Positron hilft bei der Diagnose von Krebs

Der Titel des Artikels wurde nicht zufällig ausgewählt. Es gibt einen Artikel im NITU MISiS-Blog "Ein Laser hilft bei der Krebsdiagnose" mit einer detaillierten Beschreibung des Funktionsprinzips eines Laser-Fluoreszenzmikroskops, aber tatsächlich gibt es kein Wort über die Diagnose von Krebs. Vor langer Zeit hatte ich eine vage Idee, einen kurzen Überblick über eine solche Methode zur Diagnose von Krebstumoren wie die Positronenemissionstomographie (im Folgenden: PET) zu schreiben. Die Nachrichten über den Bau eines nuklearmedizinischen Zentrums und ein Artikel über MRT haben diese Idee nur bestätigt.

Grundprinzipien, die PET zugrunde liegen

Die diagnostische Methode basiert auf der Tatsache, dass einige Substanzen, die für den Stoffwechsel einer Person als Ganzes charakteristisch sind, und insbesondere Krebszellen mit einer radioaktiven Markierung gekennzeichnet und dann in den menschlichen Körper eingeführt werden. Eine solche Verbindung wird als Radiopharmazeutikum - Radiopharmazeutikum bezeichnet. Durch den anschließenden Nachweis von Zerfallsprodukten können Sie eine dreidimensionale Karte der Verteilung der Markierungen im Körper erstellen, um Absorptionsbereiche zu bestimmen, die für eine gesunde Person nicht charakteristisch sind. Ein wichtiges Merkmal des PET-Verfahrens ist, dass der dominante Zerfallsmechanismus Beta plus Zerfall ist, d.h. Zerfall unter Bildung eines Positrons.



PET / CT-Tomograph (Positronenemission, kombiniert mit Computer) GE Discovery 610. Das Bild stammt von der offiziellen Website von GE Healthcare. Hinweis Der vertikale Stand zu Füßen des Patienten ist ein Atemkontrollsystem.

Hier lohnt es sich, über die Quantenmechanik zu stolpern. Die Vernichtung eines Positrons und eines Elektrons erfolgt nicht sofort. Ein von einer radioaktiven Markierung emittiertes Positron bildet einen gebundenen Zustand - „Positronium“, wenn es auf ein Elektron trifft. Sowohl das Elektron als auch das Positron sind Fermionen, so dass der Gesamtspin des gebundenen Zustands Null (para-Positronium) oder Eins (ortho-Positronium) sein kann. Die para-Positronium-Lebensdauer liegt in der Größenordnung von 0,1 ns, während ortho-Positronium 3 Größenordnungen länger ist. Para-Positronium kann nur in eine gerade Anzahl von Gammastrahlen zerfallen, ortho-Positronium dagegen nur in eine ungerade Anzahl von Gammastrahlen. Dieses Verhalten ergibt sich aus den Erhaltungsgesetzen quantenmechanischer Paritäten und Symmetrien. Angesichts der geringen Positronenenergien bei PET können wir davon ausgehen, dass nur 2-Photonen- und 3-Photonen-Zerfälle möglich sind. Zusätzlich kann das Positron in der Zusammensetzung von ortho-Positronium aufgrund einer viel längeren Lebensdauer mit anderen Elektronen des Mediums beim Übergang vom ortho- in den para-Zustand reagieren. Tatsächlich ist der dominante Zerfallsmechanismus der Zerfall mit der Bildung von 2 Gammastrahlen, obwohl aus quantenmechanischer Sicht die Bildung von ortho-Positronium dreimal wahrscheinlicher ist. Das Obige gilt nur für dichte Medien, bei denen es sich um den menschlichen Körper handelt. Es ist wichtig, dass die emittierten Gammastrahlen die gleiche Energie von 511 keV haben und in genau entgegengesetzte Richtungen streuen. Im Rahmen der Quantenmechanik kann diese Aussage streng bewiesen werden, im Rahmen der Mechanik der Makrowelt kann sie wie folgt dargestellt werden: Solange die Positroniumenergie 1022 keV (die gesamte Ruheenergie eines Elektrons und eines Positrons) überschreitet, „lebt und bewegt“ sich Positronium und verliert Energie, wenn es mit Materie interagiert. Sobald die Positroniumenergie auf 1022 keV abfällt, d.h. es "stoppt", Vernichtung erfolgt mit der Freisetzung von 2 Gammastrahlen bei 180 Grad mit der gleichen Energie.



