Neutron Capture Therapy

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L’applicazione della Boroterapia mediante sorgenti di neutroni compatte

Le recenti tecniche di sintesi proteica, il progresso delle conoscenze biologiche sulla struttura delle cellule neoplastiche e il miglioramento delle metodologie di microdosimetria, hanno fornito un notevole contributo allo sviluppo della radioterapia a cattura neutronica (internazionalmente nota come Neutron Capture Therapy (NCT) e già suggerita negli anni Trenta subito dopo la scoperta del neutrone), una forma di terapia per la cura di alcuni tipi di tumore che rispondono male ai comuni trattamenti medici (radioterapia tradizionali e chemioterapia).

La radioterapia a cattura neutronica è stata applicata:

  1. a partire dagli anni Cinquanta negli USA e in Giappone, per la cura dei gliomi cerebrali (e parzialmente dei melanomi);
  2. a partire dagli anni Novanta in Svezia, Olanda, Finlandia e Repubblica Ceca per la cura dei gliomi cerebrali;
  3. più recentemente, per la cura del tumore del fegato con la tecnica dell’autotrapianto presso l’Università di Pavia e per la cura del tumori testa-collo in Giappone.

Mentre i primi studi degli anni Cinquanta non hanno messo in evidenza sostanziali vantaggi rispetto agli altri trattamenti, più recentemente si è potuto verificare che la NCT permette di ottenere:

  1. un miglioramento della qualità di vita del paziente;
  2. un generale allungamento dell’aspettativa di vita dei pazienti trattati;
  3. la completa guarigione (soprattutto per il tumore del fegato con la tecnica dell’autotrapianto e per il tumore testa-collo).

Il vantaggio della NCT rispetto alla radioterapia tradizionale consiste nell’impiego di radiazioni ad elevato LET (Linear Energy Transfer, generalmente espresso in keV/mm). L’impiego di radiazioni al alto LET nel trattamento di tumori si basa su una considerazione elementare: a parità di dose fisica, le radiazioni ad alto LET producono un danno maggiore alle cellule bersaglio.

Il problema della cura di neoplasie non viene comunque ridotto a considerazioni circa il maggiore o minore danno in valore assoluto alle cellule tumorali. Sono infatti necessarie valutazioni differenziali dei danni indotti alle cellule tumorali, rispetto a quelli arrecati ai tessuti sani.

Pertanto, il livello di precisione con cui si identifica la zona neoplastica risulta essenziale per ottenere buoni effetti differenziali. A tal fine, il citato sviluppo di tecniche di sintesi proteica ha reso possibile la produzione di sostanze in grado di concentrarsi con buona selettività sulle cellule tumorali rispetto a quelle sane. L’ulteriore progresso biochimico circa le possibilità di coniugare altri atomi o molecole a queste proteine, ha permesso di poter oggi disporre di buoni vettori in grado di veicolare sostanze diverse sulle cellule tumorali. Queste tecniche permettono di portare sulle formazioni neoplastiche sia sostanze ad esse dannose sia elementi in grado di definirne i contorni e le estensioni.

In particolare, sono state sintetizzate sostanze in grado di veicolare e fissare atomi dell’isotopo Boro-10 su alcuni tipi di tumore. Irraggiando successivamente, con neutroni di opportuna energia, i tessuti arricchiti di questo isotopo, si induce una reazione nucleare (n,a) che comporta la rottura del nucleo di Boro-10 in due frammenti altamente energetici. A questa reazione è associata una notevole dose da radiazione ad alto LET e corto range, cioè in grado di provocare notevoli danni alle sole cellule presenti nelle immediate vicinanze dell’atomo di Boro-10 colpito dal neutrone.

Questo è, in sintesi, il principio sul quale si basa la NCT e, in particolare, la cosiddetta boroterapia o terapia a cattura neutronica nel boro (BNCT). Essa è una tipica forma di terapia binaria perché è caratterizzata da due fasi distinte ma combinate e indispensabili per poter irradiare i tessuti tumorali con le dosi necessarie:

  1. concentrazione degli atomi assorbitori di neutroni (tipicamente Boro-10 e Gadolinio) in modo selettivo nelle cellule neoplastiche;
  2. irraggiamento della regione tumorale con fasci di neutroni termici e/o epidermici, con conseguente reazione nucleare ed induzione di danno localizzato alle cellule neoplastiche.

