Laser ad alta energia per combattere il cancro

Secondo l’organizzazione Cancer Research UK, nel 2020 sono stati registrati 18 milioni di nuovi casi di cancro in tutto il mondo. Le proiezioni indicano che i tassi di incidenza annuali aumenteranno di circa il 55 % entro il 2040. La protonterapia (PT) è un tipo di radioterapia che utilizza protoni ad alta energia per distruggere le cellule tumorali. Gli studi hanno dimostrato che si tratta di un trattamento promettente ed efficace per molti tipi di tumori, tra cui quelli del cervello, della testa e del collo, del sistema nervoso centrale, del polmone, dell’apparato gastrointestinale e della prostata, nonché per i tumori non operabili. Tuttavia, gli attuali sistemi di protonterapia sono vasti e costosi. Le sale di trattamento possono raggiungere le dimensioni di un campo da calcio, costano fino a 120 milioni di euro per un sistema a più stanze e la loro costruzione può richiedere anni. Nell’ambito del progetto LPT, finanziato dall’UE, i ricercatori hanno sviluppato un sistema di protonterapia ultracompatto e ad alte prestazioni utilizzando una progettazione innovativa che potrebbe ridurre i costi in misura tale da far emergere la protonterapia tra le opzioni di trattamento del cancro. «Il progetto utilizza un laser ad alta intensità che interagisce con un plasma altamente arricchito di protoni, ottenuto da un bersaglio polimerico nanoingegnerizzato», spiega Moshe Cohen-Erner, vicepresidente della divisione Ricerca e Sviluppo di HIL Medical e coordinatore del progetto LPT.

Catturare i laser ad alta intensità

Il nuovo sistema di LPT utilizza un laser a impulsi ad alta intensità che irradia un bersaglio nanoingegnerizzato ricco di protoni. I protoni vengono accelerati a un livello di energia clinicamente rilevante, confinati e concentrati da un campo magnetico sul tumore maligno. «Questa nuova progettazione rende la protonterapia ampiamente accessibile, offrendo sistemi di trattamento economici, in una o più stanze», aggiunge Cohen-Erner. «Rimuove le principali barriere all’adozione diffusa dei sistemi di protonterapia.» Le novità introdotte dal progetto LPT includono l’uso di: un acceleratore di protoni basato sul laser per produrre fasci di protoni potenziati; una linea di fascio specializzata e un gantry fisso per l’estrazione del fascio; magneti ed elementi magnetici unici per manipolare il fascio di protoni veloci. La combinazione di queste innovazioni consente di produrre un sistema di protonterapia che permette di ridurre l’ingombro, il volume e il peso dell’acceleratore rispettivamente del 50, del 75 e del 99 %, con una conseguente diminuzione dei costi del 50-75 %. «L’uso di un acceleratore laser di protoni con un gantry fisso elimina la necessità per le particelle cariche di percorrere un lungo tragitto nonché la necessità di un gran numero di magneti e di un enorme e pesante gantry rotante. Riduce inoltre le dimensioni dell’attrezzatura, che pesa potenzialmente 500 tonnellate», spiega Cohen-Erner.

Migliorare la resa del laser

Grazie al progetto LPT, i primi esperimenti di accelerazione laser di protoni con bersagli nano-ingegnerizzati hanno prodotto accelerazioni di protoni a energie relativamente basse. «Si è trattato di una prova entusiasmante e importante che ha permesso di pubblicare i primi documenti sottoposti a revisione paritaria sull’argomento», afferma Cohen-Erner. La squadra ha sviluppato ulteriormente l’acceleratore di protoni e ha aumentato l’energia in uscita, migliorando i bersagli nano-ingegnerizzati e utilizzando un laser a più alta intensità. Questi esperimenti sono stati condotti presso il Max Born Institute (MBI), in Germania, da una squadra internazionale di scienziati dell’HIL, dell’MBI, del Naval Research Laboratory di Washington DC e dell’Università di Strathclyde di Glasgow. I risultati positivi sono stati pubblicati su riviste sottoposte a revisione paritaria.

Portare il nuovo sistema laser nelle cliniche

«Siamo orgogliosi della nostra idea innovativa, che ha ottenuto un riscontro da parte dei principali leader di opinione, dei medici e dei potenziali clienti, i quali hanno espresso il loro parere sulla necessità di un sistema di protonterapia così conveniente e dalle prestazioni elevate», osserva Cohen-Erner. «Questo ci dà la spinta e il sostegno per accelerare il nostro viaggio verso le cliniche.» La squadra sta ora passando alla fase successiva del progetto, che prevede l’assemblaggio di un impianto laser da 200 TW per la dimostrazione di fasci di protoni clinicamente rilevanti. Il beta test di questo sistema consentirà alla squadra di trasferire il trattamento in ambienti clinici nel prossimo futuro.