Fisica nucleare per la salute
di Pierdomenico Memeo
- Materie coinvolte: Fisica
Il dottor David Banner. Medico e scienziato,
in cerca di un modo per attingere alla forza
nascosta che tutti gli umani possiedono.
Ma una dose accidentale di raggi gamma
ha trasformato la chimica del suo corpo.
E ora, quando David Banner si arrabbia,
una sorprendente metamorfosi si scatena.
L’Incredibile Hulk (1977), Narrazione iniziale
Fisica nucleare per la salute
La medicina nucleare è una specialità medica che utilizza sostanze radioattive somministrate al paziente a scopo di diagnosi, terapia, e ricerca. Questo significa che, al contrario delle procedure di radiologia e radioterapia che utilizzano sorgenti sigillate di radiazioni poste all’esterno per esaminare e curare i pazienti, la medicina nucleare introduce farmaci che emettono radiazioni all’interno paziente: per capire se c’è qualcosa che non funziona come dovrebbe, e nel caso per cercare di risolvere la situazione agendo “dall’interno”.
Per fare questo, i medici nucleari collaborano con i fisici, ragionando in termini di decadimenti atomici, penetrazione delle particelle nella materia, produzione di farmaci radioattivi, algoritmi per la ricostruzione di immagini, e così via.
Una collaborazione a prima vista
1898: La comprensione di quali sostanze possiedono questa caratteristica si deve al lavoro sistematico di Maria Skłodowska e Pierre Curie che riescono a identificare due nuovi elementi accomunati da questa caratteristica, il Polonio e il Radio: su quest’ultimo coniano il termine radioattività.
1901: Passano solo tre anni e i medici Alexandre Danlos e Eugene Bloch sperimentano per la prima volta gli effetti della radioattività sulle malattie (in particolare lesioni alla pelle dovute alla tubercolosi). Due anni dopo, Alexander Graham Bell ipotizza che le radiazioni possano avere effetti sui tumori, limitando la loro proliferazione. La strada della ricerca è ancora lunga, ma la direzione è tracciata.
Figura 1. Marie Skłodowska Curie in visita a Pittsburgh
Il segreto della luce oscura
1911: Con la scoperta del nucleo atomico da parte di Ernest Rutherford si inizia a capire che le trasformazioni delle particelle all’interno del nucleo (chiamate “decadimenti”) sono all’origine di queste radiazioni, da allora chiamate “nucleari”. A questo segue la scoperta che esistono elementi con le stesse caratteristiche chimiche ma che si comportano in maniera diversa rispetto all’emissione di radiazioni nucleari: dal momento che presentano lo stesso numero atomico, vengono chiamati “isotopi” (dal greco ἴσος τόπος, stesso posto) perché occupano la stessa posizione nella tavola periodica degli elementi).
1934: I coniugi Jean Joliot e Irène Curie (figlia di Maria e Pierre) scoprono un metodo per trasformare alcuni elementi nei loro isotopi artificiali, come ad esempio il fosforo-32: essendo instabili, questi isotopi decadono, ottenendo quindi una sorgente di radioattività che può essere usata in maniera controllata.
1935: Grazie a esperimenti condotti usando proprio il fosforo-32 viene dimostrato il meccanismo di rinnovamento continuo delle ossa. Si tratta del primo utilizzo di un elemento radioattivo per la comprensione di un processo fisiologico: per questo, György Bischitz de Hevesy vince il Premio Nobel per la Chimica, diventando così il padre della teoria dei traccianti, ovvero dell’utilizzo di sostanze radioattive per andare a studiare processi metabolici sconosciuti o solo parzialmente noti.
1941: Il medico Saul Herz, forte della conoscenza del ruolo dello iodio nella fisiologia della tiroide, una ghiandola endocrina che si trova alla base del collo, somministra la prima vera cura usando lo iodio-130 per trattare un caso di ipertiroidismo. Questa procedura prende il nome di terapia radiometabolica, ossia la somministrazione di isotopi radioattivi per ottenere un effetto terapeutico sfruttando il metabolismo degli organi per portare la terapia “a bersaglio”.
