Massimo Massimino e Roberto Siano Roberto La radiazione in terapia Laboratorio di Fisica nucleare Docenti: Ezio Maina e

1. Massimo Massimino e Roberto Siano Roberto La radiazione in terapia Laboratorio di Fisica nucleare Docenti: Ezio Maina e Paola Arnaldi Suria

2. Contesto • Classe V di un liceo scientifico • Prerequisiti • Meccanica classica • Elettromagnetismo • Cenni di struttura della materia • Obiettivi disciplinari • Comprensione i meccanismi d’interazione delle varie tipologie di radiazione con la materia • Comprensione del concetto di ionizzazione diretta e indiretta • Comprensione del fenomeno della perdita d’energia e relazione con la distanza di penetrazione • Conoscenza degli effetti delle varie tipologie di radiazione sul corpo umano • Conoscenza e comprensione dell’uso della radiazione in diagnostica e in terapia.

3. Obiettivi generali • Suscitare interesse per la fisica mostrandone le applicazioni alla realtà e le implicazioni la vita umana • Mostrare le notevoli possibilità interdisciplinari della fisica • Metodologia • Lezione frontale introduttiva di 2 ore • Discussione in classe di 2 ore • Attività di approfondimento e di ricerca di gruppo a casa • Discussione con l’insegnante di 2 ore • Lezione frontale finale in cui si procede alla formalizzazione dei concetti.

4. Meccanismi di assorbimento dell’energia Fornendo energia ad un atomo (attraverso la collisione con un fotone o un elettrone veloce) possono aver luogo due fenomeni: Ionizzazione: l’atomo viene privato di uno dei suoi elettroni. Essa avviene se la quantità di energia fornita è maggiore dell’energia di legame dell’elettrone soppiantato. Eccitazione: vi è il passaggio di un elettrone da un’orbita ad un’altra più esterna, meno legata al nucleo. Essa ha luogo quando la quantità di energia fornita è inferiore all’energia di legame dell’elettrone colpito.

5. Tipi di radiazione • Radiazioni corpuscolate • Trasportano energia e materia. Tra esse si distinguono: • Ioni positivi (particelle alfa, protoni) • Elettroni e positroni (particelle beta) • Neutroni • Radiazioni non corpuscolate o elettromagnetiche • Trasportano soltanto energia. Si manifestano nella forma di fotoni. • Radiazioni ionizzanti • Trasportano energia sufficiente a produrre fenomeni di ionizzazione di alcuni atomi del materiale attraversato. Il loro passaggio lascia una traccia di atomi elettricamente carichi a seguito dell’espulsione di un elettrone orbitale in ciascuno di essi.

6. Radiazioni direttamente ionizzanti Sono dotate di carica e di massa (particelle alfa e beta) e producono coppie di ioni come conseguenza di successive interazioni con gli atomi e le molecole del materiale cedendo gradualmente la loro energia fino ad arrestarsi completamente. Radiazioni indirettamente ionizzanti (fotoni di alta energia e neutroni) Cedono la loro energia in una o poche interazioni che danno luogo alla produzione di particelle cariche, che causano la ionizzazione degli atomi del mezzo.

7. Interazione radiazione materia L’interazione tra una particella carica e la materia avviene attraverso gli urti con gli elettroni o con i nuclei degli atomi che la costituiscono. Essa è causa di trasferimento di energia cinetica (perdita di energia della particella e ionizzazione o eccitazione degli atomi del materiale) emissione di radiazione elettromagnetica legata alla deflessione subita dalla traiettoria della particella (accelerazione)

8. Considerazioni sulla perdita di energia di una particella carica Come mostra il grafico l’energia persa nell’unità di cammino è massima in corrispondenza delle basse energie e che per le alte energie tende ad essere costante e quindi indipendente dall’energia stessa.

9. Se l’energia della particella è elevata rispetto alle energie di ionizzazione degli atomi, allora ogni interazione con un elettrone darà luogo ad una perdita di energia pari ad una sua frazione minima. Ciò segue facilmente dal principio di conservazione della quantità di moto. Si pensi all’urto di una palla da biliardo con una bilia di vetro. La palla perde solo una minima quantità della sua energia.

10. Relazione fra massa, energia cinetica e perdita di energia Alcune considerazioni di natura fisica (principio di conservazione della quantità di moto) ci permettono di ottenere la relazione -ΔEc/Δx è proporzionale a [-(mq2)/[2(Ec/Δx)] , dove m è la massa della particella, EC la sua energia cinetica e q la sua carica. Da essa segue che Le particelle massive (particelle alfa e protoni) perdono la loro energia più rapidamente e, di conseguenza, percorrono un tratto più breve nel materiale.

11. Elettroni e positroni percorrono nella materia distanze che sono mediamente 100 volte più grandi di quelle percorse dalle particelle alfa.

