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The SPES_MED project

Questo articolo delinea gli obiettivi del progetto SPES_MED (2025–2027) presso l'INFN-LNL, che mira a produrre radionuclidi medici utilizzando sia tecniche di attivazione diretta che tecniche ISOL, presentando al contempo i risultati iniziali dal suo primo anno su misurazioni di sezioni d'urto nucleari, produzione e modellazione.

Autori originali: Gaia Pupillo, Alberto Andrighetto, Alberto Arzenton, Michele Ballan, Francesca Barbaro, Nicola Belcari, Francesco Broggi, Fiorella Maria Cagnetta, Luciano Canton, Sara Cisternino, Michele Colucci, Gia

Pubblicato 2026-07-08

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CC BY 4.0

Autori originali: Gaia Pupillo, Alberto Andrighetto, Alberto Arzenton, Michele Ballan, Francesca Barbaro, Nicola Belcari, Francesco Broggi, Fiorella Maria Cagnetta, Luciano Canton, Sara Cisternino, Michele Colucci, Giancarlo D'Agostino, Pasquale Delogu, Lucia De Dominicis, Laura De Nardo, Marco Di Luzio, Antonietta Donzella, Juan Esposito, Lorenzo Gaddi, Andrea Gandini, Flavia Maria Groppi Garlandini, Alisa Kotliarenko, Yuliia Lashko, Aurora Leso, Marcello Lunardon, Simone Manenti, Sandra Moretto, Liliana Mou, Elisa Persico, Daniele Scarpa, Davide Serafini, Omorjit Singh Khwairakpam, Giancarlo Sportelli, Giulia Saveria Valli, Giacomo Voltan, Lisa Zangrando, Emilio Mariotti

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immaginate una cucina massiccia e high-tech in Italia chiamata SPES (Selective Production of Exotic Species). Il suo compito principale è solitamente quello di cucinare ingredienti rari ed esotici per gli scienziati che studiano i veri mattoni fondamentali dell'universo. Tuttavia, un nuovo team chiamato SPES_MED si è trasferito in questa cucina con una missione specifica: cucinare ingredienti speciali (atomi radioattivi) che i medici possono usare per diagnosticare e curare malattie.

Questo documento è come un rapporto di progresso dal primo anno del loro nuovo progetto. Ecco cosa stanno facendo, spiegato in modo semplice:

I due metodi di cottura

Il team sta utilizzando due modi diversi per produrre questi ingredienti medici:

Il metodo del "Colpo Diretto" (LARAMED): Immaginate di sparare una palla di cannone (un fascio di protoni) direttamente contro un bersaglio fatto di metalli specifici. L'impatto frantuma gli atomi del metallo e crea nuovi, utili atomi radioattivi. È come rompere un'anguria per estrarne i semi.
Il metodo del "Forno" (ISOL): Immaginate di mettere un blocco di materiale (come una speciale ceramica) in un forno super caldo (2000°C). Il calore fa sì che gli atomi all'interno "sudino" ed escano sotto forma di gas. Questi atomi gassosi vengono poi catturati, smistati e raccolti. È come scaldare un pezzo di formaggio finché gli oli del sapore non si sciolgono e possono essere raccolti.

Cosa hanno fatto quest'anno (I tre pacchetti di lavoro)

Il progetto è diviso in tre compiti principali, o "Pacchetti di Lavoro" (WP):

1. Testare le ricette (WP1: Misurazioni della sezione d'urto)
Prima di poter cucinare un pasto per migliaia di persone, devi sapere esattamente quanto calore e quanto tempo servono per ottenere il risultato perfetto senza bruciare tutto.

