Radioterapia FLASH: ricerca radiobiologica e sviluppo di sorgenti di elettroni di alta energia (VHEE) al CNR-INO

A partire dal 2008, con la dimostrazione del primo acceleratore laser-plasma di elettroni in Italia [1], il laboratorio ILIL del CNR-INO di Pisa ha avviato una attività di ricerca delle applicazioni biomediche dei fasci di elettroni, con particolare riferimento alla diagnostica medica e alla radioterapia oncologica. Questi studi sfruttano l’elevato rateo istantaneo di dose da radiazioni ionizzanti delle sorgenti a plasma, il più alto oggi ottenibile da un generatore di radiazione. Gli studi sin qui condotti, in collaborazione con l’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR, l’Unità di Fisica Sanitaria dell’AOUP di Pisa ed altri gruppi con forti competenze in ambito biomedico, hanno consentito di calibrare la sorgente per usi pre-clinici e hanno mostrato l’efficacia radiobiologica [2] delle sorgenti con studi in vitro [3].

Questi studi hanno motivato il potenziamento dell’impianto laser dell’ILIL che, a partire dal 2018, è operativo [4] per la produzione di fasci di elettroni di alta energia, conosciuti in ambito bio-medicale come Very High Energy Electrons (VHEE) [2]. Gli studi già effettuati hanno dimostrato [5] in laboratorio la somministrazione, in profondità, di radiazione ad alto rateo di dose, utilizzando fasci di elettroni di alta energia prodotti con l’acceleratore a plasma di nuova concezione basato su laser intensi.

Laser di alta energia per la sorgente di elettroni VHEE. I laser forniscono energia al plasma per il funzionamento dell’acceleratore di particelle [4].

Questi studi aprono la strada a nuovi e più efficaci protocolli in radioterapia, anche basati sul cosiddetto “effetto FLASH”[6], che prevede la somministrazione della dose terapeutica in un’unica sessione e in tempi molto brevi e porterebbe a equivalenti effetti sul tumore e a un minor danno ai tessuti sani [7]. In questo contesto, il Laboratorio ha concepito un programma di ricerca pre-clinica teso a dimostrare la possibilità di somministrazione di dosi terapeutiche di VHEE in regime FLASH. Il raggiungimento di questo obiettivo è propedeutico all’avvio di una sperimentazione clinica da complerare entro il 2025.

Presentazione (3 min)

La fase pre-clinica, già finanziata nell’ambito del progetto ELI-ITALY (Extreme Light Infrastructure, ITALIA), è attualmente in corso [8] e mira caratterizzare il fascio VHEE dal punto di vista dosimetrico e a determinarne l’efficacia radiobiologica. Parallelamente è in corso la progettazione di un prototipo di sorgente VHEE di seconda generazione, in grado di rispondere alle esigenze per la futura somministrazione di terapia in ambiente ospedaliero.

BIBLIOGRAFIA

[1]L. A. Gizzi, C. Benedetti, S. Betti, C. A. Cecchetti, A. Gamucci, A. Giuliettia, D. Giulietti, P. Koester, L. Labate, T. Levato, F. Michienzi, N. Pathak, A. Sgattoni, G. Turchetti and F. Vittori, Laser-Plasma Acceleration: First Experimental Results from the Plasmon-X Project, Proceedings of the 51st Workshop of the CHANNELING 2008 Conference on “Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena”, World Scientific Publishing, The Science and Culture Series – Physics, pp. 495-501 — Published April 2010, ISBN:978-981-4307-00-0; https://doi.org/10.1142/9789814307017_0045

[2] Antonio Giulietti (Editor), Laser-Driven Particle Acceleration Towards Radiobiology and Medicine, Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering, DOI 10.1007/978-3-319-31563-8_8 – ISBN: 978-3-319-31561-4 (Print) 978-3-319-31563-8 (Online); https://doi.org/10.1007/978-3-319-31563-8_8

[3] M.G. Andreassi, A Borghini, S. Pulignani, F. Baffigi, L. Fulgentini, P. Koester, M. Cresci, C. Vecoli, D. Lamia, G. Russo, D. Panetta, M.Tripodi, L. A. Gizzi, L. Labate, Radiobiological Effectiveness of Ultrashort Laser-Driven Electron Bunches: Micronucleus Frequency, Telomere Shortening and Cell Viability Radiation Research 186, 245-253 (2016); https:// https://doi.org/10.1667/RR14266.1

[4] “FLASH”, nuova frontiera contro i tumori, Comunicato Stampa CNR, 22/12/2021, https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/9907/flash-nuova-frontiera-contro-i-tumori

[5] Luca Labate, Daniele Palla, Daniele Panetta, Federico Avella, Federica Baffigi, Fernando Brandi, Fabio Di Martino, Lorenzo Fulgentini, Antonio Giulietti, Petra Köster, Davide Terzani, Paolo Tomassini, Claudio Traino, Leonida A Gizzi, Toward an effective use of laser-driven very high energy electrons for radiotherapy: Feasibility assessment of multi-field and intensity modulation irradiation schemes, Scientific Reports 10, 17307 (2020); https://doi.org/10.1038/s41598-020-74256-w

[6] V. Favaudon et al., Science Translational Medicine, 6 245 (2014)
https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3008973

[7] Leonida A. Gizzi, Un balzo tecnologico per la nuova radioterapia, su Sapere Scienza, http://www.saperescienza.it/rubriche/fisica-e-tecnologia/un-balzo-tecnologico-per-la-nuova-radioterapia

[8] Leonida A. Gizzi, Luca Labate, Federica Baffigi, Fernando Brandi, Giancarlo Bussolino,Lorenzo Fulgentini, Petra Köster, and Daniele Palla, Overview and specifications of laser and target areas at theIntense Laser Irradiation Laboratory, High Power Laser Sci. and Eng. 9, e10 (2021); https://doi.org/10.1017/hpl.2020.47