ENEA: sensori di radiazione per terapie oncologiche più efficaci

Nuovi dispositivi smart e compatti, in grado di ‘rivelare’ gli effetti delle radiazioni ionizzanti su cellule e tessuti tumorali e sani, migliorando l’efficacia di terapie oncologiche innovative, come la protonterapia. È quanto è stato messo a punto nell’ambito del progetto BIOTRACK[1] coordinato da ENEA e finanziato dalla Regione Lazio. Questo è risultato più alto in graduatoria tra quelli dell’Agenzia che hanno vinto il bando regionale nel settore Scienze della vita[2].

I rivelatori di tracce nucleari fluorescenti (FNTD) abbinano il fluoruro di litio con film di microgel biocompatibili per culture cellulari. Questi sono utilizzati per studiare gli effetti radiobiologici[3] della protonterapia, un trattamento oncologico che, rispetto alle cure più tradizionali a raggi X, colpisce e distrugge in modo mirato la massa tumorale, preservando i tessuti e gli organi sani adiacenti.

Paragonato ai più comuni sensori di radiazione a stato solido, il fluoruro di litio offre una maggiore risoluzione spaziale. Permette inoltre una stima puntuale della dose fornita localmente.

Oltre alla salute, gli altri campi di applicazione di questo tipo di rivelatori sono l’energia, la sicurezza nucleare e lo spazio.

“Questo risultato è stato possibile grazie alla combinazione delle tecnologie innovative della fotonica e dei nanomateriali con quelle degli acceleratori di particelle e della dosimetria. Ha consentito così di gettare una nuova luce sulle terapie innovative per vincere la sfida contro il cancro”, ha sottolineato la coordinatrice del progetto Rosa Maria Montereali, responsabile del Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica. “I risultati sono stati ottenuti grazie alla disponibilità della dotazione strumentale e infrastrutturale dell’ENEA e alla forte caratteristica di interdisciplinarietà del progetto. A questo hanno partecipato come partner anche esperti di prestigiose istituzioni italiane come l’ISS e il Cnr-ISC”.

ENEA prototiporivelatore

Schema del prototipo di rivelatore biocompatibile ottenuto combinando il rivelatore FNTD basato su LiF e film di microgel di PNIPAM come substrato per colture cellulari.
In apertura: La linea verticale di TOP-IMPLART

I risultati

Misurando il numero di ioni incidenti, la loro direzione e l’energia depositata all’interno delle singole cellule, questi nuovi rivelatori consentono di conoscere la dose di radiazione fornita, la posizione degli attraversamenti delle particelle all’interno delle cellule stesse, migliorando l’efficacia radiobiologica della protonterapia.

“La rivelazione delle tracce nucleari fluorescenti si basa su tecniche di microscopia ottica”, evidenzia Massimo Piccinini del Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica. “Quando i protoni di bassa energia attraversano un cristallo trasparente di fluoruro di litio, formano dei difetti puntiformi. Questi, illuminati da una luce blu, emettono una debole fotoluminescenza. Lo fanno mettendo in evidenza i singoli protoni sotto forma di puntini luminosi impressi nel fluoruro di litio, che è tra i pochissimi materiali adatti”.

“Questi sono risultati ottenuti anche grazie a simulazioni e modelli matematici sviluppati ad hoc per ricostruire la cosiddetta curva di Bragg. Si tratta della curva di deposizione dell’energia, registrata per intero come immagine luminescente anche in film sottili di fluoruro di litio”, evidenzia Enrico Nichelatti del Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica.

“I film sottili di fluoruro di litio vengono prodotti presso i nostri laboratori di Frascati per evaporazione termica”, aggiunge Maria Aurora Vincenti del Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica. “Grazie al controllo delle condizioni di deposizione, risultano trasparenti anche quando depositati su substrati riflettenti (silicio) consentendo la misura relativa di dose e la sua accurata mappatura bidimensionale”.

L’acceleratore ENEA TOP-IMPLART

Gli irraggiamenti dei rivelatori sono eseguiti presso la linea di bassa energia dell’innovativo acceleratore ENEA TOP-IMPLART che produce protoni ad alta energia (71 MeV) per il trattamento di alcuni tumori superficiali, come il melanoma oculare, ed è provvisto di una linea verticale per ‘estrarre’ fasci di protoni di energia da 3 a 7 MeV.

“La linea verticale dell’acceleratore TOP-IMPLART viene anche impiegata per valutare quantitativamente la risposta dei nuovi tipi di rivelatori di radiazione”, sottolinea Concetta Ronsivalle, responsabile del Laboratorio ENEA Acceleratori di Particelle e applicazioni medicali. “Le campagne sperimentali hanno evidenziato le potenzialità di questa linea verticale che per versatilità e geometria di irraggiamento risulta unica in Europa”.

I ricercatori hanno sviluppato substrati termosensibili e trasparenti per colture cellulari modificando ad hoc le proprietà chimico-fisiche di film ultra-sottili di microgel. Questi sono ‘cresciuti’ all’ENEA di Frascati per svolgere la funzione di interfaccia tra i tessuti biologici e il sensore di tracce nucleari fluorescenti, costituito da fluoruro di litio.

“Su questi film di microgel, abbiamo infine studiato l’adesione delle cellule, il cui distacco può essere controllato portando il sistema a temperatura ambiente. Il tutto senza l’utilizzo di agenti chimici, e valutato la possibilità di utilizzarli come interfaccia per le colture cellulari in esperimenti di radiobiologia”, dichiara Valentina Nigro del Laboratorio ENEA di Micro e nanostrutture per la fotonica. “In questo modo abbiamo ottenuto rivelatori biocompatibili dall’elevata risoluzione spaziale e versatilità. I quali possono rispondere alle esigenze della radiobiologia, a costi contenuti, con soluzioni ecosostenibili che possono essere di interesse per le imprese del settore”.

Note

[1] Rivelatori di tracce nucleari fluorescenti per radiobiologia (FNTD – Fluorescent Nuclear Track Detector): https://www.biotrack.enea.it/it

[2] Progetti di Gruppi di Ricerca 2020 – POR FESR Lazio 2014-2020

[3] La radiobiologia è la disciplina che studia gli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla materia vivente ed i meccanismi attraverso i quali si esplicano tali effetti

[4] Top Implart è realizzato da ENEA in collaborazione con Istituto Superiore di Sanità (ISS) e Istituto Nazionale Tumori Regina Elena (IRE-IFO)

[5] V. Nigro, E. Buratti, F. Limosani, R. Angelini, F. Dinelli, S. Franco, E. Nichelatti, M. Piccinini, M. A. Vincenti, R. M. Montereali, B. Ruzicka, Spin-coating deposition of thermoresponsive microgel thin films, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 674,131918 (2023)

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