Nel 1896 Henri Becquerel scoprì una nuova misteriosa radiazione. A differenza dei raggi X , che scomparivano quando il tubo a raggi X veniva spento, questa nuova radiazione osservata nell'uranio veniva emessa in modo continuo. Studi successivi di Pierre e Marie Curie rivelarono che anche altri elementi possedevano la stessa proprietà. In particolare essi individuarono queste proprietà nel polonio e nel radio nel 1898.

Pierre e Marie Curie trovarono rapidamente un impiego per questa proprietà e già nel 1901 il radio veniva usato negli ospedali. Ci si rese conto che la radiazione del radio ha effetti benefici su molte malattie della pelle, cancro compreso.

Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio, Parigi 1898.

La nuova radiazione era di origine nucleare. Alcuni nuclei emettono spontaneamente particelle α (nuclei di elio), particelle β – che possono essere elettroni (β^-) o positroni (β⁺) – e/o raggi γ (gamma) (cioè fotoni di alta energia). Un atomo di questo tipo, con un nucleo instabile caratterizzato da un eccesso di energia, è chiamato radionuclide o nuclide radioattivo, ed è indicato anche come radioisotopo o isotopo radioattivo.

I radioisotopi naturali sono per esempio ²³⁸U (uranio), ⁴⁰K (potassio), ²³²Th (torio) e i loro nuclei figli ²²⁶Ra (radio), ²²²Rn (radon), ²¹⁸Po (polonio). Alcuni radioisotopi sono prodotti in continuazione dall'azione dei raggi cosmici sugli strati superiori della nostra atmosfera, come per esempio ¹⁴C (carbonio), ³H (trizio) o ⁷Be (berillio).

Irène e Frédéric Joliot-Curie furono i primi a produrre radioisotopi artificiali , nel 1933, usando una sorgente α naturale per bombardare l'alluminio-27 e produrre il radioelemento fosforo-30, che per decadimento β si trasforma in silicio-30. Ciò avvenne perché i nuclei degli atomi di alluminio acquisirono protoni aggiuntivi dai nuclei di elio (particelle α).

Da allora sono stati prodotti molti nuovi radioisotopi, aprendo la strada a numerose nuove applicazioni e portando a una migliore comprensione della materia nucleare e delle forze nucleari. Entro il 1936 erano stati prodotti circa 200 radionuclidi. Oggi si conoscono circa 250 nuclidi stabili. Vengono prodotti con fasci di particelle che vanno dai protoni all' ²³⁸U, accelerati in ciclotroni o acceleratori lineari.

Il primo acceleratore (ciclotrone) fu costruito a Berkeley, negli Stati Uniti, nel 1932 da Ernest O. Lawrence. Egli e suo fratello John Lawrence, medico, riconobbero ben presto applicazioni mediche molto importanti e produssero isotopi radioattivi per la ricerca biologica e medica, oltre che per il trattamento dei tumori. Il primo ciclotrone europeo fu costruito da Frédéric Joliot (1939) al Collège de France, a Parigi.

Mappa del panorama nucleare. Le drip line segnano il limite della stabilità nucleare rispetto all'emissione di n o p .

I fisici hanno prodotto molti nuovi isotopi sempre più lontani dalla valle naturale di stabilità nucleare. Attualmente esistono numerose installazioni che impiegano fasci di ioni radioattivi. La domanda di radioisotopi medici è un fenomeno mondiale e nei paesi sviluppati cresce in modo esponenziale dal 1995.

Il premio Nobel per la chimica del 1943 fu assegnato a G. de Hevesy per essere stato il primo a usare elementi radioattivi naturali (e in seguito artificiali) come traccianti per studiare gli elementi stabili nei sistemi biologici. Una quantità piccolissima di un elemento radioattivo può essere seguita facilmente nel corpo umano. Ciò si può ottenere anche con traccianti chimici, ma occorrerebbero quantità di sostanze assai maggiori, rendendo la procedura molto più rischiosa per il paziente.

