Tomografia pozytonowa PET, jedna z najdokładniejszych technik śledzenia procesów zachodzących w organizmie pacjenta, wymaga precyzyjnie skonstruowanych, nietrwałych substancji chemicznych — radiofarmaceutyków. Mazowieckie szpitale i kliniki będą mogły się w nie zaopatrywać w Warszawie, w nowoczesnym Ośrodku Produkcji i Badań Radiofarmaceutyków, który został otwarty 15 maja w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego.

JAK DZIAŁA PET?

Aby skutecznie leczyć, lekarz musi dysponować zarówno danymi o anatomii pacjenta, jak i pracy jego narządów. Pierwsze metody diagnostyczne, służące obrazowaniu wnętrza ciała żywego człowieka, wynaleziono ponad wiek temu i od tego czasu ciągle ulepszano. Prześwietlenia z użyciem promieniowania rentgenowskiego, tomografia komputerowa czy badania za pomocą rezonansu magnetycznego są dziś standardowymi narzędziami w praktyce lekarskiej. Dostarczają niezbędnej wiedzy o „geografii" wnętrza pacjenta — lecz nie o tym, jak działają jego narządy.

Konieczność zobrazowania nie tyle samego wyglądu organu wewnętrznego, ile zachodzących w nim procesów, zmusiła fizyków, chemików, biologów i lekarzy do opracowania potężnej metody diagnostycznej: tomografii pozytonowej (Positron Emission Tomography, PET).

U źródeł metody PET leży prosty pomysł: pacjentowi należy podać substancję chemiczną, której cząsteczki będą aktywne biologicznie i włączą się w procesy życiowe interesujące lekarza. Po pewnym czasie drobiny rozprzestrzenią się w organizmie i zaczną się grupować w tych tkankach, w których procesy z ich udziałem przebiegają najintensywniej. Różnice w koncentracji cząsteczek wewnątrz organizmu będą niosły informację o tym, jak funkcjonują określone narządy.

Jak zobaczyć koncentrację cząsteczek substancji wewnątrz żywego człowieka? Gdyby chodziło o bakterię, wystarczyłoby, żeby cząsteczki emitowały światło — ciało bakterii jest przezroczyste i różnice w intensywności świecenia organelli byłyby łatwe do zauważenia pod mikroskopem. Naukowcy musieli zatem znaleźć promieniowanie, dla którego ludzkie ciało byłoby odpowiednio przezroczyste. Wymogi spełniało promieniowanie rentgenowskie oraz gamma, czyli kwanty promieniowania elektromagnetycznego o (odpowiednio) dużych oraz bardzo dużych energiach. Cząsteczki znaczników podawanych pacjentom, u których chcielibyśmy zobrazować działanie narządów wewnętrznych, powinny więc świecić w którymś z tych zakresów promieniowania. Pomysł był dobry, miał jednak wadę: tak świecące cząsteczki nie istnieją.

Problem rozwiązano dzięki sprytnemu spostrzeżeniu. Jeśli sama cząsteczka znacznika nie może emitować kwantów promieniowania o dużych energiach, to może mogłaby pobudzić swoje najbliższe otoczenie do takiej emisji? Fizycy znali już odpowiedni proces. Była nim anihilacja, czyli zamiana dwóch cząstek elementarnych — materialnej i jej antymaterialnego partnera — w energię unoszoną przez kwanty gamma. Ale jak dostarczyć antymaterię do ciała pacjenta? Okazało się, że w ogóle nie trzeba tego robić, bo można ją wyprodukować na miejscu.

Cząsteczki substancji podawanych pacjentowi przed badaniem PET, czyli radiofarmaceutyków, są zmodyfikowane. Oprócz części aktywnej biologicznie zawierają izotop promieniotwórczy. Jest on dobrany w taki sposób, że jego jądro rozpada się w procesie beta plus. Podczas rozpadu jądra powstaje m.in. pozyton, czyli antymaterialny partner elektronu. Pozyton anihiluje, gdy na swej drodze spotka elektron. A elektronów w ludzkim ciele jest przecież bardzo dużo.

