitica invece che immagine sintetica

Tomografia

ottenuta ruotando sia

il tubo radiogeno che la “cassetta”

attorno ad un asse passante per il piano che si vuole analizzare

Sfumatura tomografica

mentre le altre sfumano a seconda della distanza da cui si

trovano rispetto al punto focalizzazione

Solo le strutture contenute nello strato che rimane fisso rispetto al punto di osservazione rimangono bene impresse

Tomografia assiale computerizzataSerie di radiografie in sequenza

La TAC (ovvero TC) è una sonda intracorporea

“a spirale”

Tomografia ad emissione di positroni

emette un positrone che si annichila in 1-2 mm con un elettrone del materiale

emettendo due fotoni collimati di energia fissa (511 keV) che

possono essere rivelati

PET

Radionuclide iniettato

AnnichilazioneI 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

Ad esempio permette la differenziazione

dell’attività cerebrale nelle diverse zone del

cervello

Permette quindi una visualizzazione della funzionalità degli organi

SPECTTomografia 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)

Migliore risoluzione anatomica

Sfrutta il processo di assorbimento ed emissione di fotoni con energia E = hν

da parte dei livelli

quantizzati esistenti nella materia (acqua!)

Si apprezzano anche le nervature all’interno della calotta cerebrale

Pratica non invasiva

Complementare a TAC PET e SPECT

Risoluzione altissima

Colonna vertebrale

Ginocchio

Immagini per l’Alzheimer

Anatomia FisiologiaFisiologia

Come possiamo vedere le modificazioni del cervello?

La struttura: le immagini

La funzione: la irrorazione sanguigna

Source: Harrison et al. (2002). Cerebral Cortex.

Invecchiamento e perdita neuronaleLe 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

Roberto Cabeza et al. NeuroImage 17, 1394–1402 (2002)

Non cercare di competere con i

più giovanima creare altri

centri che portino a una

modificae a una

specializzazionedi “nuove” zone

cerebrali

Progressiva scomparsa della materia grigia e sua sostituzione da parte del liquido endorachidiano

CervelloLa MRI può misurare il diverso grado di atrofia

Diagnosi dell’Alzheimer“…non vi è una diagnosi definitiva della malattia di Alzheimer se non dopo una biopsia cerebrale oppure un’autopsia…”

Storia clinica del pazienteAnalisi del sangue (ricerca di marker)Test di capacità cognitiva (MMSE, Blessed Dementia Scale, …)Follow-up (perdita progressiva della memoria, delle abilità spaziali, del movimento, …)Parametro anatomico-funzionale aggiuntivo

Esperimento Magic-5L’analisi delle neuroimmagini è iniziata nel 2007Segmentazione 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

IppocampoLa 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

che pare essere associata alla perdita della memoria

avvenga nella fase

iniziale della

malattia di Alzheimer

AlzheimerDifferenza 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

135 Normal 76 ± 6 Years247 MCI 75 ± 7 Years

Tre categorie:- “normali”- MCI: Mild Cognitive Impairment- malati (AD)

Come evolveranno?non è un malato

di Alzheimer!

La radioterapia

RadiazioniSono pericolose ma conosciute!

Possono però essere utilizzate positivamente

Hiroshima e Nagasaki (1945)Three Mile Island (1979)Chernobyl (1986)

Veste protettiva utilizzata dai radiologi

agli inizi del 1900

a fini clinici nella radioterapia oncologica

Trattamento del cancroCausa principale di morte nei paesi sviluppati

Da rapporti recenti della UE:Senza terapia 49 %

Altri trattamenti 3 %

Chirurgia 24 %Radioterapia 15 %Chirurgia e radioterapia 9 %

CONTROLLO LOCALE DEL TUMORE

51 %

Il miglioramento della terapia è dato dal

Cosa è un tumore?Le cellule del nostro corpo ricevono dei segnali che indicano loro quando crescere e moltiplicarsi

e quando tale crescita deve arrestarsiIl tumore, oggi, può essere considerato una patologia a componente genetica caratterizzata

da una crescita cellulare incontrollataNel 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?