In una tipica indagine di medicina nucleare al paziente viene somministrato un tracciante e i raggi γ emessi dal nuclide tracciante vengono registrati con una schiera di rivelatori di radiazione. Questa tecnica è detta tomografia a emissione. Il tracciante viene di solito scelto in modo da depositarsi selettivamente in un determinato organo; i raggi γ rivelati forniscono allora un'immagine dettagliata della regione di interesse. A un occhio esperto le immagini possono rivelare anomalie strutturali o metaboliche, portando a diagnosi migliori. In medicina nucleare si impiega una grande varietà di isotopi, ciascuno mirato specificamente a singoli organi del corpo umano.

Immagine sopra: applicazione della PET in neurofisiologia (memoria di lavoro verbale nel cervello), ospedale San Raffaele, Milano.

I tumori possono essere localizzati con tecniche come la tomografia computerizzata a emissione di fotone singolo (SPECT) o la tomografia a emissione di positroni (PET) (nella quale si usano nuclei emettitori di positroni (β+) per produrre, attraverso il processo di annichilazione, raggi γ energetici). Le tecniche SPECT e PET sono ormai standard nella diagnosi dei tumori così come negli studi funzionali del cervello sano.

Immagine da una tomografia computerizzata che utilizza raggi X e un tracciante allo iodio (Hôpital Erasme, Bruxelles).

Fra gli elementi radioattivi lo iodio (I) svolge un ruolo eccezionale, poiché si lega al tessuto tiroideo con grande affinità e selettività. A basse dosi può essere usato a scopo diagnostico; viceversa, la radiazione emessa dallo iodio radioattivo legato esclusivamente ai tessuti tiroidei può curare il cancro della tiroide.

¹³¹I (radioattività β e γ, con un tempo di dimezzamento di 8 giorni) è usato da oltre 50 anni per studiare l'attività tiroidea. Il Tc-99m (uno stato eccitato metastabile del nucleo tecnezio-99, con un tempo di dimezzamento di 6 ore) è pure un ottimo tracciante impiegato per studiare organi come il cervello, il fegato e i polmoni. Il radio e lo stronzio si usano per studiare le ossa e lo scheletro.

Gli elementi chimici fisiologicamente più interessanti, come C (carbonio), N (azoto) e O (ossigeno), possiedono isotopi a vita breve emettitori β⁺impiegati nelle tecniche PET. I nuclidi emettitori beta comunemente usati sono ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O e ¹⁸F (fluoro).

Immagine a destra: scintigrafia dell'attività tiroidea con tecnezio.

SPECT sta per tomografia computerizzata a emissione di fotone singolo. In questa procedura gli organi vengono visualizzati misurando la distribuzione di un radiotracciante iniettato per mezzo di una «telecamera» gamma collegata a un computer. L'imaging SPECT prevede la rotazione di una schiera di rivelatori gamma attorno al paziente per acquisire misure da molte angolazioni. Con questa tecnica si ricercano la posizione e la concentrazione della distribuzione del radionuclide. La SPECT impiega radioisotopi come il ^99mTc o lo ¹²³I, per i quali viene emesso un singolo γ (da 140 keV).

Immagine a sinistra: una lesione cerebrale è chiaramente localizzata da una scansione SPECT (a sinistra). Il glioma (un tipo di tumore cerebrale) è mal definito nella tomografia a raggi X (a destra) ma si vede come una netta macchia scura in un'immagine SPECT ottenuta con Tc-99m.

La SPECT ha molte applicazioni sia nella diagnosi sia come ausilio alla terapia. Le scansioni SPECT che impiegano un radioisotopo non assorbito dai tessuti ma che circola nel sangue permettono di vedere come il sangue affluisce a determinati tessuti e organi. Ciò è particolarmente utile per gli esami del cervello e del cuore.

