Sincrotroni e adroterapia: come la Fisica cura l’uomo

Caro Billy, la Fisica è sempre stata una branca della scienza estremamente affascinante, ma di carattere elitario, tanto che solo i pochi che sanno decifrarne il codice riescono effettivamente ad apprezzarne la bellezza. Negli ultimi anni però il linguaggio di divulgazione scientifica sta diventando meno criptico e il mondo della Fisica è più accessibile, riesce infatti a suscitare interesse anche in coloro che non hanno frequentato studi specializzati e che vogliono semplicemente arricchirsi e alimentare la propria curiosità. Ammettiamolo, un po’ è anche merito di noi Fisici Senza Palestra.

Un esempio di questa evoluzione è l’attenzione mediatica rivolta alle ricerche che si stanno svolgendo al Cern di Ginevra, che ospita alcuni dei più importanti acceleratori di particelle al mondo, tra cui si distingue il celeberrimo LHC. Alcune delle testate giornalistiche più recenti infatti recitano:

“Fisica, l'acceleratore del Cern scova particelle esotiche”

“Collisioni record al Cern, è la rivoluzione della Fisica”

“Fabiola Giannotti: “Sveleremo i segreti dell’universo”. Si studia un acceleratore da 100 km”

Ma che cosa è un acceleratore di particelle Billy?

Per meglio capire i segreti della Fisica, proviamo a descrivere e spiegare il funzionamento di uno degli strumenti più importanti di questo mondo.

Un acceleratore di particelle è una macchina che produce fasci ad alta energia cinetica di ioni o particelle subatomiche, tra le quali elettroni, positroni e protoni. Le proprietà del fascio sono controllate attraverso dei campi elettrici e magnetici: i primi forniscono energia alle particelle accelerandole; i secondi ne curvano la traiettoria sfruttando la forza di Lorentz e correggono dispersioni spaziali e di fase. Ciò significa che mantengono il fascio ben compatto, senza “sbavature”, e le particelle che lo compongono sono perfettamente puntuali e regolari nel percorso che compiono.

Un tipo particolare di acceleratore è il sincrotrone, che ha una caratteristica forma ad anello (LUI è il vero Signore degli anelli). Non è necessario andare fino a Ginevra per osservare un sincrotrone, ma è sufficiente rimanere in Italia. A Pavia infatti presso il Centro Nazionale Adroterapia Oncologica (CNAO) si trova un sincrotrone con una circonferenza di 80 m, una versione lilliputziana del più noto LHC, che si impone con i suoi 27 km di circonferenza.

Un sincrotrone non è utilizzato esclusivamente per fare ricerca, un lavoro che sembra tanto lontano dall’utilità quotidiana e a cui non si dà mai la giusta importanza, ma è uno strumento che ha un utilizzo concreto nella vita dell’uomo. Per esempio, al CNAO si sfrutta un fascio di adroni (particelle pesanti come protoni e ioni carbonio) per curare il cancro; si tratta cioè di una alternativa alla radioterapia, alla chemioterapia e alla chirurgia. Questa è l’ennesima prova Billy che la Fisica salva la vita.

