Quando la fisica nucleare salva la vita

Ci pensavo proprio l'altro giorno. Da tanto tempo la fisica nucleare è associata a cose “disastrose”, come bombe (basti pensare a Hiroshima e Nagasaki), scorie radioattive, ecc., confondendo spesso la ricerca finalizzata all'avanzamento della conoscenza con l'utilizzo più o meno sbagliato di applicazioni tecnologiche. Ma anche considerando solo le applicazioni pratiche della ricerca pura, non vi sono solo risultati discutibili. E il caso più eclatante – e bello – è quello dell'adroterapia.

Per curare le malattie tumorali, generalmente si utilizzano tre possibili strade: l'operazione chirurgica, per asportare materialmente la parte tumorale, la terapia chimica, per aggredire con farmaci la malattia, e la radioterapia. Quest'ultima consiste nell'irraggiare la zona interessata dal male con della radiazione elettromagnetica (raggi X o gamma) di alta energia: questa viene ceduta alle cellule tumorali, che quindi vengono distrutte dal conseguente eccessivo riscaldamento localizzato. Nelle prime radioterapie (iniziate negli anni '70 dello scorso secolo), i raggi gamma venivano generalmente prodotti da decadimenti radioattivi di alcuni nuclei (come, per esempio l'isotopo 60 del cobalto), in cui un determinato nucleo atomico si trasforma in un altro con l'emissione di radiazione elettromagnetica (raggi gamma). Successivamente, però, si incominciò ad usare sempre più un metodo diverso, che permette anche di “regolare” l'energia dei raggi gamma. In un acceleratore lineare vengono accelerati degli elettroni, che quindi acquistano una certa energia, e questi vengono “sparati” contro un bersaglio di data sostanza; gli elettroni vengono allora “rallentati” dagli urti con la sostanza, e l'energia che perdono viene trasformata in raggi gamma.

Naturalmente, però, oltre agli evidenti benefici, ciascuna di queste tre strade presenta degli inconvenienti. Con l'operazione chirurgica possono non essere asportate tutte le cellule malate (che quindi si possono riprodurre a distanza), che invece dovrebbero essere aggredite dalla chemioterapia. Questa, però, per sua natura, aggredisce normalmente anche cellule non malate (comportando anche indesiderati effetti collaterali notevoli che vanno tenuti sotto controllo), mentre la radioterapia è molto più localizzata. Tuttavia, anche la terapia con radiazioni presenta degli inconvenienti non trascurabili: per “arrostire” cellule tumorali che si trovano in profondità nel corpo umano, la radiazione usata deve trasportare parecchia energia, ma una buona parte di questa viene ceduta anche ai tessuti circostanti, prima che arrivi a destinazione.

Una soluzione – efficace – a questo problema viene ancora dalla fisica nucleare. E la prima idea venne proprio subito dopo la fine della seconda guerra mondiale, nel 1946, all'Harvard Cyclotron Laboratory, dove Bob Wilson propose di usare protoni energetici (invece di raggi gamma) per scopi medici.

Più in generale, l'adroterapia utilizza fasci di particelle adroniche, ovvero costituite da quark, come protoni, neutroni, pioni, nuclei di elementi leggeri (elio, litio, boro, carbonio, ossigeno) o altro; nella attuale pratica clinica, tuttavia, si utilizzano principalmente protoni o nuclei di carbonio.

Le differenze con la usuale radioterapia nascono tutte dal fatto che i raggi gamma interagiscono elettromagneticamente con il proprio bersaglio, mentre gli adroni, per loro natura, interagiscono mediante la forza nucleare forte, molto più intensa della forza elettromagnetica. La prima differenza notevole è dovuta al fatto che il rilascio di energia, quando gli adroni attraversano il corpo del paziente, è localizzato negli ultimi pochi millimetri alla fine del loro cammino, dove si trovano le cellule tumorali: in pratica, pochissima energia viene depositata nei tessuti sani prima del tumore. La seconda differenza è che gli adroni, al contrario dei raggi gamma, subiscono una minima diffusione quando penetrano nei tessuti (ovvero non vengono “rilanciati” in tutte le direzioni quando interagiscono), ed essendo elettricamente carichi possono essere facilmente “guidati” (da campi elettromagnetici) verso ogni parte del tumore. Questo implica, molto semplicemente, che una minor dose di radiazioni (adroniche o elettromagnetiche) è necessaria per ottenere lo stesso effetto, con un evidente vantaggio per il paziente.

Vi è, poi, anche un importante effetto “secondario”, noto come effetto ossigeno. È un dato di fatto che cellule con un basso tasso di ossigenazione sono più resistenti alle radiazioni gamma, per cui è necessaria una dose maggiore per distruggere tali cellule. Ora, purtroppo, cellule siffatte si trovano proprio nei tumori, ma utilizzando adroterapia con nuclei come il carbonio (o nuclei più pesanti) si è visto che tale effetto scompare totalmente, ovvero non è affatto necessario impiegare dosi maggiori di radiazioni.

Vantaggi da questo nuovo modo di curare le malattie tumorali sono, dunque, del tutto evidenti. Problemi “tecnici”, collegati principalmente alla dosimetria o al monitoraggio degli effetti, sono però sempre al varco, e i fisici nucleari non possono certo riposarsi e solo godere questi buoni risultati applicativi già ottenuti. Ma è certamente una bella “rivincita” il fatto che l'adroterapia rappresenti oggi uno dei maggiori contributi dati dai fisici particellari al campo medico, una nuova frontiera di scienza e tecnologia. Ed è molto bello il fatto che il secondo centro europeo (e il quarto mondiale) ospedaliero di adroterapia sia proprio italiano. Quali altre novità dalla ricerca pura potranno ancora sorprenderci nel prossimo futuro?

S. Esposito, fisico