Il progetto di aggiornamento IMPACT dovrebbe iniziare nel 2025. Esso prevede due importanti ristrutturazioni dell'impianto di accelerazione di protoni del PSI. Ciò andrà a beneficio della ricerca e della società svizzera.
L'acceleratore di protoni HIPA del PSI è leader mondiale per molti dei suoi parametri. I suoi protoni vengono convogliati verso tre grandi strutture di ricerca del PSI, dove vengono condotte ricerche in un totale di circa 30 diverse stazioni sperimentali, ad esempio nel campo della scienza dei materiali e della fisica delle particelle. I protoni vengono utilizzati anche per produrre radionuclidi medici. Il progetto di aggiornamento IMPACT previsto porterà presto due innovazioni di alto livello.
La prima riguarda i muoni, che sono prodotti dai protoni come un tipo di particella secondaria. Due linee di fascio di muoni saranno rinnovate con il nome di HIMB, aumentando di 100 volte il numero di muoni disponibili.
In secondo luogo, è prevista la costruzione di una nuova struttura chiamata TATTOOS presso una futura diramazione del fascio di protoni, che sarà utilizzata per produrre importanti radionuclidi. Questi possono essere utilizzati per produrre radiofarmaci che possono essere impiegati per la diagnosi e il trattamento del cancro.
Radiofarmacia contro le metastasi
Con queste due parti, IMPACT ha molto da offrire alla società svizzera. Nel caso di TATTOOS, ciò è facilmente dimostrabile: i ricercatori del PSI stanno già lavorando allo sviluppo di nuovi radionuclidi e alla loro combinazione con biomolecole adatte per produrre nuovi radiofarmaci. I loro benefici sono in fase di sperimentazione clinica su pazienti di ospedali svizzeri.
"I radionuclidi non sono in concorrenza con la radioterapia esterna per il cancro", spiega Cristina Müller, ricercatrice presso il Centro di Scienze Radiofarmaceutiche del PSI Centre for Life Sciences e professore titolare al Politecnico di Zurigo. La radioterapia esterna è un trattamento consolidato per un tumore chiaramente localizzato. "La nostra terapia, invece, è necessaria quando il cancro si è diffuso in tutto il corpo. In breve: per le metastasi".
L'HIPA è l'impianto di accelerazione di protoni del PSI. HIPA sta per "High Intensity Proton Accelerator".
IMPACT è un aggiornamento previsto per l'HIPA, programmato per il periodo di finanziamento della ricerca a partire dal 2025. IMPACT è l'acronimo di "Isotope and Muon Production with Advanced Cyclotron and Target Technologies". IMPACT è composto da due parti: HIMB e TATTOOS.
HIMB è l'acronimo di "High-Intensity Muon Beams". HIMB è un'iniziativa congiunta del PSI e dell'Università di Zurigo. Si tratta di convertire l'impianto di muoni in modo da poter utilizzare in futuro per la ricerca fino a 10 miliardi di muoni al secondo.
TATTOOS è l'acronimo di "Targeted Alpha Tumour Therapy and Other Oncological Solutions". TATTOOS è una collaborazione tra il PSI, l'Università di Zurigo e l'Ospedale universitario di Zurigo. Comprende un nuovo impianto per la produzione di isotopi, dove vengono prodotti radionuclidi per la terapia mirata del cancro e la diagnostica.
Il lavoro di Müller è innovativo: "Al PSI produciamo radionuclidi che sono quasi impossibili da ottenere altrove. Tuttavia, finora ci siamo limitati a pochi radionuclidi esotici e possiamo produrli solo in piccole quantità".
I ricercatori del Centro di Scienze Radiofarmaceutiche collaborano da oltre dieci anni anche con il CERN, dove il terbio-149, interessante dal punto di vista medico, viene prodotto negli acceleratori di particelle. Tuttavia, questo nuclide ha un'emivita di decadimento radioattivo molto breve, il che significa che il solo tempo di viaggio da Ginevra a Villigen riduce significativamente la quantità della rara sostanza. "Speriamo sempre che non ci siano ingorghi durante il tragitto, perché ogni minuto è davvero importante", dice Müller.
Un impianto di produzione unico per i radionuclidi
L'eliminazione dei tempi di viaggio sarà il primo grande vantaggio di TATTOOS: una volta attraversato il sito PSI, si tratta di pochi minuti. Ma non è tutto: "Per poter sfruttare l'intera gamma di radionuclidi di interesse medico, è necessario disporre di fasci di particelle ad alta intensità, disponibili solo in poche strutture al mondo", afferma Nick van der Meulen, responsabile del gruppo di sviluppo dei radionuclidi del PSI. "Grazie all'HIPA, disponiamo di un intenso fascio di protoni e con TATTOOS saremo in grado di utilizzarlo in modo ideale". L'obiettivo è creare un impianto di produzione unico nel suo genere per una gamma molto ampia di radionuclidi diversi. "E saremo in grado di produrre quantità maggiori rispetto a qualsiasi altro impianto al mondo", afferma van der Meulen.