Figura 1. Scintigrafia ossea a figura intera di una paziente
Cristalli per vedere l’invisibile
1944: Accoppiando un cristallo scintillatore ad un fotorivelatore, Samuel Curran sviluppa un sistema per trasformare l’impulso luminoso in corrente elettrica, che può essere elaborata per comporre un’immagine elettronica: a questo punto, si tratta di accoppiare cristalli sempre più scintillanti a un numero adeguato di fotorivelatori sempre più sensibili, per ottenere immagini sempre migliori. Questa tecnologia viene utilizzata a scopo medico per vedere, in tempo reale o quasi, l’attività delle sostanze radioattive all’interno del paziente: nasce la scintigrafia.
1958: Hal Anger costruisce la prima camera a scintillazione, o gamma camera. Si tratta di una versione avanzata dello scintillatore, che permette di ricostruire con buona approssimazione il punto di origine del lampo di luce nel cristallo e di conseguenza la posizione del nucleo radioattivo che ha subito il decadimento, e fissare l’immagine su una lastra fotografica o memorizzata su un supporto elettronico. Quattro anni dopo viene costruita la prima gamma camera rotante, in modo da poter ottenere immagini dello stesso segmento da diverse angolazioni, e realizzare di conseguenza un’immagine tridimensionale. La necessità di eseguire moltissimi calcoli in breve tempo è possibile grazie anche agli sviluppi dei primi computer, che da questo momento diventano indispensabili: inizia l’era delle tomografie computerizzate in medicina nucleare.
Figura 1. Paziente durante l’esecuzione di un esame PET (positron emission tomography)
La medicina nucleare oggi
L’utilizzo della radioattività per uso medico è infatti uno dei pilastri della medicina attuale, grazie allo studio di nuove vie metaboliche e allo sviluppo di nuovi radiofarmaci. Non male per una scoperta che ancora oggi è accompagnata da un certo senso di mistero e a volte da una malcelata preoccupazione che, per quanto comprensibile storicamente, non deve essere un ostacolo per l’utilizzo di una metodica che può essere di grande giovamento per i pazienti.
Proposta di attività per la classe: Particelle col camice
Questa attività è pensata allo scopo di avvicinare e familiarizzare gli studenti e le studentesse con alcuni principi e tecnologie della medicina nucleare e di altre specialità contigue, in modo da renderle più chiare, più trasparenti, e di conseguenza ridurre l’ansia e la preoccupazione che spesso sono associate a queste tecniche.
Per svolgere l’attività, la classe sarà divisa in piccoli gruppi, ognuno dei quali approfondirà la tecnologia e gli utilizzi di una metodica di medicina nucleare o di radiologia. Ogni gruppo dovrà svolgere una breve ricerca online per documentarsi rapidamente sulle diverse tecniche, selezionando le fonti attendibili (enciclopedie mediche, documentazione dell’istituto superiore di sanità, pamphlet di comunicazione dei reparti ospedalieri, ecc), e producendo una breve presentazione (scritta, orale, o visiva) di quello che hanno trovato. In aggiunta o in alternativa, uno o più gruppi potrebbe realizzare una “time-line multimediale” (utilizzando strumenti digitali come Tiki-Toki), e mostrare il cammino parallelo tra evoluzione delle conoscenze e sviluppo delle tecnologie (sia per la diagnostica che per la terapia).
Esempi di metodiche in medicina nucleare:
- Scintigrafia
- PET (tomografia a emissione di positroni)
- SPECT (tomografia ad emissione di fotoni singoli)
- Terapia radiometabolica
Esempi di metodiche in radiologia:
- Radiografia
- Tomografia computerizzata
- Ecografia
- Risonanza magnetica
Bibliografia
Gian Marco Contessa, Giuseppe Augusto Marzo
CEA (2019)ISBN: 9788808820327
Elementi di fisica
Per le lauree di primo livello dell'area medica.
Dall'osservazione dei fenomeni alla loro descrizione
Romano Zannoli, Ivan Corazza
Esculapio (2019)
ISBN: 9788893851435
Radioactive
Marie e Pierre Curie. Una storia d'amore e contaminazione
Lauren Redniss
Rizzoli Lizard (2020)
ISBN: 9788817144537
Sitografia
Istituto Superiore di Sanità
Uso delle radiazioni in medicina
World Health Organization (in inglese)
Ionizing radiation and health effect
European Association of Nuclear Medicine (in inglese)
Patient information: What is nuclear medicine?