Nella tecnica di tomografia a emissione di positroni (PET) gli isotopi comunemente usati sono ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C e ¹⁸F. Questi hanno tempi di dimezzamento brevi, di circa 2, 10, 20,4 e 110 minuti rispettivamente, per cui i radioisotopi devono essere prodotti vicino al luogo di impiego. Per questo motivo molti ospedali dispongono di un piccolo ciclotrone nelle vicinanze o addirittura all'interno dell'ospedale stesso, costruito appositamente per produrre questi isotopi. L'isotopo viene poi legato a una sostanza naturale come glucosio, acqua o ammoniaca, che viene quindi introdotta nel corpo umano tramite iniezione o eventualmente per inalazione sotto forma di gas. Il radioisotopo raggiunge la parte del corpo che utilizza la sostanza a cui è stato legato: ecco perché si impiegano molte sostanze diverse.

Rappresentazione schematica della tecnica PET. Una schiera circolare di rivelatori registra i due raggi gamma provenienti da un'annichilazione e⁺ - e^- .

Le particelle elementari hanno corrispondenti antiparticelle. L'antiparticella di una particella è di fatto la stessa particella ma con carica elettrica opposta. Quando una particella e la sua antiparticella si scontrano, si annichilano con emissione di energia pura.

Gli isotopi tipicamente usati in una scansione PET sono emettitori β⁺ . Quando l'isotopo decade all'interno del corpo del paziente, ogni positrone (β⁺) emesso percorre solo una breve distanza nel tessuto (tipicamente meno di 1 mm, ma dipende dall'isotopo) prima di annichilarsi con un elettrone (β^-). L'energia liberata nell'annichilazione si presenta sotto forma di una coppia di fotoni gamma (γ) emessi a 180° l'uno rispetto all'altro, con un'energia di 511 keV ciascuno. La rivelazione dei due raggi γ in coincidenza da parte di due rivelatori consente di localizzare l'evento di decadimento sulla retta che congiunge i due rivelatori.

Le scansioni PET sono comunemente usate per diagnosticare tumori, patologie cardiache e alcuni disturbi cerebrali come l'epilessia o la malattia di Alzheimer. La PET è impiegata anche per valutare la risposta alla terapia antitumorale. Inoltre le scansioni PET sono usate nella ricerca, per esempio negli studi sugli effetti dell'abuso di sostanze o dell'invecchiamento.

I rischi associati a una scansione PET sono molto piccoli ma, come per la maggior parte dei tipi di scansione, essa non è sempre indicata per le donne in gravidanza o che allattano. A causa della presenza di una sostanza radioattiva nel corpo, gli ospedali consigliano ai pazienti di evitare contatti ravvicinati con donne in gravidanza o bambini piccoli per almeno alcune ore dopo una scansione PET.

Immagine di una scansione PET che mostra un tumore osseo dello scheletro (Hôpital Erasme, Bruxelles).

Rispetto ad altre tecniche di imaging diagnostico come la radiografia o la RMN, la PET studia la funzione del corpo piuttosto che la sua anatomia. A tutt'oggi nessuna tecnica di imaging diagnostico può competere con essa quanto a interazione dinamica. Questa tecnica di imaging medico consente di seguire, in tempi diversi, informazioni quantitative sulla farmacocinetica e la farmacodinamica di una biomolecola marcata iniettata (o inalata) in un animale vivo o in un essere umano. La PET è utile per studiare il metabolismo (assorbimento degli zuccheri, incorporazione di amminoacidi nelle proteine, ecc.), le reazioni enzimatiche e le interazioni molecolari. La SPECT, come la PET, raccoglie informazioni sulla concentrazione dei radionuclidi introdotti nel corpo del paziente.

L'imaging SPECT è inferiore alla PET quanto a risoluzione e sensibilità ottenibili. Per la PET la migliore risoluzione spaziale oggi raggiungibile è di circa 6 mm, cioè da 2 a 3 volte migliore che con la SPECT. A causa del loro rapido decadimento, praticamente tutti gli isotopi PET devono essere prodotti in loco (con l'eccezione del ¹⁸F, con tempo di dimezzamento di 110 min). Al contrario, gli isotopi SPECT come lo ¹²³I hanno un tempo di dimezzamento sufficientemente lungo (13,2 ore) da consentire una produzione centralizzata in sedi lontane, con successiva consegna tramite corriere espresso.

