I campi magnetici sono usati in medicina per numerose tecniche diagnostiche (la Risonanza Magnetica Nucleare, ad esempio) e anche in alcune terapie. Si tratta, però, come vedremo in seguito, di qualcosa di molto diverso dalla "magnetoterapia" comunemente intesa come applicazione di piccole calamite vicino al corpo. È improbabile che questo tipo di cura, per quanto molto diffusa, possa veramente funzionare: ci sono ragioni fisiche che portano a escludere molti dei più ovvi meccanismi che sono stati suggeriti per spiegarne la supposta efficacia. Non si può, ovviamente, escludere che esistano effetti più complicati; è per questo che l'ultima parola sulla validità di una terapia spetta alla sperimentazione clinica, i cui risultati sono discussi in questo stesso numero nell'articolo di Alberto Borraccino. In seguito, per capire quali siano queste ragioni fisiche, esamineremo alcune proprietà magnetiche del corpo umano, scoprendo strada facendo come il ferro non sia sempre magnetico, mentre l'acqua a volte lo è.
Tanto per cominciare, non tutti i campi magnetici sono uguali. Il campo magnetico generato da una piccola calamita (ferma o quasi) è un campo statico, cioè che non varia nel tempo: la distinzione è importante, perché un campo magnetico variabile può generare una corrente elettrica (anche se magari molto piccola) negli oggetti che vi sono immersi. Funziona così la dinamo della bicicletta: una piccola calamita viene fatta ruotare il più velocemente possibile dentro un avvolgimento di filo di rame, che invece sta fermo. In questo modo, il campo generato dalla calamita è variabile (sta ruotando anche lui con la calamita), e la corrente elettrica che si forma nell'avvolgimento è sufficiente ad accendere una piccola lampadina. Campi magnetici variabili a impulsi sono stati usati con successo per accelerare la guarigione di alcuni tipi di fratture, mentre un piccolo magnete come quelli usati ad esempio nei "braccialetti magnetici" è praticamente fermo rispetto al polso di chi lo indossa, e non può quindi avere effetti elettrici sensibili. Anche dal punto di vista dell'intensità, ovviamente, non tutti i campi magnetici sono uguali. I campi magnetici si dovrebbero misurare in Tesla (T). Tuttavia, siccome un campo di 1 T è piuttosto intenso, spesso si usano anche i Gauss (G; 1 T = 10000 G), altrimenti sarebbe un po' come misurare l'altezza di una persona in chilometri. Dagli esempi nella tabella seguente, si vede subito come il campo (ritenuto innocuo) a cui ci si sottopone durante una risonanza magnetica è centinaia o migliaia di volte più intenso di quello di una piccola calamita.
Inoltre, il campo generato da una calamita diminuisce molto velocemente all'aumentare della distanza: addirittura alcuni piccoli magneti (quelli decorativi da attaccare al frigo) sono progettati in modo da avere un campo di pochi Gauss che in pratica scompare a qualche decimo di millimetro dalla superficie, tanto che bastano un paio fogli di carta perché non si attacchi più. In questo modo è meno probabile danneggiare ad esempio una carta di credito avvicinandola al magnete, ma anche una eventuale interazione con il corpo umano non andrebbe più in profondità della pelle.
Non solo ci sono diversi tipi di campo, ma l'effetto di un campo magnetico dipende anche dal materiale che vi è sottoposto: come tutti sanno, le calamite attirano gli oggetti di ferro o di acciaio, ma non, ad esempio, la plastica o l'alluminio. La grande maggioranza delle sostanze è paramagnetica o diamagnetica: a seconda della composizione chimica (e di come sono disposti gli atomi e le molecole nel materiale) vengono rispettivamente attratte o respinte da una calamita, ma l'effetto è talmente debole da essere generalmente impercettibile, in particolare per campi non molto intensi. Alcune sostanze invece reagiscono molto più vigorosamente: sono i materiali ferromagnetici. Si tratta principalmente di composti del ferro, da cui il nome, ma anche ad esempio nichel e cobalto. Chiaramente il nostro corpo non è ferromagnetico. Il campo magnetico usato per gli esami mediante risonanza magnetica è molto intenso, ma non ha alcun effetto rilevante sul corpo del paziente; un oggetto metallico avvicinato per errore a un apparecchio acceso può essere violentemente risucchiato nella cavità, come la sedia a rotelle nella foto. In quel caso, per fortuna, al momento dell'incidente né la sedia né la cavità erano occupate, anche se in altre occasioni sono successi incidenti anche gravi. Per poter rimuovere la sedia senza dover spegnere il magnete i tecnici hanno dovuto tassellare un paranco al pavimento in cemento armato. Le caratteristiche magnetiche del nostro corpo sono in realtà abbastanza simili a quelle dell'acqua, che ne costituisce circa il 60 percento. Essendo l'acqua diamagnetica, ossia molto debolmente respinta da una calamita, ci aspetteremmo che in linea di principio un corpo umano risenta degli effetti di un campo magnetico, anche se statico. Un corpo umano però è piuttosto pesante e ingombrante, ed è meglio cominciare a sperimentare con qualcosa di più piccolo (e che magari non ci faccia causa se facciamo qualcosa di sbagliato). Nel 1997 alcuni ricercatori all'Università di Nijmegen, in Olanda, sono effettivamente riusciti a far levitare alcuni oggetti tra cui una fragola, una nocciola ed infine anche una piccola rana viva (la cui composizione chimica non è molto diversa da quella di un essere umano) immergendoli in un campo magnetico statico[1]. Il campo usato per una rana pesante pochi grammi, come quella dall'espressione stupita che compare nella foto [fig. 2] era però di 160000 G, otto volte più intenso del massimo consentito per la risonanza magnetica medica, e migliaia di volte più di quelli generati dai magneti per magnetoterapia.
