Infrangere i confini: come i fisici hanno vinto il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina

I fisici hanno sempre avuto un interesse per la fisica biologica e medica, con Francis Crick e Maurice Wilkins che hanno notoriamente condiviso la Premio Nobel 1962 per la fisiologia o la medicina per aver chiarito la struttura del DNA (insieme al biologo James Watson).

Ma altre due enormi scoperte nella fisica medica - l'introduzione della tomografia computerizzata a raggi X (CT) e della risonanza magnetica (MRI) - hanno anche fatto vincere ai loro inventori un premio Nobel per la fisiologia o la medicina.

Affrontare la teoria della tomografia

Anche prima che Wilhelm Roentgen vincesse il primo premio Nobel per la fisica nel 1901 per aver scoperto i raggi X, sapevamo che potevano essere usati per visualizzare l'interno del corpo. Hanno portato rapidamente all'introduzione di una gamma di applicazioni mediche; ma è stato lo sviluppo della scansione TC - in cui i raggi X vengono inviati attraverso il corpo da diverse angolazioni per creare immagini trasversali e 3D - che ha notevolmente ampliato il potenziale dell'imaging a raggi X medico.

Quel lavoro fu riconosciuto nel 1979 quando il fisico Allan Cormack ricevette il Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina”per lo sviluppo della tomografia computer assistita”, un onore condiviso con l'ingegnere Godfrey Hounsfield.

Nato a Johannesburg, in Sud Africa, Cormack era stato affascinato dall'astronomia in tenera età. Ha poi continuato a studiare ingegneria elettrica all'Università di Città del Capo, ma dopo un paio d'anni ha abbandonato l'ingegneria e si è dedicato alla fisica. Dopo aver completato una laurea in fisica e un master in cristallografia, si è trasferito nel Regno Unito per lavorare come studente di dottorato presso il Cavendish Laboratory dell'Università di Cambridge. Cormack tornò a Città del Capo come docente e, dopo un anno sabbatico all'Università di Harvard, nel 1957 divenne assistente professore di fisica alla Tufts University negli Stati Uniti. Insolitamente per un premio Nobel, Cormack non ha mai conseguito un dottorato di ricerca.

A Tufts, le principali attività di Cormack erano la fisica nucleare e delle particelle. Ma quando ha avuto tempo, ha perseguito il suo altro interesse: il "problema di scansione CT". Fu il primo, dal punto di vista teorico, ad analizzare le condizioni per dimostrare una corretta sezione radiografica in un sistema biologico.

Dopo aver sviluppato le basi teoriche della ricostruzione dell'immagine tomografica, pubblicò i suoi risultati nel 1963 e nel 1964. Cormack notò che a quel tempo "praticamente non c'era risposta" a questi documenti, quindi continuò il suo normale corso di ricerca e insegnamento. Nel 1971, tuttavia, Hounsfield e colleghi costruirono il primo scanner CT e l'interesse per la scansione CT aumentò.

La cosa interessante è che Cormack e Hounsfield hanno costruito un tipo di dispositivo molto simile senza collaborazione, in diverse parti del mondo. Grazie ai loro sforzi indipendenti, le scansioni TC sono ora onnipresenti nella medicina moderna, impiegate per applicazioni come la diagnosi e il monitoraggio delle malattie, nonché per guidare test come biopsie o trattamenti come la radioterapia.

L'emergere della risonanza magnetica

Il prossimo premio Nobel per la fisiologia o la medicina assegnato a un fisico è stato nel 2003, quando Peter Mansfield è stato riconosciuto (insieme al chimico statunitense Paul Lauterbur), per "scoperte riguardanti la risonanza magnetica”, che ha aperto la strada alla moderna risonanza magnetica. La tecnica fornisce una visualizzazione chiara e dettagliata delle strutture corporee interne ed è ora abitualmente utilizzata per la diagnosi medica, il trattamento e il follow-up. Fondamentalmente, a differenza delle scansioni basate sui raggi X, la risonanza magnetica non espone il soggetto a radiazioni ionizzanti.

Mansfield ha originariamente studiato fisica al Queen Mary College di Londra, dove la sua ricerca universitaria si è concentrata sulla costruzione di uno spettrometro a risonanza magnetica nucleare (NMR) pulsato per studiare i sistemi di polimeri solidi. Dopo aver conseguito il dottorato di ricerca nel 1962, ha intrapreso ulteriori ricerche NMR presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, prima di tornare nel Regno Unito per assumere una cattedra presso la Nottingham University (dove ha lavorato fino al suo pensionamento nel 1994).

Il dottorato di ricerca e il postdoc di Mansfield lo hanno portato all'idea di utilizzare l'NMR per l'imaging umano (una tecnica originariamente chiamata risonanza magnetica nucleare, ma presto ribattezzata semplicemente MRI per evitare di allarmare i pazienti). Ed è stato durante la sua permanenza a Nottingham che Mansfield ha fatto alcune delle scoperte chiave che hanno portato al suo premio Nobel.

A metà degli anni '1970, Mansfield ha prodotto le prime immagini RM di un soggetto umano vivo: il dito di uno dei suoi studenti ricercatori. Il suo team ha continuato a sviluppare un prototipo di risonanza magnetica di tutto il corpo, che si è offerto volontario per essere il primo a testare. Nonostante i colleghi scienziati abbiano avvertito che potrebbe essere potenzialmente pericoloso, Mansfield era "abbastanza convinto che non ci sarebbe stato un problema".

Quanto a Lauterbur, scoprì che l'introduzione di gradienti nel campo magnetico permetteva di creare immagini bidimensionali di strutture che non potevano essere visualizzate con altre tecniche. Mansfield sviluppò ulteriormente l'uso dei gradienti, mostrando come i segnali rilevati potessero essere analizzati matematicamente e trasformati in immagini utili. È anche accreditato di aver scoperto come ridurre drasticamente i tempi di scansione MRI, utilizzando la tecnica di imaging eco-planare.

In questi giorni decine di milioni di esami MRI vengono eseguiti ogni anno in tutto il mondo e nel 1993 Mansfield è stato nominato cavaliere per i suoi servizi alla scienza medica. C'è anche una birra (il 4.2% di alcol Sir Peter Mansfield birra) chiamato in suo onore.