La nuova tecnologia basata su acceleratori sviluppata dallo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e dalla Stanford University mira a ridurre gli effetti collaterali della radioterapia del cancro riducendo la sua durata da pochi minuti a meno di un secondo. Integrato nei futuri dispositivi medici compatti, la tecnologia sviluppata per la fisica delle alte energie potrebbe anche aiutare a rendere la radioterapia più accessibile in tutto il mondo.

Ora, il team SLAC/Stanford ha ricevuto finanziamenti cruciali per procedere con due progetti per sviluppare possibili trattamenti per i tumori:uno utilizzando i raggi X, l'altro usando i protoni. L'idea alla base di entrambi è di distruggere le cellule cancerose così rapidamente che gli organi e altri tessuti non hanno il tempo di muoversi durante l'esposizione, proprio come prendere un singolo fermo immagine da un video. Ciò riduce la possibilità che le radiazioni colpiscano e danneggino i tessuti sani intorno ai tumori, rendendo la radioterapia più precisa.

"Erogare la dose di radiazioni di un'intera sessione di terapia con un singolo lampo della durata di meno di un secondo sarebbe il modo migliore per gestire il movimento costante di organi e tessuti, e un grande progresso rispetto ai metodi che usiamo oggi, " disse Billy Loo, professore associato di oncologia delle radiazioni presso la Stanford School of Medicine.

Sami Tantawi, professore di fisica delle particelle e astrofisica e capo scienziato per la divisione di ricerca sugli acceleratori RF nella direzione dell'innovazione tecnologica di SLAC, che lavora con Loo su entrambi i progetti, disse, "Al fine di fornire radiazioni ad alta intensità in modo sufficientemente efficiente, abbiamo bisogno di strutture acceleratrici centinaia di volte più potenti della tecnologia odierna. I finanziamenti che abbiamo ricevuto ci aiuteranno a costruire queste strutture".

Cancro esplosivo con i raggi X

Il progetto denominato PHASER svilupperà un sistema di consegna flash per i raggi X.

Nei dispositivi medici di oggi, gli elettroni volano attraverso una struttura di acceleratore a forma di tubo lunga circa un metro, ricavando energia da un campo a radiofrequenza che attraversa il tubo contemporaneamente e nella stessa direzione. L'energia degli elettroni viene quindi convertita in raggi X. Negli ultimi anni, il team PHASER ha sviluppato e testato prototipi di acceleratori con forme speciali e nuovi modi di alimentare i campi a radiofrequenza nel tubo. Questi componenti stanno già funzionando come previsto dalle simulazioni e aprono la strada a progetti di acceleratori che supportano più potenza in dimensioni compatte.

"Prossimo, costruiremo la struttura dell'acceleratore e testeremo i rischi della tecnologia, quale, in tre-cinque anni, potrebbe portare a un primo vero dispositivo che può eventualmente essere utilizzato negli studi clinici, " ha detto Tantawi.

Il dipartimento di oncologia delle radiazioni di Stanford fornirà circa $ 1 milione nel prossimo anno per questi sforzi e sosterrà una campagna per raccogliere più fondi per la ricerca. Il Dipartimento di Radioterapia Oncologica, in collaborazione con la Scuola di Medicina, ha anche istituito il Radiation Science Center focalizzato sul trattamento radioterapico di precisione. La sua divisione PHASER, co-diretto da Loo e Tantawi, mira a trasformare il concetto PHASER in un dispositivo funzionale.

Rendere la terapia protonica più agile

In linea di principio, i protoni sono meno dannosi per i tessuti sani rispetto ai raggi X perché depositano la loro energia antitumorale in un volume più ristretto all'interno del corpo. Però, la terapia protonica richiede grandi strutture per accelerare i protoni e regolare la loro energia. Utilizza anche magneti del peso di centinaia di tonnellate che si muovono lentamente attorno al corpo di un paziente per guidare il raggio nel bersaglio.

"Vogliamo trovare modi innovativi per manipolare il raggio di protoni che semplificheranno i dispositivi futuri, più compatto e molto più veloce, " disse Emilio Nanni, uno scienziato del personale presso SLAC, che guida il progetto con Tantawi e Loo.

Quell'obiettivo potrebbe essere presto a portata di mano, grazie a una recente sovvenzione di $ 1,7 milioni del programma DOE Office of Science Accelerator Stewardship per sviluppare la tecnologia nei prossimi tre anni.

"Ora possiamo andare avanti con la progettazione, fabbricare e testare una struttura di acceleratore simile a quella del progetto PHASER che sarà in grado di guidare il fascio di protoni, sintonizzando la sua energia e fornendo alte dosi di radiazioni praticamente istantaneamente, " ha detto Nanni.

Presto, efficace e accessibile

Oltre a rendere più precisa la terapia del cancro, la consegna flash di radiazioni sembra avere anche altri vantaggi.

"Abbiamo visto nei topi che le cellule sane subiscono meno danni quando applichiamo la dose di radiazioni molto rapidamente, eppure l'effetto di uccisione del tumore è uguale o anche leggermente migliore di quello di un'esposizione convenzionale più lunga, " Disse Loo. "Se il risultato vale per gli umani, sarebbe un paradigma completamente nuovo per il campo della radioterapia".

Un altro obiettivo chiave dei progetti è rendere la radioterapia più accessibile ai pazienti di tutto il mondo.

Oggi, milioni di pazienti in tutto il mondo ricevono solo cure palliative perché non hanno accesso alla terapia del cancro, Ha detto Loo. "Speriamo che il nostro lavoro contribuisca a rendere disponibile il miglior trattamento possibile a più pazienti in più luoghi".

Ecco perché il team si sta concentrando sulla progettazione di sistemi compatti, efficiente dal punto di vista energetico, economico, efficiente da utilizzare in ambito clinico, e compatibile con le infrastrutture esistenti in tutto il mondo, Tantawi ha dichiarato:"Il primo progetto di acceleratore lineare medico ampiamente utilizzato è stato inventato e costruito a Stanford negli anni precedenti la costruzione dello SLAC. La prossima generazione potrebbe essere un vero punto di svolta, in medicina e in altre aree, come acceleratori per laser a raggi X, collisori di particelle e sicurezza nazionale".

Peter Maxim di Stanford (ora direttore della fisica oncologica delle radiazioni presso l'Università dell'Indiana) è un co-inventore di PHASER e ha apportato contributi chiave a entrambi i progetti. Altri membri del team di terapia protonica sono Reinhard Schulte della Loma Linda University e Matthew Murphy della Varian Medical Systems.