I ricercatori del PSI stanno quindi pianificando lo sviluppo di diversi nuovi radiofarmaci. Vogliono inoltre fornire varietà di nuclidi con emivite più lunghe ad altri gruppi di ricerca in Svizzera e nel mondo. "Per le applicazioni mediche, l'obiettivo a lungo termine è la terapia personalizzata: un giorno vorremmo avere un radiofarmaco adatto per ogni tipo di cancro e per ogni stadio del tumore", afferma Müller.
"A lungo termine" è una parola chiave importante. "I radiofarmaci sviluppati grazie a TATTOOS potrebbero essere utili alle persone tra circa dieci anni", afferma van der Meulen. "E proprio perché siamo consapevoli di questo tempo di sviluppo, vogliamo iniziare subito".
I muoni per l'archeologia, la fisica delle particelle e la ricerca energetica
Zaher Salman e Lea Caminada hanno una visione altrettanto a lungo termine. Entrambi sono ricercatori presso il Centro PSI per la ricerca sui neutroni e i muoni e lavorano con particelle più piccole degli atomi. "Utilizziamo neutroni e muoni in modi diversi", spiega Salman. Da un lato, i fasci di particelle possono essere utilizzati per esaminare i manufatti archeologici in modo non distruttivo. "In questo ambito collaboriamo regolarmente con i musei svizzeri".
D'altro canto, i muoni sono utilizzati anche nella ricerca di base: Nella fisica delle particelle, possono essere utilizzati per testare sperimentalmente i modelli matematici che descrivono il nostro universo; e nella scienza dei materiali, sono utilizzati per comprendere le proprietà fondamentali di un materiale. "Lo sviluppo dei dischi rigidi, che oggi possono memorizzare terabyte di informazioni, è iniziato proprio in questo modo", spiega Salman. "Di conseguenza, oggi dobbiamo gettare le basi per le tecnologie che faranno parte della nostra vita quotidiana tra qualche decennio".
È qui che entra in gioco HIMB. "Lo stato dell'arte è progredito a tal punto che con l'HIMB possiamo raggiungere tassi di muoni molto più elevati", spiega Lea Caminada, responsabile del gruppo di ricerca sulla fisica delle alte energie. "Con i nostri esperimenti, saremo in grado di penetrare in aree prima inaccessibili".
I muoni a bassa energia (cioè lenti), ad esempio, sono un collo di bottiglia. Questi penetrano meno profondamente nel campione e permettono quindi di studiare in modo specifico i processi fisici che avvengono vicino alla superficie o negli strati limite. "Osserviamo le celle solari, per esempio: i processi eccitanti avvengono dove la luce colpisce", spiega Salman. La situazione è simile a quella delle batterie al litio, dove la fisica cruciale avviene in film molto sottili. "Le celle solari e le batterie al litio fanno già parte della nostra vita quotidiana, ma la nostra ricerca può contribuire ad aumentare l'efficienza di alcuni punti percentuali cruciali".
I muoni a bassa energia sono molto difficili da generare, ma vengono prodotti con una piccola parte delle linee di fascio di muoni del PSI. "Con HIMB, aumenteremo il numero di muoni di cento volte", dice Salman, "e quindi otterremo anche cento volte più muoni a bassa energia".
La ricerca all'avanguardia dà il via a nuove tecnologie
Caminada, che oltre alla sua posizione al PSI è anche professore d'eccellenza del FNS all'Università di Zurigo e conduce ricerche anche al CERN, sottolinea un altro aspetto: "Una nuova struttura di ricerca è valida solo quanto i suoi componenti". La costruzione di acceleratori di particelle ha quindi sempre guidato lo sviluppo di molte nuove tecnologie, dice Caminada. Lei e il suo team hanno sviluppato rivelatori di alto calibro utilizzati nel Large Hadron Collider del CERN. Attualmente stanno lavorando a rivelatori che saranno utilizzati per futuri esperimenti con i muoni. "I nostri rivelatori sono interessanti anche per applicazioni in archeologia, scienze ambientali e medicina", afferma il fisico.
Caminada è convinto che la ricerca d'avanguardia continuerà a innescare sviluppi che andranno a beneficio della società. "Con IMPACT contribuiremo attivamente a questo obiettivo".
Nel dicembre 2024, il Parlamento svizzero deciderà sul finanziamento del Dispaccio ERI 2025-2028 e quindi anche sul finanziamento del progetto IMPACT.