L'esperimento: Il team ha sparato diversi tipi di fasci di particelle (come deuteroni e particelle alfa) contro bersagli metallici specifici (come Titanio ed Europio).
L'obiettivo: Volevano misurare esattamente quanti "atomi medici" venivano creati e quanti "atomi spazzatura" (impurità) venivano prodotti come effetto collaterale.
La scoperta: Hanno trovato un modo nuovo ed efficiente per produrre un atomo specifico chiamato Scandio-47 (ottimo per la teranostica, che significa usare un unico atomo sia per l'imaging che per il trattamento). Hanno anche studiato gli isotopi del Terbio.
La sorpresa: Hanno scoperto che alcuni "libri di cucina" esistenti (dati scientifici) avevano numeri errati per il modo in cui certi atomi decadono. Hanno misurato un particolare "rapporto di ramificazione" (il percorso che un atomo compie quando cambia) per il Terbio-154 e hanno scoperto che era molto più basso di quanto tutti pensassero. Ciò significa che i calcoli precedenti potrebbero essere stati sbagliati e che devono riscrivere la ricetta.

2. Allestire la stazione di raccolta (WP2: Produzione ISOL)
Ora che conoscono le ricette, devono costruire la catena di montaggio per catturare gli atomi.

La nuova stazione: Hanno installato una speciale stazione di raccolta chiamata IRIS. Pensate a un aspirapolvere high-tech che aspira il gas radioattivo proveniente dal forno caldo e lo deposita su piccole tavolette dall'aspetto commestibile (fatte di materiali simili allo zucchero) in modo che i medici possano prenderle facilmente in seguito.
Il regolatore laser: Hanno testato una Sorgente di Ioni Laser. Immaginate di usare una luce laser di un colore molto specifico per "etichettare" solo gli atomi che volete, ignorando quelli che non vi servono. Hanno testato con successo questo metodo con fasci d'Argento, dimostrando di poter catturare atomi specifici con alta purezza.
Il cronometro: Hanno anche ricalibrato la "emivita" (quanto tempo un atomo dura prima di scomparire) dell'Argento-111. Hanno scoperto che dura leggermente meno del numero standard indicato. Questo è cruciale perché se pensate che un medicinale duri più del dovuto, il dosaggio potrebbe essere errato.

3. La cucina simulata (WP3: Modellazione Nucleare)
Prima di bruciare materiali costosi, usano i computer per simulare il processo di cottura.

L'algoritmo Genetico: Hanno usato un programma per computer che agisce come l'evoluzione. Esso prova migliaia di diverse "ricette" (parametri) per vedere quale produce il risultato migliore. Lo hanno usato per perfezionare la simulazione per la produzione di Scandio-47, scoprendo che il loro nuovo modello informatico è molto più accurato dei vecchi modelli standard.
Il forno virtuale: Hanno usato simulazioni 3D avanzate (come un motore fisico di un videogioco) per progettare la migliore forma per i bersagli ceramici. Stanno testando diverse forme per vedere come il calore e gli atomi si muovono all'interno, con l'obiettivo di creare bersagli che possano gestire più potenza senza fondersi.

Il punto fondamentale

Il progetto SPES_MED è nel suo primo anno e ha con successo:

Costruito nuove attrezzature per catturare e smistare atomi radioattivi.
Testato nuovi modi per produrre specifici atomi medici (Scandio e Terbio) e ha scoperto che funzionano meglio del previsto.
Scoperto che alcuni vecchi dati scientifici erano errati e devono essere aggiornati.
Dimostrato che l'uso di simulazioni al computer intelligenti aiuta a cucinare questi atomi in modo più efficiente.

Stanno essenzialmente costruendo una fabbrica all'avanguardia per produrre le materie prime per i futuri trattamenti medici, assicurandosi che gli "ingredienti" siano puri, abbondanti e prodotti esattamente come i medici necessitano.