L’applicazione terapeutica della BNCT è legata quindi alla disponibilità di elevati flussi di neutroni in grado di raggiungere le cellule tumorali. Finora tale condizione è stata realizzata solo in presenza di reattori nucleari ma, grazie allo sviluppo di dispositivi come i Compact Neutron Generator (CNG, generatori di neutroni di piccole dimensioni descritti in seguito), sarà possibile l’applicazione terapeutica della BNCT anche presso i reparti di radioterapia degli Ospedali e degli Istituti per la ricerca e la cura dei tumori.

Il CNG costituisce la sorgente neutronica di base per i sistemi progettati per l’applicazione ospedaliera della BNCT. Oltre al CNG tali sistemi prevedono la presenza di opportuni materiali che, grazie alle loro caratteristiche fisiche, nucleari e geometriche, raccolgono i neutroni emessi isotropicamente dal CNG (materiali riflettori), li convogliano verso l’area di trattamento del paziente (finestra di uscita del fascio neutronico) e ne riducono l’energia fino ai valori ottimali per massimizzare l’efficacia del trattamento (materiali moderatori).

Nella figura 1 è presentato uno schema semplificato di un sistema per l’applicazione ospedaliera della BNCT basato su una sorgente neutronica di tipo CNG.

Figura 1. Schema semplificato di un sistema per l’applicazione ospedaliera della BNCT

Il riflettore e il moderatore consentono di direzionare e canalizzare i neutroni ottimizzando la loro energia al fine di irraggiare in modo efficiente la massa tumorale.

La figura 2 presenta un’immagine tridimensionale di un sistema per l’applicazione ospedaliera della boroterapia che, dotato di opportuni schermi e sistemi di sicurezza, potrebbe essere installato in un normale reparto di radioterapia e/o medicina nucleare.

L’area di terapia dove si colloca il paziente, dà un’idea delle dimensioni complessive del dispositivo composto di sorgente, schermi e sistemi ausiliari.

Sistema integrato per l’applicazione terapeutica della NCT (artistic view)

 

Figura 2: Sistema integrato per l’applicazione terapeutica della NCT (artistic view)

 

A seconda del tipo di neoplasie che si intendono curare è possibile studiare differenti ottimizzazioni del dispositivo, prevedendo la possibilità di modificarne solo una limitata parte. Infatti, le ridotte dimensioni favoriscono la modularità e, quindi, la possibilità di trattare neoplasie differenti cambiando solo alcune parti del dispositivo. Ad esempio, modificando solo la parte terminale del dispositivo è possibile ottenere neutroni più o meno energetici.

Infatti, nel caso di tumori superficiali (melanomi o neoplasie del fegato con la tecnica dell’autotrapianto) è preferibile un flusso neutronico poco energetico, cioè prevalentemente termico, mentre, nel caso di tumori profondi (tipicamente i tumori cerebrali), è preferibile un flusso neutronico energetico (neutroni epitermici o anche direttamente veloci) perché diversamente i neutroni non riuscirebbero a raggiungere la massa tumorale.

 

Il CNG integrato con tutti i sistemi ausiliari elencati precedentemente può essere collocato all’interno di un reparto di radioterapia o di un laboratorio di medicina nucleare. A tal fine è necessario prevedere la disponibilità di:

  • una normale alimentazione elettrica trifase 380 V;
  • una modesta portata di acqua demineralizzata;
  • un sistema di ventilazione del locale di terapia;
  • schermi neutronici (in calcestruzzo o acqua borata) per il dispositivo e l’area di terapia;
  • un sistema di accesso regolamentato alla sala di terapia mediante interblocchi.

La figura 3 presenta un esempio di lay-out di un reparto di radioterapia o di un laboratorio di medicina nucleare dedicato all’applicazione terapeutica della NCT mediante un sistema integrato basato sull’utilizzo di CNG.

Lay-out di un’area per l’applicazione ospedaliera della NCT (artistic view)

Figura 3. Lay-out di un’area per l’applicazione ospedaliera della NCT (artistic view)

 

Il primo esempio di CNG è stato sviluppato dal Comitato EUROSEA (Torino) in collaborazione con i Laboratori di Berkeley nel 2004.

Il dispositivo, denominato EUROSEA001, è di proprietà dell’Ospedale Molinette di Torino ed è gestito dal Comitato EUROSEA.