12. La perdita di energia aumenta al rallentare della particella, raggiungendo un massimo alla fine del percorso (Picco di Bragg). Questo fenomeno è fondamentale per la precisione nell’irraggiamento con protoni o nuclei più pesanti

13. Un fascio di particelle cariche può essere impiegato efficacemente per distruggere cellule cancerogene situate ad una data profondità del corpo senza distruggere le cellule sane, soltanto se si sceglie accuratamente l’energia in modo tale che la perdita di energia abbia luogo alla profondità voluta.

14. I fotoni Effetto fotoelettrico (un atomo che assorbe un fotone emette un elettrone atomico). Alta probabilità ad energie molto basse. Diffusione Compton (il fotone cede una parte della sua energia ad un elettrone atomico). Alta probabilità se l’energia del fotone è grande rispetto all’energia di legame dell’elettrone ( per fotoni gamma 1MeV) Produzione di coppie. Quando l’energia del fotone è maggiore dell’energia totale di massa delle due particelle, 2mec2 = 1,02 MeV. In questo processo che si verifica in prossimità del nucleo si crea una coppia elettrone-positrone La probabilità che un fenomeno avvenga è data dalla sezione d’urto.

16. I neutroni Interagiscono con i nuclei atomici piccoli Il loro percorso è molto lungo (con energie di pochi milioni di elettron-volt possono percorrere distanze dell’ordine di un metro in acqua o in un tessuto animale). Subiscono un rallentamento da parte di nuclei o a causa di reazioni nucleari per diffusione elastica. In alcune di queste reazioni si produce l’emissione di un protone o di un raggio gamma.

17. Effetti della radiazione ionizzante e loro misura • Uso di tre diverse grandezze: • l’esposizione • la dose assorbita • la dose equivalente • Roentgen (R): misura l’esposizione con riferimento alla ionizzazione prodotta in aria. • Sostituito dal rad (radiation absorbed dose), che misura la dose assorbita. 1rad è la quantità di radiazione che cede 10-2 J/kg di energia nella sostanza irradiata. • Nel SI si usa il J/kg) chiamato gray (Gy).(1 rad = 10-2 Gy) • Se un tessuto è esposto in un punto a 1 R, esso assorbirà circa 1 rad.

18. L’entità del danno biologico dipende anche dalla densità degli ioni. Se essi sono vicini come, nel caso della ionizzazione causata da particelle alfa, l’effetto biologico è amplificato. L’unità rem (roentgen equivalent in man) è la dose equivalente che ha lo stesso effetto biologico di 1 rad di radiazione beta o gamma. In simboli: 1 rem = 1rad ∙ QF, dove QF (il fattore di qualità) è un fattore che è stato tabulato per le particelle alfa, per i protoni e per i neutroni di diverse energie. QF vale 1 per i raggi beta e gamma, vale 4 o 5 per i neutroni lenti, circa 10 per i neutroni veloci e tra 10 e 20 per le particelle alfa con energie tra 5 e 10 MeV. Nel SI si usa il sievert (Sv). 1Sv = 1Gy ∙ QF Si noti che 1 Gy = 100 rad 1 Sv = 100 rem.

19. Dosi • sotto i 25 rem sull’intero corpo non hanno effetti nell’immediato. • sopra i 100 rem danneggiano i tessuti emopoietici (tessuti preposti alla produzione del sangue). • sopra i 500 rem causano la morte in un breve lasso di tempo. • Non sappiamo valutare gli effetti a lungo termine conseguenti all’assorbimento di dosi subletali assorbite in un lungo arco di tempo. • Molto poco sappiamo degli effetti delle dosi a livelli molto bassi.

20. Applicazioni della radiazione in diagnostica • misure di volume(determinazione della quantità totale di plasma sanguigno nel corpo) Una proteina ematica marcata con una sostanza radioattiva viene iniettata nel circolo sanguigno. La sostanza radioattiva si mescola col plasma in maniera quasi uniforme. La misura della radioattività di un campione di plasma permette di determinare di quanto si è diluita la quantità di radioattività e quindi il volume totale del plasma. • studi dinamico-funzionali. Negli studi dinamico-funzionali si misura la velocità con cui la tiroide, i reni, o altri organi assorbono o eliminano una certa sostanza. Si può, per esempio, misurare, attraverso un rivelatore posto in corrispondenza del collo, la captazione da parte della tiroide, di un composto marcato con 99mTc. La misura effettuata fornisce una indicazione della funzionalità dell’organo.

