Terapie oncologiche più precise ed efficaci, con un nuovo sensore per tenere sotto controllo le radiazioni

Il sensore è composto da un substrato plastico flessibile sul quale viene depositato un semiconduttore organico (Foto: Ilaria Fratelli)

Un gruppo di ricerca guidato da studiosi dell’Università di Bologna ha messo a punto il primo esempio di sensore organico, sottile, flessibile ed economico in grado di rilevare l’intensità e la distribuzione spaziale delle radiazioni che colpiscono i tessuti umani durante le sedute di adroterapia.

Più efficace della radioterapia, che utilizza prevalentemente raggi X ed elettroni, l’adroterapia è una tecnica che utilizza fasci di protoni per il trattamento di tumori non operabili. I protoni, accelerati ad energie di decine di MeV (megaelettronvolt), interagiscono debolmente con la pelle e i tessuti superficiali, riuscendo a rilasciare gran parte della loro energia a grandi profondità. L’efficacia di questo trattamento è però potenziata se si riesce a posizionare con precisione il raggio sul sito del tumore, controllando e calibrando sia l’area irraggiata che l’intensità.

Per farlo si usano oggi soprattutto ricostruzioni basate sulle immagini ottenute sottoponendo i pazienti a tomografia computerizzata. Ma poter contare su un sensore posizionato direttamente all’interno del corpo, nell’area interessata, sarebbe ovviamente una soluzione più efficace.

Con questo obiettivo, gli studiosi hanno realizzato un dispositivo innovativo – presentato sulla rivista Science Advances – con una superficie di pochi millimetri e uno spessore di 125 micrometri (un micrometro equivale a un milionesimo di metro): è costituito da un substrato plastico flessibile sul quale viene depositato un semiconduttore organico basato sul pentacene, una tipologia di idrocarburo. Sopra a questa base vengono poi applicati due elettrodi d’oro che sono alimentati da un campo elettrico a bassa intensità. Durante l’adroterapia, quando i protoni colpiscono il sensore, nello strato semiconduttore si generano delle cariche elettriche che viaggiano verso gli elettrodi d’oro e producono una corrente la cui intensità varia a seconda del flusso di protoni incidente.

“A differenza di altri dispositivi basati sul silicio, questo nuovo sensore è in grado di imitare la risposta del tessuto umano alle radiazioni e non richiede quindi una complessa procedura di calibrazione per poter funzionare in modo efficace”, spiega Beatrice Fraboni, professoressa al Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi” dell’Università di Bologna, che ha coordinato lo studio nell’ambito di un progetto finanziato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ed in collaborazione con l’Università di Trento. “Inoltre, non sono richieste tecnologie sofisticate per la sua realizzazione e il dispositivo è anche riutilizzabile: tutti elementi che rendono questo sensore una soluzione a basso costo e scalabile a livello industriale”.

Ilaria Fratelli, dottoranda all’Università di Bologna e prima autrice dello studio, aggiunge: “L’interazione tra il semiconduttore e il substrato plastico permette non solo di misurare in tempo reale la dose di radiazione che viene assorbita ad ogni impulso, ma anche di integrare la dose totale ricevuta da diversi impulsi: si tratta del primo dispositivo elettronico organico in grado di comportarsi in questo modo sotto irraggiamento con protoni”.

Il basso consumo di energia, le dimensioni estremamente ridotte e il basso peso del sensore lo rendono potenzialmente adatto, oltre alle applicazioni per l’adroterapia, anche per le missioni spaziali di lunga durata, dove è necessario monitorare costantemente i livelli di radiazioni a cui sono sottoposti gli astronauti, per lo più costituite da protoni ad alta energia.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Science Advances con il titolo “Direct detection of 5-MeV protons by flexible organic thin-film devices”. Per l’Università di Bologna hanno partecipato Ilaria Fratelli, Andrea Ciavatti, Laura Basiricò, Laura Fabbri e Beatrice Fraboni, tutti attivi al Dipartimento di Fisica e Astronomia “Augusto Righi”.