Abbiamo visto che, anche se nell'esperienza comune l'acqua non reagisce ai deboli campi magnetici che si possono incontrare in casa, è possibile usarne le proprietà magnetiche per far levitare un piccolo animale, e in linea di principio anche un corpo umano, a patto di avere a disposizione un campo abbastanza intenso. Ma i campi usati per la magnetoterapia non lo sono, quindi non può essere l'acqua (o altre sostanze non ferromagnetiche) a far sì che la magnetoterapia possa funzionare; però il corpo umano contiene anche del ferro. Può essere questa la soluzione? Tanto per confondere ulteriormente le idee scopriremo ora come il ferro, che di solito è fortemente attratto da una calamita, non lo sia proprio quando è contenuto nei globuli rossi del sangue. Alcuni dispositivi per la magnetoterapia sono pubblicizzati affermando che aiuterebbero la circolazione sanguigna. L'argomentazione è intuitiva: i globuli rossi nel sangue contengono emoglobina, la proteina che serve a trasportare l'ossigeno; ma l'emoglobina contiene ferro, e tutti sanno che le calamite attirano il ferro. In realtà questo ragionamento non funziona. Intanto è vero che l'emoglobina contiene relativamente molto ferro per una proteina, ma questo "molto" equivale solo allo 0,3 percento circa. In più, non tutti i composti contenenti ferro sono ferromagnetici. Il ferromagnetismo è una proprietà collettiva del materiale: in queste sostanze gli atomi sono "impacchettati" e allineati tra loro in regioni (dette domini) che ne contengono milioni o anche miliardi ciascuna, mentre nell'emoglobina ci sono solo quattro atomi di ferro per ogni grossa molecola di proteina. Nei domini ferromagnetici i campi magnetici dei singoli atomi si sommano, mentre un atomo isolato di ferro è, di per sé, solo paramagnetico. L'emoglobina ha però una proprietà più interessante. Come scoprirono il premio Nobel Linus Pauling e Charles Coryell negli anni Trenta, mentre è complessivamente diamagnetica quando è legata all'ossigeno, come nel sangue arterioso, è paramagnetica quando non lo è, come in quello venoso (il sangue nel suo complesso ha grosso modo le stesse proprietà magnetiche dell'acqua, ossia è diamagnetico). Questa proprietà può essere sfruttata per un tipo particolare di esame che utilizza la risonanza magnetica funzionale, in quanto permette di misurare la quantità di ossigeno trasportata dal sangue, ad esempio nelle varie regioni del cervello; ma certamente l'emoglobina non reagisce come il ferro a un campo magnetico molto debole come quello di una piccola calamita[2]. In realtà nel corpo umano il ferro non si trova solo nell'emoglobina. Molti organismi, inclusi gli umani, contengono piccole quantità di magnetite, un ossido di ferro che (come il nome suggerisce) ha forti proprietà ferromagnetiche. Negli organismi in cui la "magnetite biogenica" è stata scoperta, i batteri magnetotattici, lunghe catene di queste particelle, permettono addirittura al batterio di orientarsi rispetto al debole campo magnetico terrestre, ed è stato suggerito che queste particelle potrebbero spiegare il senso dell'orientamento di alcuni animali migratori. Nel cervello umano si possono trovare particelle di magnetite grandi alcune centinaia di nanometri, in particolare nell'ippocampo. È possibile che queste particelle possano spiegare una possibile efficacia di terapie con campi magnetici statici? Per rendersene conto, vediamo un caso in cui muovere particelle metalliche all'interno del corpo umano è una buona idea. Nella chemioterapia si vorrebbe poter far agire un farmaco, magari molto energico, solo sul tumore e non sui tessuti sani circostanti. Una possibilità è rendere "magnetico" il farmaco e usare dei campi magnetici per trasportarlo al tumore. Ad esempio (ma i lavori in questo campo sono numerosissimi) un gruppo di medici tedeschi ha sperimentato l'uso di un antibiotico le cui molecole erano state legate chimicamente a nanoparticelle