Un'altra tecnica usata per la diagnosi medica è la risonanza magnetica per immagini (RMN). I primi strumenti clinici per la RMN (dapprima chiamata NMR, dall'inglese Nuclear Magnetic Resonance) furono costruiti negli anni Ottanta.

Il principale vantaggio della RMN è che non impiega alcuna sostanza radioattiva. Le immagini RMN mostrano la distribuzione dell'acqua (H₂O) nel corpo e gli organi in cui essa è immagazzinata. La RMN è sostanzialmente un grande tubo con potenti magneti all'interno. Ciò dipende dal fatto che i protoni nei nuclei di idrogeno si comportano come minuscoli magneti. Quando attorno al paziente viene applicato un campo magnetico esterno (cosa non dannosa), tutti questi minuscoli magneti presenti nell'acqua vengono orientati in un'unica direzione. Quando il protone torna di scatto nella posizione iniziale emette onde radio che lo scanner RMN può rivelare e misurare per formare un'immagine bidimensionale del corpo. La RMN è comunemente usata per le diagnosi cerebrali o cardiache, ma può servire a esaminare quasi ogni parte del corpo.

La tecnologia RMN continua a essere sviluppata per affrontare una gamma più ampia di problemi di diagnosi clinica. Per esempio, Xe-129 o He-3 polarizzati possono essere usati per visualizzare le vie aeree nei polmoni con alta risoluzione spaziale e temporale. RMN dei vasi sanguigni e degli organi della testa e del tronco.

Il premio Nobel per la medicina 2003 fu assegnato a Paul Lauterbur e a Sir Peter Mansfield per il loro lavoro e il loro contributo alla risonanza magnetica per immagini.

La maggior parte degli ospedali moderni e universitari impiega oggi RMN e PET, accanto ad altre tecniche di imaging. In molti istituti di fisica nucleare esistono gruppi le cui attività e ricerche sono dedicate a specifiche applicazioni mediche e al trattamento dei pazienti, per esempio al GSI (Germania), al PSI (Svizzera), al GANIL (Francia), all'HMI (Germania) o al LARN (Belgio).

La terapia con particelle consiste nel dirigere particelle ionizzate sul tumore bersaglio. La ionizzazione danneggia indistintamente il DNA delle cellule. Le cellule tumorali, però, sono meno capaci di ripararsi e risentono maggiormente di questo danno.

Le particelle usate comprendono protoni, neutroni o ioni carichi positivamente. Ogni tipo di particella ha un'energia diversa e può quindi penetrare nel corpo umano a profondità differenti. Per questo si usano tipi diversi di particelle per procedure diverse. Il tipo più comune di terapia con particelle è la protonterapia.

Un problema fondamentale della radioterapia è la necessità di massimizzare la dose rilasciata nel tumore riducendo al minimo il danno al tessuto sano circostante. Con le radiazioni elettromagnetiche (raggi X o γ) una grande frazione della dose colpisce il tessuto sano lungo il fascio, davanti e dietro il tumore.

Oggi si ottiene un miglioramento della radioterapia usando fasci di particelle di alta energia (p, ioni pesanti), perché per i fasci di ioni la dose cresce con la profondità di penetrazione fino a un massimo posto alla fine del percorso della particella. La terapia con fasci di ioni permette di depositare nel tumore una dose maggiore e più efficace di qualsiasi altro tipo di terapia esterna.

L'immagine in alto a destra mostra il confronto tra due procedure. La terapia con fotoni (a) deposita un'alta dose di radiazione nel tessuto sano davanti al tumore. Nel caso di un fascio di particelle (b) la maggior parte della dose resta confinata al tumore.

L'immagine a sinistra mostra una scansione di un tumore cerebrale prima e sei settimane dopo la radioterapia con fotoni e ioni carbonio.