21. indagine morfologica con radiazione gamma, detta anche scintigramma. Attraverso questo procedimento si ottiene un’immagine bidimensionale dell’organo interessato, rivelando la radiazione emessa da un radioisotopo assorbito dall’organo stesso. • La tomografia computerizzata è una tecnica radiologica digitalizzata che permette di ottenere sezioni assiali o paraassiali di spessori definiti del corpo umano con immagini caratterizzate da un’elevata risoluzione di contrasto. I valori di densità dei singoli elementi di volume in cui viene suddiviso lo strato in esame vengono tradotti in corrispondenti valori della scala dei grigi sull’immagine. In sostanza si produce una trasformazione della mappa dei valori di attenuazione dei raggi X in una mappa dei valori dei grigi.

22. PET ( Tomografia ad Emissione di Positroni ) fa uso di isòtopi emittenti del Carbonio, dell’Azoto e dell’Ossigeno che emettono positroni. Permette studi in vivo di quasi ogni substrato fisiologico o metabolico evitando di sezionare il corpo. Il positrone emesso dal radiofarmaco si combina con un elettrone della materia circostante per trasformarsi in energia elettromagnetica (annichilazione). Le annichilazioni danno origine a due raggi di uguale energia (511 KeV) emessi a 180° l’uno dall’altro. La PET sfrutta questo fatto utilizzando un sistema che richiede la simultanea rivelazione di entrambi i fotoni di annichilazione. I rivelatori dei due raggi gamma sono situati in opposizione all’oggetto contenente emettitori di positroni. Vengono considerati soltanto gli eventi rivelati in coincidenza da entrambi i rivelatori. Il sistema è così in grado di individuare la posizione dell’emissione nello spazio in studio

23. Applicazioni della radiazione terapia Radiazione usata per distruggere le cellule cancerose La radiazione può essere somministrata dall’esterno, con macchine a raggi X, sorgenti di 60Co, o in alcuni casi utilizzando acceleratori di elettroni come sorgenti. Aghi contenenti radio che vengono impiantati nel tumore , piccoli semi contenenti gas radon, fili metallici e nastri contenenti altri nuclidi artificiali.

24. Meccanismo di azione biologica delle radiazioni ionizzanti • L’azione biologica di tutte le radiazioni ionizzanti passa per gli stessi processi: ionizzazione e eccitazione degli atomi e delle molecole. • azione biologica relativa: diversi tipi di radiazione hanno effetti biologici differenti. • radiazioni debolmente ionizzanti: come i raggi gamma, X ed elettroni • radiazioni fortemente ionizzanti: come particelle alfa e protoni. • Decisivi per l’efficacia delle radiazioni sono anche la potenza di dose (dose/tempo) e la forma di somministrazione (in un'unica irradiazione o in tante più piccole). • Non ultimo dipende l’intensità della reazione biologica alla radiazione dal fattore di ambiente del tessuto, dalle particolarità del singolo organo, e da una maggiore o minore sensibilità dell’individuo.

25. Le tre fasi dell’azione biologica

26. Le tre fasi dell’azione biologica • I termini dei processi biologici nei tessuti dopo l’irraggiamento si devono rappresentare come una reazione a catena, una reazione così veloce, che solo ipotetici tratti del meccanismo di azione possono essere assunti. • Il processo di estensione dell’eccitazione nel tessuto è paragonabile a quello di una superficie d’acqua colpita da una goccia, che funge anche da portatrice di impulso e genera un certo numero di effetti secondari. • Questa prima fase della reazione rappresenta l’azione biofisica della radiazione. Dopo segue il trasferimento di energia all’ambiente con l’attivazione di processi luminosi e biochimici come espressione delle azioni indirette della radiazione. • Le prime azioni ad essere state identificate sono state le azioni biologiche secondarie, che possiamo denominare terza fase e rappresentano anche lo stato finale stabile del processo, che possono essere: • danno letale dell’organo con morte immediata o differita delle cellule o dei tessuti • danno che non conduce inevitabilmente alla morte della cellula, e che non si possono quantificare • danno della cellula, che però è in grado di autoripararsi senza effetti negativi successivi

27. Ipotesi sugli effetti biologici delle radiazioni • L’ipotesi della dipendenza dell’effetto biologico dalla dose è fin dall’origine della scoperta della radioattività sembrata plausibile. All’inizio si pensava “o tutto o niente”, nel senso che la cellula o era colpita o non era colpita, anche se non si sapeva bene definire cosa significasse “colpita”. • In seguito, almeno nel caso di più celle, si è visto che non c’è alcuna lineare proporzionalità tra dose e effetto. • Oggi, grazie anche alla meccanica quantistica, non ha più senso parlare della teoria “tutto o niente”: né il luogo, né il modo dell’interazione può essere determinato con precisione. • Il fatto che le radiazioni ionizzanti causino modifiche nella struttura molecolare delle cellule, genera la cosiddetta teoria dell’azione indiretta delle radiazioni • L’energia assorbita agisce in questo caso dopo il trasferimento alle macromolecole come un “esplosivo” per i legami chimici. • Questi mutamenti chimici verificabili nei tessuti si ottengono per una dose sopra il livello di tolleranza, livello che però può essere molto basso. • L’ipotesi più plausibile oggi è una combinazione delle due teorie, diretta ed indiretta, nella teoria della diffusione: i primi prodotti della ionizzazione hanno vita molto breve, perché generano prodotti secondari che agiscono diffondendosi nei tessuti: in questo modello la “probabilità” assume un ruolo fondamentale.