ferromagnetiche, grandi 100 nanometri[3]; in altri casi sono state usate particelle più grandi, fino a 2 micron (un micron è un millesimo di millimetro, ed è pari a 1000 nanometri. Per chiarire le idee, una cellula nel corpo umano può essere grande 10 o 20 micron). Il tutto è stato quindi iniettato nel paziente e le molecole sono state "guidate" verso un tumore per mezzo di magneti permanenti, opportunamente disposti. Di nuovo, però, siamo lontani dalle solite piccole calamite: i diversi blocchetti magnetici utilizzati, grandi fino a 8 cm, generavano un campo dell'ordine di 8000 Gauss. Come si può vedere, non sempre le proprietà magnetiche del corpo umano sono quelle che ci aspettiamo dall'esperienza di tutti i giorni: questo però avviene per valori estremamente alti dell'intensità del campo, o per particelle estremamente piccole. In più questi fenomeni sono ben noti agli scienziati e, con l'evoluzione della tecnologia dei magneti e delle nanoparticelle, cominciano ad avere applicazioni pratiche. Anche se, come accennavamo all'inizio, l'ultima parola deve andare alla sperimentazione clinica, il semplice esame dei principi fisici su cui si basa mostra come, per quanto esistano applicazioni cliniche dei campi magnetici, i campi generati dai magnetini comunemente usati in magnetoterapia sono di intensità così bassa che difficilmente possono avere un effetto terapeutico.
Stefano Bagnasco
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Torino
Sperimentazioni CICAP
Campi magnetici diversi
Tanto per cominciare, non tutti i campi magnetici sono uguali. Il campo magnetico generato da una piccola calamita (ferma o quasi) è un campo statico, cioè che non varia nel tempo: la distinzione è importante, perché un campo magnetico variabile può generare una corrente elettrica (anche se magari molto piccola) negli oggetti che vi sono immersi. Funziona così la dinamo della bicicletta: una piccola calamita viene fatta ruotare il più velocemente possibile dentro un avvolgimento di filo di rame, che invece sta fermo. In questo modo, il campo generato dalla calamita è variabile (sta ruotando anche lui con la calamita), e la corrente elettrica che si forma nell'avvolgimento è sufficiente ad accendere una piccola lampadina. Campi magnetici variabili a impulsi sono stati usati con successo per accelerare la guarigione di alcuni tipi di fratture, mentre un piccolo magnete come quelli usati ad esempio nei "braccialetti magnetici" è praticamente fermo rispetto al polso di chi lo indossa, e non può quindi avere effetti elettrici sensibili. Anche dal punto di vista dell'intensità, ovviamente, non tutti i campi magnetici sono uguali. I campi magnetici si dovrebbero misurare in Tesla (T). Tuttavia, siccome un campo di 1 T è piuttosto intenso, spesso si usano anche i Gauss (G; 1 T = 10000 G), altrimenti sarebbe un po' come misurare l'altezza di una persona in chilometri. Dagli esempi nella tabella seguente, si vede subito come il campo (ritenuto innocuo) a cui ci si sottopone durante una risonanza magnetica è centinaia o migliaia di volte più intenso di quello di una piccola calamita.
| Campo magnetico terrestre | 0,2 - 0,7 G |
| Campo statico all'interno di un treno elettrico | 2 G |
| Magnete permanente in AlNiCo (a un cm) | 10 - 100 G |
| Risonanza magnetica medica | 5000 - 20000 G |
| Risonanza magnetica industriale | Fino a 600000 G |
Inoltre, il campo generato da una calamita diminuisce molto velocemente all'aumentare della distanza: addirittura alcuni piccoli magneti (quelli decorativi da attaccare al frigo) sono progettati in modo da avere un campo di pochi Gauss che in pratica scompare a qualche decimo di millimetro dalla superficie, tanto che bastano un paio fogli di carta perché non si attacchi più. In questo modo è meno probabile danneggiare ad esempio una carta di credito avvicinandola al magnete, ma anche una eventuale interazione con il corpo umano non andrebbe più in profondità della pelle.