Podczas anihilacji pozytonu z elektronem dochodzi do emisji dwóch kwantów gamma, każdego o tej samej, dobrze określonej energii (511 kiloelektronowoltów). Kwanty te rozbiegają się w przeciwnych kierunkach i mogą zostać zarejestrowane przez pierścień detektorów, przez który powoli przesuwa się stół z leżącym na nim pacjentem.

Dane zebrane przez detektory promieniowania gamma są przetwarzane za pomocą wyrafinowanych algorytmów. Efektem ich pracy jest na przykład trójwymiarowy obraz koncentracji radiofarmaceutyku w organizmie pacjenta.

Obrazy otrzymane za pomocą skanerów PET mają stosunkowo niewielką rozdzielczość przestrzenną. W zależności od typu skanera i użytego radioizotopu, wynosi ona od jednego do kilku milimetrów w każdym z wymiarów. Mała rozdzielczość wynika z niepewności co do długości drogi, jaką przed anihilacją przebywają pozytony w ciele pacjenta (zależy ona od użytego radioizotopu i wynosi zwykle kilka milimetrów), oraz z faktu, że oba emitowane podczas anihilacji fotony nie rozbiegają się w idealnie przeciwnych kierunkach.

Wzrost dokładności obrazów ze skanerów PET udało się uzyskać dzięki zastosowaniu bardzo szybkich detektorów promieniowania gamma. Można dzięki nim zmierzyć czas przelotu kwantów gamma. Dane te pozwalają precyzyjniej ustalić położenie punktu, w którym doszło do anihilacji.

Mimo wzrostu rozdzielczości obrazów ze skanerów PET, są one zwykle nakładane na zdjęcia wnętrza ciała otrzymywane za pomocą innych, bardziej dokładnych metod obrazowania anatomicznego, takich jak typowa tomografia komputerowa czy rezonans magnetyczny.

RADIOFARMACEUTYKI I ICH PRODUKCJA

1. Kontrola jakości radiofarmaceutyków wytworzonych w Ośrodku Produkcji i Badań Radiofarmaceutyków przy Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Tu sprawdza się, czy wyprodukowany radiofarmaceutyk spełnia kryteria medyczne. (Źródło: ŚLCJ UW, Grzegorz Krzyżewski)

Radiofarmaceutyk to substancja chemiczna, której cząsteczki pełnią podwójną rolę. Z jednej strony są aktywne biologicznie i uczestniczą w procesach, które chcemy śledzić w organizmie pacjenta. Z drugiej strony w cząsteczce radiofarmaceutyku znajduje się izotop promieniotwórczy, którego rozpad prowadzi do powstania pozytonów, czyli cząstek antymaterii. W zetknięciu z elektronami w ciele pacjenta zamieniają się one w promieniowanie, rejestrowane następnie przez skaner PET.

Odpowiednio dobierając część aktywną biologicznie i część promieniotwórczą można wyprodukować radiofarmaceutyki włączające się w różne procesy życiowe. Anomalie w dystrybucji radiofarmaceutyku w organizmie pacjenta pozwalają diagnozować różne procesy chorobowe.

Obecnie do diagnozy stosuje się kilkanaście radiofarmaceutyków. W warszawskim ośrodku będzie produkowany przede wszystkim fluor ¹⁸F, węgiel ¹¹C oraz, w mniejszych ilościach, izotop tlenu ¹⁵O.

Podstawowe znaczenie medyczne ma obecnie fluor ¹⁸F. Jako znacznik jest on wprowadzany m.in. do fluorodeoksyglukozy (FDG) — odmiany glukozy rozprzestrzeniającej się w organizmie podobnie jak glukoza. Fluorem znakuje się też cholinę, związek służący do diagnostyki nowotworów o wolnym metabolizmie (często używany do badania nowotworów prostaty). Dwa inne zastosowania fluoru to dopa, substancja metabolizowana do dopaminy i używana do wczesnego wykrywania choroby Parkinsona, oraz mizonidazol, związek do diagnozowania stanów niedotlenienia tkanek.

