Il fisico medico Dr. Aswin Hoffmann e il suo team dell'Istituto di Radiooncologia—OncoRay presso l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno combinato la risonanza magnetica (MRI) con un raggio di protoni, dimostrando così per la prima volta che in linea di principio, questo metodo di imaging comunemente usato può funzionare con i trattamenti contro il cancro a fasci di particelle. Questo apre nuove opportunità per progetti mirati, sana terapia del cancro che risparmia i tessuti. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Fisica in Medicina e Biologia .

La radioterapia è stata a lungo parte della pratica standard del trattamento oncologico. Una determinata quantità di energia viene depositata nel tessuto tumorale, dove danneggia il materiale genetico delle cellule tumorali, impedendo loro di dividersi, e idealmente distruggerli. La forma più comunemente usata di radioterapia oggi è chiamata terapia fotonica, che utilizza fasci di raggi X ad alta energia. Qui, una parte consistente del raggio penetra nel corpo del paziente, depositando una dose dannosa nel tessuto sano che circonda il tumore.

I nuclei atomici come armi contro il cancro

Un'alternativa è la radioterapia con nuclei atomici carichi come i protoni. La profondità di penetrazione di queste particelle dipende dalla loro energia iniziale. Rilasciano la loro dose massima alla fine della loro traiettoria. Nessuna dose sarà depositata oltre questo cosiddetto "picco di Bragg". La sfida per i medici che somministrano questo tipo di terapia è controllare il fascio di protoni esattamente in modo che corrisponda alla forma del tessuto tumorale e quindi risparmiare il più possibile il tessuto normale circostante. Prima del trattamento, conducono una scansione di tomografia computerizzata (TC) a raggi X per selezionare il volume target.

"Questo ha diversi svantaggi, " dice Hoffmann. "Prima di tutto, il contrasto dei tessuti molli nelle scansioni TC è scarso, e in secondo luogo, la dose viene depositata nel tessuto sano al di fuori del volume target". la terapia protonica è più suscettibile al movimento degli organi e ai cambiamenti anatomici rispetto alla radioterapia con raggi X, che compromette la precisione del targeting durante il trattamento dei tumori mobili. Attualmente, non esiste un modo diretto per visualizzare il movimento del tumore durante l'irradiazione. Questo è il più grande ostacolo quando si tratta di usare la terapia protonica. "Non sappiamo esattamente se il raggio di protoni colpirà il tumore come previsto, " spiega Hoffmann. Pertanto, i medici oggi devono utilizzare ampi margini di sicurezza attorno al tumore. "Ma ciò danneggia più tessuto sano di quanto sarebbe necessario se le radiazioni fossero più mirate. Ciò significa che non stiamo ancora sfruttando il pieno potenziale della terapia protonica".

Primo prototipo per la terapia particellare guidata dalla risonanza magnetica

Hoffmann e il suo team vogliono cambiarlo. In collaborazione con il produttore belga di apparecchiature per protonterapia IBA (Ion Beam Applications SA), l'obiettivo del suo gruppo di ricerca è integrare la terapia protonica e l'imaging RM in tempo reale. A differenza dell'imaging a raggi X o TC, La risonanza magnetica offre un eccellente contrasto dei tessuti molli e consente l'imaging continuo durante l'irradiazione. "Esistono già due di questi dispositivi ibridi per uso clinico nella terapia fotonica guidata dalla risonanza magnetica, ma non ne esiste nessuno per la terapia con particelle".

Ciò è dovuto principalmente alle interazioni elettromagnetiche tra lo scanner MRI e l'attrezzatura per la terapia protonica. Da una parte, Gli scanner MRI necessitano di campi magnetici altamente omogenei per generare immagini geometricamente accurate. Il fascio di protoni, d'altra parte, è generato in un ciclotrone, un acceleratore circolare in cui i campi elettromagnetici forzano le particelle cariche su una traiettoria circolare e le accelerano. Il fascio di protoni è anche guidato e modellato da magneti, i cui campi magnetici possono interferire con il campo magnetico omogeneo dello scanner MRI.

"Quando abbiamo lanciato il progetto tre anni e mezzo fa, molti colleghi internazionali erano scettici. Pensavano che fosse impossibile far funzionare uno scanner MRI in un raggio di protoni a causa di tutti i disturbi elettromagnetici, " Spiega Hoffmann. "Eppure siamo stati in grado di dimostrare nei nostri esperimenti che uno scanner MRI può effettivamente operare in un raggio di protoni. Immagini in tempo reale ad alto contrasto e precisa direzione del fascio di protoni non si escludono a vicenda." Molti esperti hanno previsto un'altra difficoltà a causa del comportamento del fascio di protoni:quando le particelle caricate elettricamente si muovono nel campo magnetico di uno scanner MRI, Le forze di Lorentz devieranno il raggio dalla sua traiettoria rettilinea. Però, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che questa deviazione può essere anticipata e quindi corretta.

Per esplorare queste interazioni reciproche, Hoffmann e il suo team hanno utilizzato la sala sperimentale presso il National Center for Radiation Research in Oncology—OncoRay.

"La nostra missione è individuare biologicamente la terapia protonica e ottimizzarla tecnologicamente verso i suoi limiti fisici, "dice Hoffmann, capo del gruppo di ricerca sulla radioterapia guidata dalla risonanza magnetica presso l'HZDR. OncoRay ha il proprio ciclotrone per erogare il raggio di protoni nella stanza della terapia e nella stanza degli esperimenti. Hoffmann ei suoi colleghi hanno utilizzato quest'ultimo per le loro attività di ricerca. Con il supporto dell'IBA e della Paramed MRI Unit di ASG Superconductors SpA, hanno installato uno scanner MRI aperto nel percorso del raggio di protoni, realizzando il primo prototipo al mondo di terapia particellare guidata dalla risonanza magnetica. "Siamo fortunati ad avere una stanza sperimentale abbastanza grande da ospitare uno scanner MRI. Questa è una delle caratteristiche uniche di OncoRay".

Fantasma del ginocchio, salsiccia mista e diversivo prevedibile

Per i loro esperimenti su questo primo prototipo, inizialmente usavano quello che viene chiamato un fantasma del ginocchio, un piccolo cilindro di plastica riempito con un liquido di contrasto acquoso e una varietà di pezzi di plastica di forma diversa. Hoffmann e il suo team lo hanno utilizzato per condurre analisi quantitative della qualità dell'immagine. In una seconda serie di esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un pezzo di salsiccia mista di Dresda. "Quando il gruppo di ricerca olandese ha studiato l'imaging per il suo dispositivo di terapia fotonica guidata dalla risonanza magnetica nel 2009, usavano la braciola di maiale, " dice Hoffmann. "Nel 2016, I ricercatori australiani hanno dimostrato il loro dispositivo di terapia con fotoni RM su una bistecca di canguro. Dal momento che volevamo anche andare a livello regionale per il nostro prototipo nella terapia particellare guidata dalla risonanza magnetica, abbiamo usato la salsiccia mista di Dresda." Sia la serie di esperimenti con il fantasma che con la salsiccia hanno mostrato che i campi magnetici della terapia protonica non distorcono l'immagine. Hanno solo causato lievi cambiamenti nell'immagine RM, che può essere corretto.

Il progetto sta attualmente entrando nella sua fase successiva. L'obiettivo è sviluppare il primo prototipo al mondo per la terapia particellare guidata dalla risonanza magnetica applicabile per l'uso clinico.