Ma noi siamo come le calamite?
Non solo ci sono diversi tipi di campo, ma l'effetto di un campo magnetico dipende anche dal materiale che vi è sottoposto: come tutti sanno, le calamite attirano gli oggetti di ferro o di acciaio, ma non, ad esempio, la plastica o l'alluminio. La grande maggioranza delle sostanze è paramagnetica o diamagnetica: a seconda della composizione chimica (e di come sono disposti gli atomi e le molecole nel materiale) vengono rispettivamente attratte o respinte da una calamita, ma l'effetto è talmente debole da essere generalmente impercettibile, in particolare per campi non molto intensi. Alcune sostanze invece reagiscono molto più vigorosamente: sono i materiali ferromagnetici. Si tratta principalmente di composti del ferro, da cui il nome, ma anche ad esempio nichel e cobalto. Chiaramente il nostro corpo non è ferromagnetico. Il campo magnetico usato per gli esami mediante risonanza magnetica è molto intenso, ma non ha alcun effetto rilevante sul corpo del paziente; un oggetto metallico avvicinato per errore a un apparecchio acceso può essere violentemente risucchiato nella cavità, come la sedia a rotelle nella foto. In quel caso, per fortuna, al momento dell'incidente né la sedia né la cavità erano occupate, anche se in altre occasioni sono successi incidenti anche gravi. Per poter rimuovere la sedia senza dover spegnere il magnete i tecnici hanno dovuto tassellare un paranco al pavimento in cemento armato. Le caratteristiche magnetiche del nostro corpo sono in realtà abbastanza simili a quelle dell'acqua, che ne costituisce circa il 60 percento. Essendo l'acqua diamagnetica, ossia molto debolmente respinta da una calamita, ci aspetteremmo che in linea di principio un corpo umano risenta degli effetti di un campo magnetico, anche se statico. Un corpo umano però è piuttosto pesante e ingombrante, ed è meglio cominciare a sperimentare con qualcosa di più piccolo (e che magari non ci faccia causa se facciamo qualcosa di sbagliato). Nel 1997 alcuni ricercatori all'Università di Nijmegen, in Olanda, sono effettivamente riusciti a far levitare alcuni oggetti tra cui una fragola, una nocciola ed infine anche una piccola rana viva (la cui composizione chimica non è molto diversa da quella di un essere umano) immergendoli in un campo magnetico statico[1]. Il campo usato per una rana pesante pochi grammi, come quella dall'espressione stupita che compare nella foto [fig. 2] era però di 160000 G, otto volte più intenso del massimo consentito per la risonanza magnetica medica, e migliaia di volte più di quelli generati dai magneti per magnetoterapia.
Uomini di ferro
Abbiamo visto che, anche se nell'esperienza comune l'acqua non reagisce ai deboli campi magnetici che si possono incontrare in casa, è possibile usarne le proprietà magnetiche per far levitare un piccolo animale, e in linea di principio anche un corpo umano, a patto di avere a disposizione un campo abbastanza intenso. Ma i campi usati per la magnetoterapia non lo sono, quindi non può essere l'acqua (o altre sostanze non ferromagnetiche) a far sì che la magnetoterapia possa funzionare; però il corpo umano contiene anche del ferro. Può essere questa la soluzione? Tanto per confondere ulteriormente le idee scopriremo ora come il ferro, che di solito è fortemente attratto da una calamita, non lo sia proprio quando è contenuto nei globuli rossi del sangue. Alcuni dispositivi per la magnetoterapia sono pubblicizzati affermando che aiuterebbero la circolazione sanguigna. L'argomentazione è intuitiva: i globuli rossi nel sangue contengono emoglobina, la proteina che serve a trasportare l'ossigeno; ma l'emoglobina contiene ferro, e tutti sanno che le calamite attirano il ferro. In realtà questo ragionamento non funziona. Intanto è vero che l'emoglobina contiene relativamente molto ferro per una proteina, ma questo "molto" equivale solo allo 0,3 percento circa. In più, non tutti i composti contenenti ferro sono ferromagnetici. Il ferromagnetismo è una proprietà collettiva del materiale: in queste sostanze gli atomi sono "impacchettati" e allineati tra loro in regioni (dette domini) che ne contengono milioni o anche miliardi ciascuna, mentre nell'emoglobina ci sono solo quattro atomi di ferro per ogni grossa molecola di