Para-Positronium- und Ortho-Positronium-Zerfallsdiagramme

Die Registrierung emittierter Gammastrahlen ermöglicht es, den Abklingpunkt mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Als Ereignis wird die gleichzeitige Registrierung von 2 Gammastrahlen auf gegenüberliegenden Seiten eines Ringdetektors angesehen.

Isotope

Alle für PET verwendeten Isotope sind kurzlebig. Halbwertszeiten der am häufigsten verwendeten Isotope: 18F (Fluor-18) - 109 Minuten, 11C (Kohlenstoff-11) - 20 Minuten, 13N (Stickstoff-13) - 10 Minuten. Eines der am kürzesten verwendeten PETs ist 15O (Sauerstoff-15) mit einer Halbwertszeit von 122 Sekunden. In Anbetracht dieser Tatsache ist der einzige Weg, Isotope für PET mit Ausnahme von Fluor zu erhalten, die In-situ-Synthese am Zyklotron. Das Wort "Zyklotron" erinnert sofort an den LHC, glücklicherweise sind medizinische Zyklotrons für PET viel kompakter. Die charakteristische Größe beträgt 3 m, die charakteristische Protonenenergie beträgt bis zu 30 MeV.



GE PETtrace 800 Cyclotron. Bild aus der offiziellen Broschüre von GE Healthcare

Nach der Betriebszeit am Zyklotron betritt das Isotop ein spezialisiertes Labor, in dem die Synthese des erforderlichen Radiopharmazeutikums erfolgt. Das resultierende Radiopharmazeutikum muss im Qualitätskontrolllabor überprüft werden, um zu bestätigen, dass die erhaltene Substanz das erforderliche Radiopharmazeutikum ist, keine Toxine enthält und für die Verabreichung an den Patienten sicher ist. Nach Erhalt der Bestätigung durch das Qualitätskontrolllabor wird das Radiopharmazeutikum dem Patienten vorgestellt und eine Studie an einem Tomographen (PET / CT oder PET / MRI) durchgeführt.

Eines der häufigsten (wenn nicht das häufigste) Radiopharmazeutika für PET ist 18F-FDG (Fluordesoxyglucose), im Wesentlichen ein mit einem Fluor-18-Atom markiertes Glucosemolekül. Bei der Teilung absorbieren Krebszellen Glukose extrem aktiv. Wenn das Bild eine Region mit einer großen Glukosemenge zeigt, die für einen gesunden Stoffwechsel nicht charakteristisch ist, ist das Wachstum eines Krebstumors in diesem Bereich sehr wahrscheinlich.


Molekül 18F-FDG. Anstelle einer der OH-Gruppen ist das 18F-Atom gebunden

Fazit

Es ist wichtig zu beachten, dass PET eine funktionelle Methode ist, während CT oder MRT anatomisch sind. Das heißt, Wenn sich ein Tumor in einem sehr frühen Stadium befindet, hebt er sich bei CT oder MRT nicht vom Hintergrund eines gesunden Organs ab, während er bei PET bereits „glüht“. Um ein vollständiges Bild zu erhalten, müssen zwei Methoden kombiniert werden: PET sieht den Tumor und CT oder MRT geben eine genaue anatomische Bindung an das Organ.



Konsistente Bilder von CT, PET und PET / CT. Bild aus dem Internet

PS: Es wird selten erwähnt, wo, aber die PET-Methode wird nicht nur zur Diagnose von Krebs verwendet, sondern auch zur Untersuchung der Funktionen innerer Organe. Beispielsweise hat die Methode in der Kardiologie eine breite Anwendung bei der Untersuchung von Herzfunktionen gefunden.