Le attività di ricerca riguardano 2 aree, l’area biomedica e quella tecnologica. Si noti che, essendo il programma di dottorato fortemente interdisciplinare, gli argomenti di ricerca delle due aree possono coinvolgere dottorandi di provenienza diversa.

Attività di area biomedica
Al centro delle tematiche di ricerca di ambito biomedico vi è il razionale clinico dell’uso degli adroni, con l’analisi del fondamentale vantaggio derivato dal miglior controllo della distribuzione di dose. Tale aspetto può determinare un incremento della dose al bersaglio, e quindi ottimizzare le probabilità di controllo locale di malattia e/o una diminuzione della dose agli organi circostanti il bersaglio stesso, riducendo il rischio di tossicità correlata al trattamento radiante. Una condizione considerata per selezionare i pazienti è quella in cui è necessario somministrare dosaggi elevati a tumori considerati radioresistenti, o situati in sedi anatomicamente complesse. Per evitare il rischio di un maggior danno ai tessuti e organi circostanti è necessario pertanto un accurato studio della geometria del tumore e dell’anatomia degli organi appena al di fuori del bersaglio. Mediante il confronto tra piani di cura rivali, soprattutto in caso di tumori infiltranti, quando è necessario trattare a dosi terapeutiche, oltre alla massa neoplastica, anche un ampio margine intorno, si individua la migliore modalità di somministrazione della dose terapeutica. Un’altra considerazione di tipo clinico riguarda l’aspettativa di vita del paziente e le sue condizioni complessive essendo il vantaggio degli adroni più evidente sulla tossicità tardiva. Occorre poi una attenta valutazione, anche dal punto di vista clinico, della fattibilità del trattamento, con particolare riguardo al set-up, alle incertezze dovute al movimento d’organo, alle condizioni di riproducibilità quotidiana delle sedute terapeutiche e al frazionamento applicato. Oltre alle valutazioni cliniche, è necessario considerare il ruolo della radioterapia non solo nella sua azione locale ma anche in quella sistemica (effetto abscopal) attraverso lo studio dei meccanismi di interazione con la terapia immunologica che ad oggi costituisce un’arma sempre più importante nella cura dei tumori. Sono inoltre approfondite le potenzialità della biologia molecolare che con la sua capacità di analizzare le caratteristiche genetiche delle cellule tumorali ha mostrato, sempre meglio, come il cancro comprenda molteplici e differenti tipi di malattie, con caratteristiche morfologico-molecolari diverse a diversa prognosi e risposta alle terapie. Infine, vengono analizzate applicazioni di algoritmi di intelligenza artificiale (AI) sia nelle attività di riconoscimento e caratterizzazione del tumore mediante le immagini radiologiche, per una sempre più precisa identificazione del bersaglio, sia nel monitoraggio e nello studio delle modifiche di segnale durante il trattamento, costituendo così un altro ambito della ricerca volta a studiare la risposta alla terapia con adroni.
L’approfondimento di queste tematiche rappresenta un traguardo importante nel perseguire l’obiettivo di una medicina personalizzata realizzabile solo con l’unione dei diversi saperi tramite il contemporaneo concorso attivo di diverse figure professionali che effettuano, secondo la propria formazione e competenza, le azioni necessarie all’effettuazione della prestazione terapeutica.

Attività di area tecnologica
Le applicazioni biomediche negli acceleratori di particelle ad alta energia sono sempre state un importante sezione della ricerca di fisica nucleare applicata. Diverse nuove strutture sono ora in costruzione o in fase di importanti aggiornamenti. Uno degli obiettivi di queste strutture è la ricerca di base applicata al campo biomedico, settore particolarmente importante, per l’impatto sulla salute sociale.
Fra le principali applicazioni mediche degli acceleratori è quella di generare particelle cariche (Adroni), che sfruttando il picco di Bragg sono in grado di ridurre la tossicità e migliorare il controllo locale rispetto alla radioterapia a raggi X convenzionale. Il CNAO ha uno scopo istituzionale duplice, includendo terapia e ricerca, e offre anche grandi opportunità di svolgere varie attività di ricerca relative alla biofisica delle radiazioni, alla radiobiologia, e altri settori di ricerca utili per lo sviluppo della ricerca spaziale. Attività tipiche in tale settore sono lo sviluppo e il test di beam monitor e di dosimetria, lo sviluppo del sistema di somministrazione della dose per migliorare la tecnica di scansione (ad esempio, trattamenti 4D), la verifica della dose erogata al target, aspetti radiobiologici e lo studio di progettazione di un gantry per Ioni Carbonio. 

Parallelamente, in CNAO si studia lo sviluppo di nuove potenzialità per generare altre particelle pesanti alcune di queste dotate di maggiore intensità ed energia rispetto alle attuali, e la possibilità di realizzare trattamenti ultraveloci che sono una delle nuove frontiere della terapia medica, per la ulteriore importante riduzione della tossicità rilevata a fronte di un elevato controllo locale di malattia (radioterapia FLASH)
Presso CNAO anche i neutroni veloci saranno presto disponibili, con l’installazione di un acceleratore di protoni di bassa energia con target per la produzione di neutroni. Sarà disponibile una sala per il trattamento dei pazienti e una sala per la ricerca; questo progetto, Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) costituisce una forma sperimentale di radioterapia basata sull’ irraggiamento neutronico del tumore a seguito di perfusione con un farmaco borato che concentra atomi di 10B nelle cellule tumorali. La BNCT richiede una ricerca multidisciplinare, che coinvolge fisici e ingegneri per la progettazione e la realizzazione del fascio di irraggiamento e la tecnologia necessaria per l’irraggiamento dei pazienti. Chimici e biologi saranno impegnati nello studio e nell’ottimizzazione della biodistribuzione del boro e nell'analisi degli effetti radiobiologici. Fisici medici e medici metteranno a punto la dosimetria, la preparazione dei piani di trattamento per l’ottimale gestione dei pazienti.
Come si evince dalle precedenti descrizioni, la complessità dei temi è tale da generare in maniera naturale l’offerta di tesi di dottorato destinate a figure di provenienza diversa. Obiettivo dell’attività è generare un approccio ai problemi complessi che sia transdisciplinare e che favorisca il formarsi e il diffondersi di una cultura scientifica, legata al mondo dell’adroterapia, che ne promuova la conoscenza e la diffusione, non solo dal punto di vista della ricerca di base e delle applicazioni cliniche, ma anche da quello delle innovazioni tecnologiche che troveranno in un contesto interdisciplinare come quello proposto, l’humus ideale per la generazione di nuovi prodotti e servizi di interesse industriale.