Sintesi Tecnica: Il Progetto SPES_MED

Definizione del Problema
La produzione di radionuclidi medici è fondamentale per il settore in espansione della medicina nucleare, che si affida sempre più a nuovi isotopi per la teranostica, l'imaging bimodale e la radioterapia mirata. Tuttavia, la disponibilità di radionuclidi di grado di ricerca ad alta purezza rimane una sfida, rendendo necessari avanzati sistemi di ricerca. Sebbene la struttura SPES (Selective Production of Exotic Species) presso l'INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN-LNL) sia progettata principalmente per produrre fasci di ioni riaccelerati esotici per la fisica fondamentale, il suo sistema di estrazione a doppio fascio offre un'opportunità unica per la ricerca applicata. Il progetto SPES_MED affronta la necessità di ottimizzare la produzione di specifici radionuclidi medici sfruttando sia i metodi di attivazione diretta sia la tecnica Isotope Separation On-Line (ISOL). Una sfida chiave identificata è la mancanza di dati precisi sulle sezioni d'urto nucleari e di parametri di decadimento affidabili per gli isotopi emergenti, il che ostacola l'ottimizzazione dei percorsi di produzione e la valutazione della purezza radionuclidica.

Metodologia
Il progetto SPES_MED (finanziato per il periodo 2025–2027) è strutturato attorno a tre pacchetti di lavoro (WP) che coinvolgono una collaborazione tra l'INFN-LNL e varie università e istituti di ricerca italiani.

WP1 (Misurazioni delle Sezioni d'Urto Nucleari): Il team conduce misurazioni sperimentali di reazioni nucleari utilizzando fasci di particelle cariche. Campagne specifiche includono:
- Reazioni indotte da deuteroni su bersagli arricchiti di $^{49}$ Ti ( $^{49}$ Ti(d,x) $^{47}$ Sc) eseguite presso la struttura GIP ARRONAX con il metodo dei fogli impilati (stacked-foils).
- Reazioni indotte da particelle alfa su bersagli di Europio naturale ( $^{nat}$ Eu( $\alpha$ ,x)) e reazioni indotte da protoni su Gadolinio, coprendo energie fino a 65–68 MeV.
- L'analisi post-irraggiamento è condotta tramite $\gamma$ -spettrometria ad alta risoluzione con detector HPGe, con il monitoraggio delle curve di decadimento per diversi giorni per risolvere le interferenze.
WP2 (Produzione ISOL e Installazioni): Questo pacchetto di lavoro si concentra sulla stazione di impianto di radionuclidi ISOLPHARM (IRIS).
- Il sistema IRIS, situato nell'hall sperimentale a bassa energia di SPES, raccoglie fasci di ioni radioattivi (RIBs) su substrati organici (compresse di ipromellosa/sorbitolo) per la successiva analisi.
- Le attività di messa in servizio includono la sorgente di ioni laser SPES (SPES-LIS), che utilizza la fotoionizzazione a gradini risonante (validata con fasci stabili di Samario) per migliorare la purezza elementare e ridurre la contaminazione isobarica.
- Test di efficienza di ionizzazione sono eseguiti utilizzando fasci stabili (ad esempio, Argento) nell'interfaccia front-end offline per ottimizzare le condizioni per la futura produzione di fasci radioattivi.
WP3 (Modellazione Nucleare e Simulazioni): Questo pacchetto impiega strumenti computazionali per interpretare i dati sperimentali e ottimizzare i parametri di produzione.
- Algoritmi Genetici (GA): Un GA è utilizzato per ottimizzare i parametri del modello di reazione nucleare TALYS (specificamente i parametri di densità di livello) per adattarsi meglio ai dati sperimentali delle sezioni d'urto per la reazione $^{49}$ Ti(p,x) $^{47}$ Sc.
- Simulazioni Monte Carlo: Geant4 è utilizzato per simulare i processi diffusivi in scatole target di SiC per calcolare i tempi medi di fuga dei nuclidi. I codici FLUKA e PHITS sono utilizzati per modellare i tassi di produzione in target di SiC, TiC e UCx e per confrontare le previsioni teoriche con i dati sperimentali.
- Studi di Fotoionizzazione: L'efficienza intrinseca degli schemi di ionizzazione laser per Mg, Sc, Ga e Ag viene valutata per prevedere le rese ioniche all'interno di SPES-LIS.