Modificare, con le radiazioni, la catena del DNA

Individuazione focolai della zona tumorale (microscopio elettronico)

con l’aumentare dell’energia

Raggi X

1 nm

Ione C

Particella α

Protone

E = 1 MeV/u

oppure, a energia costante, con l’aumentare della massa della particella

La modifica del DNA è dovuta da ionizzazioni sempre più importanti

Effetto

deposizione energia

Terapia conformazionale

Riuscire a dare il massimo di dose ai tessuti tumorali risparmiando i tessuti sani circostanti

Dose-effettoCompromesso tra dose irradiata al tumore

e complicazioni negli organi/tessuti adiacenti

ApparecchiatureTestate 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 fondamentalela 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 clinici138 pazienti con follow-up su 1744 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

diododiodo

fascioTerapia

modificatore del range

modificatore del range ZZmodulatoremodulatore

filtrofiltro

XX

YY

collimatorecollimatore

configurazione del tumore salvando il nervo ottico

CNAOCentro Nazionale di Adroterapia Oncologica a Pavia (entrata in funzione nel corso del 2011)

acceleratore di particelle per produrre sia protoni che, in un prossimo futuro, ioni leggeri

centro d’avanguardia per il trattamento del cancro e le ricerche in radiobiologia

Centro di eccellenzaStruttura ospedaliera inserita all’interno del centro Europeo di Oncologia

A regime circa 1000 pazienti/anno con

circa 5000 sessioni di trattamento

MagnetiI 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 SPESPresso i Laboratori Nazionali di Legnaro

con sviluppo di dosimetri e rivelatori specifici

Acceleratoreinnovativo utilizzabile anche per fini clinici

BNCT

utilizzato con successo per la cura dei tumori con il reattore di Pavia

Boron Neutron Capture Therapy

Progetto ELBARimozione del fegato

Irradiazione del fegato con il “reattore”

Ritorno in sala operatoria per il reimpianto del fegato

Strumenti innovativiUn misuratore di Ferro nel fegato (non invasivo!) per la diagnosi di anemie (thalassemia e mocromatosi ereditaria)

Dal febbraio 2005 misurati un migliaio di pazienti, oltre

ai volontari, presso l’E.O. Galliera di Genova

Esperimento MID(2)

Dosimetria avanzataMisura accurata non solo della dose ma anche della sua distribuzione spaziale e temporaleAd esempio: rischi legati a lunghe permanenze degli equipaggi fuori dell’atmosfera terrestremediante lo studio della componente nucleare dei raggi cosmici:• monitoraggio della esposizione degli astronauti• interazione (modifica) dei materiali

Calcolo e retiInfrastrutture

Calcolo distribuito, sicurezza e gestione datiHealthGRIDBioinfoGRID

AlgoritmiSimulazione e modellisticaElaborazione di immagini medicaliMetodi matematici e statistici

Progetti Strategici INFNIniziative 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-MEDDiviso in sottoprogetti che definiscono:

Gli obiettivi ed i prodottiLe risorse umane e finanziarieIl piano temporale e le milestonesI finanziamenti esterni all’ente e/o la

potenzialità di attrarre finanziamenti esteriAcceleratori studio e costruzione di apparatiBNCT valorizzazione della ricercaImaging trasferimento delle analisi in reteRivelatori innovativi e avanzatissimiTPS sistemi di piani di trattamento RT

ConclusioneL’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 competenzema discutere con loro e ricevere da loro

le richieste per ottenere i migliori risultatiPer raggiungere lo scopo sono necessarie:

Capacità e competenzaFiducia da parte del mondo clinico

Inserimento internazionale

Vi Vi ringrazioringrazio per la gentile per la gentile attenzioneattenzione!!

SonoSono pronto a pronto a rispondererispondere a a tuttetutte le le vostrevostre eventualieventuali domandedomande