All’origine del funzionamento del sincrotrone c’è una sorgente, una camera nella quale si trova un gas di idrogeno per generare un fascio di protoni e di carbonio e elio miscelati nella giusta proporzione per formare un fascio di ioni carbonio. Questi atomi, che in condizioni normali si muovono poco, vengono stimolati da una microonda di 14.5 GHz di frequenza (pensa Billy che il tuo microonde di casa è 2.5 GHz al massimo) finchè, grazie a due solenoidi e a un magnete esapolo, gli atomi iniziano a spiraleggiare e “strizzarsi” in un fascio. Questo quindi viene estratto dalla sorgente applicando una differenza di potenziale di 24000V, ma è ancora troppo debole (ha un’energia di solo qualche keV) per poter essere sfruttato. Perciò, le particelle vengono inviate a un acceleratore lineare, costituito da 56 gap risonanti. Il passaggio da una gap all’altra determina l’accelerazione, come se le particelle ricevessero una serie di spinte consecutive, fino a raggiungere un’energia di 7 MeV, 1000 volte superiore a quella in uscita dalla sorgente. Dopodiché, il fascio viene iniettato nell’anello. L’anello è formato da una serie di moduli alternati: i dipoli curvano il fascio, i quadrupoli lo strizzano, i sestupoli sistemano gli effetti cromatici. L’elemento fondamentale del sincrotrone è la cavità a radiofrequenza, che esercita un campo elettrico accelerante sinusoidale, cioè a onda. La cavità riconosce se la particella è sincrona, cioè se sta sulla cresta dell’onda quando la attraversa. Se è troppo lenta, la cavità la spinge, in modo tale che nel giro successivo sia sincrona. Se invece è troppo veloce, la trattiene, cosicchè nel giro successivo la particella sia in fase con la particella sincrona. Il fascio compie 2.7 milioni di giri in un secondo, percorrendo 30000 km in mezzo secondo. È come se Bolt percorresse tre quarti di Equatore in un battito di ciglia. Dunque è pronto per poter essere sfruttato: ha raggiunto i 250 MeV nel caso dei protoni o i 400 MeV per gli ioni carbonio. Questi sono valori compatibili con l’applicazione medica: i fasci devono infatti essere sufficientemente forti per eliminare la tossicità del tumore in modo definitivo, ma allo stesso tempo non danneggiare il tessuto sano. Altrimenti si rischia di ottenere lo stesso risultato di Goku quando viene colpito da un raggio di Freezer e si ritrova un buco nel petto perfettamente circolare. Per fornire qualche altro numero interessante, un macchinario di questo tipo richiede 13 milioni di MW l’anno, richiedendo perciò una bolletta piuttosto salata.

La adroterapia è un efficace metodo per curare il cancro, può vantare infatti diversi pregi. Innanzitutto non è invasiva e non ha praticamente effetti collaterali. Inoltre è molto precisa (il fascio ha una precisione di 0.1 mm, con un gradiente di 5 mm) e la sua azione si limita al “bersaglio”, senza danneggiare i tessuti sani circostanti. È ottima nel caso di tumori in punti critici e dalla forma irregolare. Non estirpa il tumore, come farebbe la chirurgia, ma ne elimina la tossicità e ne ferma la crescita, fino ad asciugarlo, raggiungendo quindi una situazione stabile. Pur essendo una tecnica molto valida, l’esiguità dei centri specializzati in questo campo rende indispensabile il suo utilizzo soltanto nei casi in cui l’adroterapia è l’unica scelta. Le patologie più trattate sono il cordoma del sacro, dove è possibile impedire la perforazione del retto; l’osteosarcoma alle vertebre cervicali, preservando il midollo; melanomi oculari, in cui si può evitare l’enucleazione dell’occhio; inoltre, è stato trattato un caso di angiosarcoma del cuore, una zona particolarmente delicata in quanto sempre in movimento sia per l’attività cardiaca sia per quella respiratoria.

Passiamo alla parte operativa Billy.

Il tumore viene virtualmente diviso in più fette e sottoposto all’azione del fascio da quella distale verso la prossimale. La sua intensità viene quindi regolata in modo opportuno perché la fetta più vicina è sempre esposta all’effetto degli adroni. Il fascio di adroni, scontrandosi con la cellula, determina un danno irreparabile alla doppia elica del DNA, impedendo la sua riproduzione. Causa cioè la cosiddetta apoptosi, un fenomeno controllato geneticamente che determina la morte programmata di una cellula a un certo punto del suo ciclo vitale. L’apoptosi, al contrario della necrosi, generalmente è benefica per l’organismo (è infatti chiamata da alcuni morte altruista o morte pulita). Durante il suo sviluppo, ad esempio, l'embrione umano presenta gli abbozzi di mani e piedi “palmati” e affinché le dita si differenzino, è necessario che le cellule che costituiscono le membrane interdigitali muoiano proprio per apoptosi. Tu Billy non sei un palmipede grazie all’apoptosi.

La terapia è più efficace se la cellula viene colpita quando si trova nella sua fase più responsiva. Per questo motivo il paziente viene sottoposto al trattamento per più settimane, in modo da essere certi di colpire la cellula almeno una volta durante il momento più critico del suo ciclo vitale.

Ciò che spesso può sembrare lontano dalla praticità quotidiana, ad esclusivo utilizzo di poche talpe di laboratorio, inaspettatamente invece ci tocca da vicino e porta beneficio alla nostra vita. Abbiamo visto quindi che la Fisica è un mondo sconfinato, che riserva infiniti segreti e sorprese.