Positron ajuda a diagnosticar câncer

O título do artigo não foi escolhido por acaso. Existe um artigo no blog NITU MISiS "Um laser ajudará a diagnosticar câncer" com uma descrição detalhada do princípio de operação de um microscópio de fluorescência a laser, mas, de fato, não há uma palavra sobre o diagnóstico de câncer. Há muito tempo, tive uma vaga idéia de escrever uma breve resenha sobre esse método para diagnosticar tumores cancerígenos como a tomografia por emissão de pósitrons (daqui em diante - PET). As notícias sobre a construção de um centro de medicina nuclear e um artigo sobre ressonância magnética apenas reforçaram essa idéia.

Princípios fundamentais subjacentes ao PET

O método de diagnóstico baseia-se no fato de que algumas substâncias características do metabolismo de uma pessoa como um todo e as células cancerígenas em particular são marcadas com um rótulo radioativo e depois introduzidas no corpo humano. Esse composto é chamado de radiofármaco - radiofarmacêutico. A detecção subsequente de produtos de decomposição permite criar um mapa tridimensional da distribuição de rótulos no corpo para determinar áreas de absorção não características para uma pessoa saudável. Uma característica importante do método PET é que o mecanismo de decaimento dominante é beta mais decadência, ou seja, decaimento com a formação de um pósitron.



Tomógrafo PET / CT (emissão de pósitrons, combinado com computador) GE Discovery 610. Imagem retirada do site oficial da GE Healthcare. Nota O suporte vertical aos pés do paciente é um sistema de controle da respiração.

Aqui vale a pena tropeçar em direção à mecânica quântica. A aniquilação de um pósitron e um elétron não ocorre instantaneamente. Um pósitron emitido por uma etiqueta radioativa, quando se encontra com um elétron, forma um estado ligado - "positrônio". Tanto o elétron quanto o pósitron são férmions, portanto a rotação total do estado ligado pode ser zero (para-positrônio) ou unidade (orto-positrônio). O tempo de vida do para-positrônio é da ordem de 0,1 ns, enquanto o orto-positrônio é três vezes maior. O para-positrônio pode decair apenas em um número par de raios gama, o orto-positrônio, pelo contrário, apenas em um número ímpar de raios gama. Esse comportamento decorre das leis de conservação de paridades e simetrias da mecânica quântica. Tendo em vista as baixas energias de pósitrons no caso do PET, podemos assumir que apenas decaimentos de 2 e 3 fótons são possíveis. Além disso, o pósitron na composição do orto-positrônio, devido a uma vida útil muito mais longa, pode reagir com outros elétrons do meio com a transição do estado orto para para. De fato, o mecanismo de decaimento dominante é o decaimento com a formação de 2 raios gama, embora, do ponto de vista da mecânica quântica, a formação de orto-positrônio seja 3 vezes mais provável. O acima exposto é verdadeiro apenas para mídias densas, que são o corpo humano. É importante que os raios gama emitidos tenham a mesma energia de 511 keV e se espalhem em direções exatamente opostas. No contexto da mecânica quântica, essa afirmação pode ser provada estritamente; no contexto da mecânica do macro-mundo, ela pode ser representada da seguinte forma: desde que a energia do positrônio exceda 1022 keV (a energia de repouso total de um elétron e um pósitron), o positrônio "vive e se move", perdendo energia ao interagir com a matéria. Assim que a energia do positrônio cair para 1022 keV, ou seja, "para", a aniquilação ocorre com a liberação de 2 raios gama a 180 graus com a mesma energia.



Diagramas de decaimento para-positrônio e orto-positrônio

O registro dos raios gama emitidos permite determinar o ponto de decaimento com alta precisão. Um evento é considerado o registro simultâneo de 2 raios gama em lados opostos de um detector de anel.

Isótopos

Todos os isótopos usados ​​para o PET têm vida curta. Meia-vida dos isótopos mais utilizados: 18F (flúor-18) - 109 minutos, 11C (carbono-11) - 20 minutos, 13N (nitrogênio-13) - 10 minutos. Um dos PETs de menor duração utilizado é o 15O (oxigênio-15), com meia-vida de 122 segundos. Em vista desse fato, a única maneira de obter isótopos para PET, com exceção do flúor, é a síntese in situ no ciclotrão. A palavra "ciclotron" lembra imediatamente o LHC, felizmente, os ciclotrons médicos para PET são muito mais compactos. O tamanho característico é de 3 m, a energia protônica característica é de até 30 MeV.



GE PETtrace 800 Cyclotron. Imagem da brochura oficial da GE Healthcare

Após o tempo de operação no ciclotrão, o isótopo entra em um laboratório especializado, onde ocorre a síntese do radiofármaco necessário. O radiofármaco resultante está sujeito a verificação obrigatória no laboratório de controle de qualidade para confirmar que a substância obtida é o radiofármaco necessário, não contém toxinas e é seguro para administração ao paciente. Após receber a confirmação do laboratório de controle de qualidade, o radiofármaco é introduzido no paciente e um estudo é realizado em um tomógrafo (PET / CT ou PET / MRI).

Um dos radiofármacos mais comuns (se não os mais comuns) do PET é o 18F-FDG (fluorodeoxiglucose), essencialmente uma molécula de glicose marcada com um átomo de flúor-18. Ao dividir, as células cancerígenas são extremamente ativas na absorção de glicose, respectivamente, se a imagem mostra uma região com uma grande quantidade de glicose que não é característica de um metabolismo saudável, é muito provável que o crescimento de um tumor cancerígeno nessa área.


Molécula 18F-FDG. Em vez de um dos grupos OH, o átomo de 18F é anexado

Conclusão

É importante notar que o PET é um método funcional, enquanto a TC ou RM é anatômica. I.e. se houver um tumor em estágios muito precoces, na TC ou na RM não se destacará no fundo de um órgão saudável, enquanto no PET já "brilhará". Portanto, para obter um quadro completo, é necessário combinar dois métodos - o PET vê o tumor e a TC ou a RM dão uma ligação anatômica exata ao órgão.



Imagens consistentes de CT, PET e PET / CT. Imagem da Internet

PS: raramente é mencionado onde, mas o método PET é utilizado não apenas no diagnóstico do câncer, mas também no estudo das funções dos órgãos internos. Por exemplo, o método encontrou ampla aplicação em cardiologia no estudo das funções cardíacas.