Contributi Chiave e Risultati

Dati sulle Sezioni d'Urto: Il progetto ha generato nuovi dati sperimentali sulle sezioni d'urto per la reazione $^{49}$ Ti(d,x) $^{47}$ Sc e per le reazioni $^{nat}$ Eu( $\alpha$ ,x) che producono isotopi del Terbio ( $^{149-156}$ Tb). Questi risultati forniscono un input essenziale per i database nucleari e aiutano a identificare i parametri di irraggiamento ottimali.
Revisione dei Dati di Decadimento: Un risultato significativo riguarda il rapporto di ramificazione per la transizione interna $^{154m1}$ Tb $\rightarrow$ $^{154g}$ Tb. L'adattamento sperimentale delle curve di decadimento ha fornito un valore preliminare di ~8%, sensibilmente inferiore al valore di letteratura di 21,8 ± 0,7%. Questa discrepanza suggerisce la necessità di rivedere i dati di decadimento per valutare accuratamente la purezza radionuclidica.
Determinazione dell'Emivita: È stata condotta una nuova misurazione ad alta precisione dell'emivita di $^{111}$ Ag, che ha portato a un valore di 7,4236(11) giorni. Questo valore confligge con il valore attualmente raccomandato di 7,45(1) giorni, confermando una nota discrepanza nella letteratura.
Messa in Servizio delle Infrastrutture: Il sistema IRIS è stato installato e testato con successo offline, inclusi i procedimenti di ventilazione e vuoto. Lo SPES-LIS è stato messo in servizio con fasci stabili, dimostrando la capacità di produrre elementi come $^{111}$ Ag con alta efficienza e bassa contaminazione isobarica.
Ottimizzazione dei Modelli: L'ottimizzazione dei parametri TALYS basata su GA per la reazione $^{49}$ Ti(p,x) $^{47}$ Sc ha dimostrato un errore quadratico medio (RMSE) costantemente inferiore rispetto al modello predefinito, validando l'approccio per migliorare le simulazioni delle reazioni nucleari.
Design dei Target: Le simulazioni preliminari Geant4 delle geometrie dei target in SiC e gli studi in corso con FLUKA/PHITS sui target in TiC stanno stabilendo i benchmark per i tassi di produzione e ottimizzando il design dei target per l'irraggiamento ad alta potenza.

Significatività
Il documento posiziona il progetto SPES_MED come un passo critico per colmare il divario tra l'infrastruttura della fisica nucleare fondamentale e le necessità pratiche della medicina nucleare. Generando dati precisi sulle sezioni d'urto e raffinando i modelli nucleari, il progetto mira a ottimizzare le rese di produzione e la purezza radionuclidica per isotopi come $^{47}$ Sc, $^{111}$ Ag e gli isotopi del Terbio. Il progetto sostiene che l'integrazione dei dati sperimentali con tecniche numeriche avanzate (come gli algoritmi genetici e le simulazioni Monte Carlo) sia essenziale per superare i limiti delle attuali previsioni teoriche. Inoltre, il successo della messa in servizio della stazione IRIS e dello SPES-LIS amplia la gamma di isotopi che possono essere prodotti con alta efficienza, supportando direttamente gli obiettivi del consorzio europeo PRISMAP+ di fornire radionuclidi ad alta purezza per la ricerca. Il lavoro sottolinea l'importanza di studi sperimentali dedicati per risolvere le discrepanze nei dati di decadimento nucleare, che hanno conseguenze dirette sulla sicurezza ed efficacia dei radiofarmaci.

I due metodi di cottura

Cosa hanno fatto quest'anno (I tre pacchetti di lavoro)

Il punto fondamentale

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