A oggi più di 50 000 pazienti nel mondo sono stati trattati con fasci di protoni. Il trattamento dei tumori oculari con fasci di protoni dà di gran lunga i migliori risultati clinici. La protonterapia è ideale anche quando il tumore è vicino a un organo critico, perché può essere diretta con grande precisione. Quanto migliore è la conformità del volume irradiato al volume bersaglio, tanto migliori sono i risultati. Ciò vale anche per i fasci di ioni pesanti, con i quali si può ottenere una conformità superiore a quella dei protoni. La terapia con ioni pesanti fu inaugurata nel 1974 al Lawrence Berkeley Laboratory. I primi trattamenti impiegarono ioni Ar (argon) e in seguito ioni Si (silicio) e Ne (neon). I tumori irradiati si trovavano vicino a organi critici del cervello, della testa o del collo. I risultati furono eccellenti e motivarono la costruzione di acceleratori medici dedicati agli ioni pesanti.

La brachiterapia è una forma di radioterapia in cui materiale radioattivo viene collocato all'interno del corpo, vicino al tumore. I vantaggi di questa procedura sono che la radiazione non deve attraversare il tessuto sano dall'esterno del corpo per raggiungere il tumore e colpisce invece solo un'area localizzata. Ciò significa che si possono somministrare dosi relativamente elevate con un rischio minimo. Inoltre il paziente resta mobile per tutta la durata del trattamento. Il trattamento complessivo si conclude di solito in meno tempo rispetto ad altre procedure, per cui le cellule tumorali hanno meno tempo per moltiplicarsi tra una seduta e l'altra.

La brachiterapia è una tecnica standard per alcuni tumori ginecologici come il cancro del collo dell'utero o della prostata e per certi stadi dei carcinomi della testa e del collo. Per le patologie prostatiche sono stati usati vari approcci, dettati principalmente dall'isotopo scelto. ¹²⁵I (con un tempo di dimezzamento di 60 giorni) e il ¹⁰³Pd (con un tempo di dimezzamento di 17 giorni) sono usati per gli impianti permanenti. Questi isotopi possono essere prodotti per cattura neutronica nei reattori. ¹⁰³Pd può essere prodotto in modo più efficiente nei ciclotroni (con fasci di protoni da 14 MeV). Negli Stati Uniti esistono oltre 10 anni di dati clinici sull'uso del ¹⁰³Pd nella brachiterapia prostatica. Questo successo clinico, unito all'assenza di effetti collaterali, ne ha fatto una scelta terapeutica molto diffusa.

Il Sole fornisce l'energia di cui la Terra ha bisogno per ospitare la vita. L'energia del Sole è prodotta nel nucleo, dove avvengono reazioni nucleari a temperature di circa 15 milioni di °C. L'energia prodotta nella catena p-p è portata via da fotoni e da neutrini che sfuggono senza essere assorbiti. Questi fotoni possono impiegare 2 milioni di anni per andare dal nucleo del Sole alla superficie, ma poi raggiungono la Terra in circa 8 minuti.

Il Sole emette luce visibile, radiazione infrarossa che percepiamo come calore e radiazione ultravioletta che, purtroppo, può essere pericolosa. La radiazione ultravioletta può provocare il melanoma cutaneo (tumore della pelle). Il melanoma cutaneo è una delle cause più comuni di tumore e nel 2008, per esempio, ha ucciso circa 46 000 persone nel mondo.

Veduta microscopica di pelle sana (a sinistra) e di pelle danneggiata dalla radiazione (a destra).

Il tasso di diagnosi di melanoma maligno è quadruplicato negli ultimi 30 anni. Si riscontra più frequentemente in persone con casi di tumore della pelle in famiglia, in persone dai capelli e dalla pelle chiari e in chi ha più di 40 anni. Tuttavia chiunque può sviluppare un tumore, indipendentemente da origine, età o genetica. La maggior parte dei danni alla pelle si verifica prima dei 20 anni ma spesso non si manifesta fino ai 40, perciò anche se non vi vedete scottare state comunque danneggiando la vostra pelle. Per questo è così importante usare la crema solare e stare lontani dal Sole quando è più intenso (tra le 11 e le 15).