Izotop węgla ¹¹C jest krótkożyciowy — jego czas połowicznego rozpadu to ok. 20 minut. Radiofarmaceutyki zawierające ten izotop mogą być więc transportowane wyłącznie w ramach jednej aglomeracji. Węgiel ma jednak ogromną zaletę: występuje naturalnie w aktywnych biologicznie cząsteczkach. Zamiana jednego atomu węgla w cząsteczce na izotop ¹¹C nie zmienia jej własności fizyko-chemicznych. W efekcie tak oznakowana cząsteczka włącza się w dokładnie te same procesy fizjologiczne, w których uczestniczą cząsteczki nieoznakowane. Węgiel ¹¹C ma zastosowanie w związkach używanych do badania procesów neurologicznych i kardiologicznych.

Radiofarmaceutyk jest podawany pacjentowi zazwyczaj dożylnie. W zależności od części aktywnej biologicznie, należy następnie odczekać, aż radiofarmaceutyk włączy się w monitorowany proces. Czas oczekiwania jest uregulowany w procedurze podawania konkretnego radiofarmaceutyku i zazwyczaj wynosi kilkadziesiąt minut.

Czas połowicznego rozpadu to czas, w którym połowa atomów ulega rozpadowi. W przypadku izotopów stosowanych w radiofarmaceutykach dla potrzeb PET jest on bardzo krótki: dla fluoru ¹⁸F wynosi 110 minut, dla węgla ¹¹C — 20 minut, dla azotu ¹³N — 10 minut, a dla tlenu ¹⁵O zaledwie nieco ponad dwie minuty. Oznacza to, że wprowadzony do organizmu radiofarmaceutyk, nawet jeśli będzie wolno usuwany drogami biologicznymi, po kilku godzinach od badania i tak przestanie być aktywny z przyczyn fizycznych.

Czy badanie PET jest bezpieczne? Roczna dawka promieniowania na terenie Polski, przyjmowana przez każdego z nas ze źródeł naturalnych (pierwiastki promieniotwórcze w ziemi, promieniowanie kosmiczne itp.), wynosi 2,5-3 milisiwerty, a w rejonach górskich jest wyższa nawet dwukrotnie. Tymczasem dawka promieniowania pochłaniana przez pacjenta wskutek wprowadzenia radiofarmaceutyku do organizmu to 7-10 milisiwertów. Jest ona zwiększana o dawkę pochodzącą z przeprowadzanej równolegle z badaniem PET tomografii komputerowej. Łącznie w ciągu kilku godzin pacjent otrzymuje ok. 15 milisiwertów. Tak niewielki — a na dodatek tylko chwilowy! — skok promieniowania nie jest zagrożeniem dla zdrowia.

Warto dodać, że znakowanie izotopami, zwłaszcza węglem ¹¹C, zdobywa coraz większą popularność w ośrodkach poszukujących nowych leków. Dzięki wprowadzeniu izotopu w miejsce któregoś z atomów węgla w testowanym związku, można szybko sprawdzić, czy lek kumuluje się we właściwych miejscach organizmu.

ZASTOSOWANIA MEDYCZNE RADIOFARMACEUTYKÓW

2. Wnętrze laboratorium badawczo-rozwojowego Ośrodka Produkcji i Badań Radiofarmaceutyków przy Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Naukowcy będą tu poszukiwać nowych radiofarmaceutyków. (Źródło: ŚLCJ UW, Grzegorz Krzyżewski)

Tomografia pozytonowa (Positron Emission Tomography, PET) służy do obrazowania procesów zachodzących w ciele pacjenta, pozwala diagnozować i oceniać stany nowotworowe oraz prowadzić bezinwazyjną diagnostykę kardiologiczną i neurologiczną. W literaturze światowej przyjmuje się, że jeden działający skaner PET powinien przypadać mniej więcej na milion mieszkańców. W Polsce urządzeń tego typu jest nieco mniej — około 20.

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word