proteina. Nei domini ferromagnetici i campi magnetici dei singoli atomi si sommano, mentre un atomo isolato di ferro è, di per sé, solo paramagnetico. L'emoglobina ha però una proprietà più interessante. Come scoprirono il premio Nobel Linus Pauling e Charles Coryell negli anni Trenta, mentre è complessivamente diamagnetica quando è legata all'ossigeno, come nel sangue arterioso, è paramagnetica quando non lo è, come in quello venoso (il sangue nel suo complesso ha grosso modo le stesse proprietà magnetiche dell'acqua, ossia è diamagnetico). Questa proprietà può essere sfruttata per un tipo particolare di esame che utilizza la risonanza magnetica funzionale, in quanto permette di misurare la quantità di ossigeno trasportata dal sangue, ad esempio nelle varie regioni del cervello; ma certamente l'emoglobina non reagisce come il ferro a un campo magnetico molto debole come quello di una piccola calamita[2]. In realtà nel corpo umano il ferro non si trova solo nell'emoglobina. Molti organismi, inclusi gli umani, contengono piccole quantità di magnetite, un ossido di ferro che (come il nome suggerisce) ha forti proprietà ferromagnetiche. Negli organismi in cui la "magnetite biogenica" è stata scoperta, i batteri magnetotattici, lunghe catene di queste particelle, permettono addirittura al batterio di orientarsi rispetto al debole campo magnetico terrestre, ed è stato suggerito che queste particelle potrebbero spiegare il senso dell'orientamento di alcuni animali migratori. Nel cervello umano si possono trovare particelle di magnetite grandi alcune centinaia di nanometri, in particolare nell'ippocampo. È possibile che queste particelle possano spiegare una possibile efficacia di terapie con campi magnetici statici? Per rendersene conto, vediamo un caso in cui muovere particelle metalliche all'interno del corpo umano è una buona idea. Nella chemioterapia si vorrebbe poter far agire un farmaco, magari molto energico, solo sul tumore e non sui tessuti sani circostanti. Una possibilità è rendere "magnetico" il farmaco e usare dei campi magnetici per trasportarlo al tumore. Ad esempio (ma i lavori in questo campo sono numerosissimi) un gruppo di medici tedeschi ha sperimentato l'uso di un antibiotico le cui molecole erano state legate chimicamente a nanoparticelle ferromagnetiche, grandi 100 nanometri[3]; in altri casi sono state usate particelle più grandi, fino a 2 micron (un micron è un millesimo di millimetro, ed è pari a 1000 nanometri. Per chiarire le idee, una cellula nel corpo umano può essere grande 10 o 20 micron). Il tutto è stato quindi iniettato nel paziente e le molecole sono state "guidate" verso un tumore per mezzo di magneti permanenti, opportunamente disposti. Di nuovo, però, siamo lontani dalle solite piccole calamite: i diversi blocchetti magnetici utilizzati, grandi fino a 8 cm, generavano un campo dell'ordine di 8000 Gauss. Come si può vedere, non sempre le proprietà magnetiche del corpo umano sono quelle che ci aspettiamo dall'esperienza di tutti i giorni: questo però avviene per valori estremamente alti dell'intensità del campo, o per particelle estremamente piccole. In più questi fenomeni sono ben noti agli scienziati e, con l'evoluzione della tecnologia dei magneti e delle nanoparticelle, cominciano ad avere applicazioni pratiche. Anche se, come accennavamo all'inizio, l'ultima parola deve andare alla sperimentazione clinica, il semplice esame dei principi fisici su cui si basa mostra come, per quanto esistano applicazioni cliniche dei campi magnetici, i campi generati dai magnetini comunemente usati in magnetoterapia sono di intensità così bassa che difficilmente possono avere un effetto terapeutico.
Stefano Bagnasco
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Torino
Sperimentazioni CICAP
Note
1) Berry M.V., Geim A.K., "Of Flying Frogs and Levitrons", in Eur. J. Phys., 1997, n. 18, pp. 307-313. Sul web: www.hfml.ru.nl/froglev.html
2) Pauling L., Coryell C.D., "The Magnetic Properties and Structure of Hemoglobin, Oxyhemoglobin and Carbonmonoxyhemoglobin", in Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1936, n. 22, pp. 210-216.
3) Lübbe A.S., Alexiou C., Bergemann C., "Clinical Applications of Magnetic Drug Targeting", in J. Surg. Res., 2001, n. 95, pp. 200-206.