28. Differenza di sensibilità tra cellule • Già dal 1906 è chiaro che cellule diverse hanno una diversa resistenza alle radiazioni, ma anche cellule in un punto diverso del loro ciclo di vita hanno diversa resistenza. In generale si può dire che tessuti con proliferazione veloce e maggiore suddivisione hanno una maggiore sensibilità.

29. Differenza di sensibilità tra organi • Gli organi più sensibili del corpo umano alle radiazioni sono il midollo, l’apparato linfatico e le gonadi. A una certa distanza seguono pelle, intestino e ossa in fase di crescita. Tra i meno sensibili fegato, reni e cervello, che hanno una funzione molto specializzata, ma una limitata attività di suddivisione. • Come tessuti molto resistenti abbiamo i muscoli, i legamenti e i grassi. • Su questi fatti si basa la forza dell’irradiazione in una terapia, in modo da adattare l’intensità ai tessuti da trattare.

30. Sintomi dei danni cellulari da radiazioni • Da un danno isolato ad una cellula risultano stati morfologici conseguenti. • L’eliminazione di cellule ha conseguenze importanti, solo se rimane un persistente disturbo alla riserva di cellule. Altrimenti il corpo, in presenza di radiazioni a bassa intensità, raggiunge uno stato di equilibrio che esprime l’adattamento alle radiazioni da parte delle cellule. • I cambiamenti intracellulari dopo l’irraggiamento si esprimono con un danneggiamento del DNA e del RNA con una riduzione enzimatica: in particolare la sintesi del DNA è più sensibile di quella del RNA. Inoltre avviene un danno nello scambio di sostanze energetiche, così come viene influenzata l’attività ormonale. • Anche il sistema immunitario è molto sensibile alle radiazioni, fatto che si può utilizzare per aiutare a limitare il rigetto nei trapianti. • Un altro effetto delle radiazioni sono le mutazioni: queste sono un processo irreversibile ed avvengono quando ad essere colpito è il nucleo cellulare. • Un effetto caratteristico delle radiazioni è la rottura dei cromosomi, i cui frammenti o si perdono, o si legano ad altri frammenti

31. Azione sui cromosomi

32. Dispositivi per la radioterapia • I dispositivi per la radioterapia sono di diversi tipi: ne abbiamo in esame due, che sono ad oggi tra i più utilizzati nel mondo • il 60Co-Gammatron, con radiazione di fotoni di 1.25 MeV • il Mevatron, acceleratore lineare per elettroni da 6 a 21 MeV e generatore di fotoni da 6 a 15 MeV.

33. Il Gammatron

34. Il Mevatron

35. Dispositivi per la dosimetria • Dei vari tipi di rilevatore, descriviamo brevemente la camera a ionizzazione di Roos: è costituita da due elettrodi che catturano gli ioni generati dalla radiazione • La camera a ionizzazione di Roos, si chiama così perché è stata sviluppata dal Dott. Roos del PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) e viene impiegata soprattutto per fasci di elettroni, ma può essere impiegata anche per fasci di fotoni, con l’opportuna calibrazione. • La camera di Roos ha una capacità di dose molto alta: se la tensione nella camera è 100 V, la camera è in grado di reggere 1,2 gray al secondo.

36. La camera di Roos

37. Conclusioni • La radiazione nella terapia è oggi uno dei sistemi più utilizzati per combattere il cancro. È quindi sempre più necessario investire in ricerca per migliorare i sistemi esistenti di irradiazione e per crearne di nuovi, che riducano sempre di più gli effetti collaterali. • In particolare stanno prendendo sempre più piede le terapie con radiazioni con ioni pesanti, come nuclei di carbonio o di ossigeno, che hanno il grande vantaggio, come abbiamo visto, di rilasciare quasi tutta la loro energia distruttiva in uno spazio molto limitato: il problema per il loro utilizzo è che necessitano di acceleratori di notevole dimensione e costo, che ben poche strutture si possono permettere. • In Italia per esempio non ne esistono ancora, anche se ci sono già alcuni progetti per costruirne: senza dubbio sensibilizzare i ragazzi delle nostre scuole a questi problemi non potrà che favorire una maggiore attenzione di tutta la società, e per questo sarebbe proprio auspicabile affrontare questo argomento nei programmi scolastici, argomento che oltre tutto ha un grande valore trasversale, riguardando fisica, chimica, biologia e medicina.