Le positron aide à diagnostiquer le cancer

Le titre de l'article n'a pas été choisi par hasard. Il y a un article sur le blog NITU MISiS "Un laser aidera à diagnostiquer le cancer" avec une description détaillée du principe de fonctionnement d'un microscope à fluorescence laser, mais, en fait, il n'y a pas un mot sur le diagnostic du cancer. Il y a très longtemps, j'ai eu une vague idée d'écrire une brève revue d'une telle méthode de diagnostic des tumeurs cancéreuses comme la tomographie par émission de positrons (ci-après - TEP). La nouvelle de la construction d'un centre de médecine nucléaire et un article sur l'IRM n'ont fait que renforcer cette idée.

Principes fondamentaux sous-jacents au PET

La méthode de diagnostic repose sur le fait que certaines substances caractéristiques du métabolisme d'une personne dans son ensemble et des cellules cancéreuses en particulier sont marquées d'un marqueur radioactif puis introduites dans le corps humain. Un tel composé est appelé radiopharmaceutique - radiopharmaceutique. La détection ultérieure des produits de décomposition vous permet de construire une carte en trois dimensions de la distribution des étiquettes dans le corps pour déterminer les zones d'absorption qui ne sont pas caractéristiques d'une personne en bonne santé. Une caractéristique importante de la méthode PET est que le mécanisme de désintégration dominant est la désintégration bêta plus, c'est-à-dire carie avec formation d'un positron.



Tomographie TEP / CT (émission de positrons, combinée à un ordinateur) GE Discovery 610. Image prise à partir du site officiel de GE Healthcare. Remarque Le support vertical aux pieds du patient est un système de contrôle respiratoire.

Ici, il vaut la peine de trébucher vers la mécanique quantique. L'annihilation d'un positron et d'un électron ne se produit pas instantanément. Un positron émis par une étiquette radioactive, lorsqu'il rencontre un électron, forme un état lié - le «positronium». L'électron et le positron sont tous deux des fermions, de sorte que le spin total de l'état lié peut être nul (para-positronium) ou unité (ortho-positronium). La durée de vie du para-positronium est de l'ordre de 0,1 ns, tandis que l'ortho-positronium est de 3 ordres de grandeur plus long. Le para-positronium ne peut se désintégrer qu'en un nombre pair de rayons gamma, l'ortho-positronium, au contraire, qu'en un nombre impair de rayons gamma. Ce comportement découle des lois de conservation des parités et symétries mécaniques quantiques. Compte tenu des faibles énergies de positrons dans le cas du PET, nous pouvons supposer que seules les désintégrations à 2 photons et 3 photons sont possibles. De plus, le positron dans la composition de l'ortho-positronium, en raison d'une durée de vie beaucoup plus longue, peut réagir avec d'autres électrons du milieu avec la transition de l'ortho à l'état para. En fait, le mécanisme de désintégration dominant est la désintégration avec la formation de 2 quanta gamma, bien que du point de vue de la mécanique quantique, la formation d'ortho-positronium soit 3 fois plus probable. Ce qui précède n'est vrai que pour les médias denses, qui sont le corps humain. Il est important que les rayons gamma émis aient la même énergie de 511 keV et se dispersent dans des directions exactement opposées. Dans le cadre de la mécanique quantique, cette affirmation peut être prouvée strictement, dans le cadre de la mécanique du macro-monde, elle peut être représentée comme suit: tant que l'énergie du positronium dépasse 1022 keV (l'énergie de repos totale d'un électron et d'un positron), puis le positronium `` vit et se déplace '', perdant de l'énergie lors de l'interaction avec la matière. Dès que l'énergie du positronium chute à 1022 keV, soit il «s'arrête», l'annihilation se produit avec la libération de 2 rayons gamma à 180 degrés avec la même énergie.



Diagrammes de désintégration du para-positronium et de l'ortho-positronium

L'enregistrement des rayons gamma émis permet de déterminer le point de désintégration avec une grande précision. Un événement est considéré comme l'enregistrement simultané de 2 rayons gamma sur les côtés opposés d'un détecteur annulaire.

Isotopes

Tous les isotopes utilisés pour le PET sont de courte durée. Demi-vies des isotopes les plus utilisés: 18F (fluor-18) - 109 minutes, 11C (carbone-11) - 20 minutes, 13N (azote-13) - 10 minutes. L'un des PET les plus courts utilisés est le 15O (oxygène-15) avec une demi-vie de 122 secondes. Compte tenu de ce fait, la seule façon d'obtenir des isotopes pour le PET, à l'exception du fluor, est la synthèse in situ au cyclotron. Le mot «cyclotron» rappelle immédiatement le LHC, heureusement, les cyclotrons médicaux pour PET sont beaucoup plus compacts. La taille caractéristique est de 3 m, l'énergie protonique caractéristique peut atteindre 30 MeV.



Cyclotron GE PETtrace 800. Image de la brochure officielle de GE Healthcare

Après avoir passé du temps sur le cyclotron, l'isotope entre dans un laboratoire spécialisé, où la synthèse du produit radiopharmaceutique requis a lieu. Le produit radiopharmaceutique résultant est soumis à une vérification obligatoire dans le laboratoire de contrôle de la qualité pour confirmer que la substance obtenue est le produit radiopharmaceutique requis, ne contient pas de toxines et peut être administrée sans danger au patient. Après avoir reçu la confirmation du laboratoire de contrôle qualité, le radiopharmaceutique est présenté au patient et une étude est réalisée sur un tomographe (TEP / TDM ou TEP / IRM).

L'un des radiopharmaceutiques les plus courants (sinon les plus courants) pour le PET est le 18F-FDG (fluorodésoxyglucose), essentiellement une molécule de glucose marquée avec un atome de fluor-18. Lors de la division, les cellules cancéreuses sont extrêmement actives dans l'absorption du glucose, respectivement, si l'image montre une région avec une grande quantité de glucose qui n'est pas caractéristique d'un métabolisme sain, alors la croissance d'une tumeur cancéreuse est très probable dans cette zone.


Molécule 18F-FDG. Au lieu d'un des groupes OH, l'atome 18F est attaché

Conclusion

Il est important de noter que la TEP est une méthode fonctionnelle, tandis que la TDM ou l'IRM est anatomique. C'est-à-dire s'il y a une tumeur à un stade très précoce, alors au scanner ou à l'IRM, elle ne se démarquera pas dans le contexte d'un organe sain, tandis que sur le PET, elle «brillera» déjà. En conséquence, pour obtenir une image complète, il est nécessaire de combiner deux méthodes: la TEP voit la tumeur et la TDM ou l'IRM donnent une liaison anatomique exacte à l'organe.



Images cohérentes de CT, PET et PET / CT. Image provenant d'Internet

PS: Il est rarement mentionné où, mais la méthode TEP est utilisée non seulement pour le diagnostic du cancer, mais aussi pour l'étude des fonctions des organes internes. Par exemple, la méthode a trouvé une large application en cardiologie dans l'étude des fonctions cardiaques.