Positron ayuda a diagnosticar el cáncer

El título del artículo no fue elegido por casualidad. Hay un artículo en el blog de NITU MISiS "Un láser ayudará a diagnosticar el cáncer" con una descripción detallada del principio de funcionamiento de un microscopio láser de fluorescencia, pero, de hecho, no hay una palabra sobre el diagnóstico de cáncer. Hace mucho tiempo, tuve una vaga idea de escribir una breve reseña sobre un método para diagnosticar tumores cancerosos como la tomografía por emisión de positrones (en adelante, PET). Las noticias sobre la construcción de un centro de medicina nuclear y un artículo sobre resonancia magnética solo reforzaron esta idea.

Principios fundamentales que subyacen al PET

El método de diagnóstico se basa en el hecho de que algunas sustancias que son características del metabolismo de una persona en su conjunto y de las células cancerosas en particular se marcan con una etiqueta radiactiva y luego se introducen en el cuerpo humano. Tal compuesto se llama radiofarmacéutico - radiofarmacéutico. La detección posterior de productos de descomposición le permite construir un mapa tridimensional de la distribución de etiquetas en el cuerpo para determinar las áreas de absorción que no son características de una persona sana. Una característica importante del método PET es que el mecanismo de descomposición dominante es la beta más la descomposición, es decir. decaer con la formación de un positrón.



Tomógrafo PET / CT (emisión de positrones, combinado con computadora) GE Discovery 610. Imagen tomada del sitio oficial de GE Healthcare. Nota El soporte vertical a los pies del paciente es un sistema de control de la respiración.

Aquí vale la pena tropezar con la mecánica cuántica. La aniquilación de un positrón y un electrón no ocurre instantáneamente. Un positrón emitido por una etiqueta radioactiva, cuando se encuentra con un electrón, forma un estado unido: "positronio". Tanto el electrón como el positrón son fermiones, por lo que el giro total del estado unido puede ser cero (para-positronio) o unidad (orto-positronio). La vida útil del para-positronio es del orden de 0.1 ns, mientras que el orto-positronio es 3 órdenes de magnitud más larga. El para-positronio puede descomponerse solo en un número par de rayos gamma, el orto-positronio, por el contrario, solo en un número impar de rayos gamma. Este comportamiento proviene de las leyes de conservación de las paridades y simetrías de mecánica cuántica. En vista de las bajas energías de positrones en el caso de PET, podemos suponer que solo son posibles las desintegraciones de 2 y 3 fotones. Además, el positrón en la composición del orto-positronio, debido a una vida útil mucho más larga, puede reaccionar con otros electrones del medio con la transición del estado orto al para. De hecho, el mecanismo de descomposición dominante es la descomposición con la formación de 2 gamma quanta, aunque desde el punto de vista de la mecánica cuántica, la formación de orto-positronio es 3 veces más probable. Lo anterior es cierto solo para medios densos, que es el cuerpo humano. Es importante que los rayos gamma emitidos tengan la misma energía de 511 keV y se dispersen en direcciones exactamente opuestas. En el marco de la mecánica cuántica, esta afirmación se puede probar estrictamente, en el marco de la mecánica del macro-mundo se puede representar de la siguiente manera: siempre que la energía del positronio exceda 1022 keV (la energía de reposo total de un electrón y un positrón), el positronio "vive y se mueve", perdiendo energía al interactuar con la materia. Tan pronto como la energía del positronio caiga a 1022 keV, es decir se "detiene", la aniquilación ocurre con la liberación de 2 rayos gamma a 180 grados con la misma energía.



Diagramas de descomposición para-positronio y orto-positronio

El registro de los rayos gamma emitidos permite determinar el punto de descomposición con alta precisión. Se considera que un evento es el registro simultáneo de 2 rayos gamma en lados opuestos de un detector de anillo.

Isótopos

Todos los isótopos utilizados para PET son de corta duración. La vida media de los isótopos más utilizados: 18F (flúor-18) - 109 minutos, 11C (carbono-11) - 20 minutos, 13N (nitrógeno-13) - 10 minutos. Uno de los PET de vida más corta que se usa es el 15O (oxígeno-15) con una vida media de 122 segundos. En vista de este hecho, la única forma de obtener isótopos para PET, con la excepción del flúor, es la síntesis in situ en el ciclotrón. La palabra "ciclotrón" recuerda inmediatamente el LHC, afortunadamente, los ciclotrones médicos para PET son mucho más compactos. El tamaño característico es de 3 m, la energía protónica característica es de hasta 30 MeV.



Ciclotrón GE PETtrace 800. Imagen del folleto oficial de GE Healthcare

Después del tiempo de operación en el ciclotrón, el isótopo ingresa a un laboratorio especializado, donde se produce la síntesis del radiofármaco requerido. El radiofármaco resultante está sujeto a verificación obligatoria en el laboratorio de control de calidad para confirmar que la sustancia obtenida es el radiofármaco requerido, no contiene toxinas y es segura para la administración al paciente. Después de recibir la confirmación del laboratorio de control de calidad, se introduce el radiofármaco al paciente y se realiza un estudio en un tomógrafo (PET / CT o PET / MRI).

Uno de los radiofármacos más comunes (si no el más común) para PET es el 18F-FDG (fluorodesoxiglucosa), esencialmente una molécula de glucosa marcada con un átomo de flúor-18. Al dividirse, las células cancerosas son extremadamente activas en la absorción de glucosa, respectivamente, si la imagen muestra una región con una gran cantidad de glucosa que no es característica de un metabolismo saludable, entonces el crecimiento de un tumor canceroso es muy probable en esta área.


Molécula 18F-FDG. En lugar de uno de los grupos OH, el átomo de 18F está unido

Conclusión

Es importante tener en cuenta que la PET es un método funcional, mientras que la TC o la RM son anatómicas. Es decir Si hay un tumor en etapas muy tempranas, en la TC o la RM no se destacará en el contexto de un órgano sano, mientras que en la PET ya "brillará". En consecuencia, para obtener una imagen completa, es necesario combinar dos métodos: la PET ve el tumor y la CT o la MRI proporcionan una unión anatómica exacta al órgano.



Imágenes consistentes de CT, PET y PET / CT. Imagen de internet

PD: Raramente se menciona dónde, pero el método PET se usa no solo en el diagnóstico de cáncer, sino también para el estudio de las funciones de los órganos internos. Por ejemplo, el método ha encontrado una amplia aplicación en cardiología en el estudio de las funciones cardíacas.