Клиническое применение позитронно-эмиссионной томографии

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), она же двухфотонная эмиссионная томография — радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного.

История ПЭТ началась в 1950-ых, когда появилась возможность отображения позитрона, испускающего нуклиды: фотоны с высокой энергией, произведенные при уничтожении позитрона, можно использовать для описания физиологического 3D распределения химического состава. В середине 1950-ых, Терпогосян выдвинул идею, что, несмотря на короткое время полураспада этих радионуклидов, они пригодны для изучения регионального метаболизма.

Первый прототип ПЭТ сканера появился в 1952 году Массачусетском госпитале. Он имел всего лишь два детектора, разрешение было низким, но чувствительность устройства все же позволяла обнаружить опухоль и ее пространственное положение относительно срединной линии мозга.

Первые ПЭТ сканеры с множеством детекторов были созданы в начале 1960-ых и представляли собой системы с кольцом из 32 датчиков, позволяющие получать единичные срезы. Это позволило повысить чувствительность метода и получить двумерное изображение. В следующем поколении ПЭТ сканеров, появившемся в 1968 году был уменьшен размер датчика и добавлены дополнительные кольца, позволяющие одновременно получать несколько срезов с разрешением менее 1 см. Дальнейшее усовершенствование ПЭТ-сканеров состоит в повышении пространственного разрешения, чувствительности детекторов, увеличении числа одновременно получаемых срезов, коррекции аттенюации и разработке новых алгоритмов реконструкции изображений.

Итак, ПЭТ – это развивающийся диагностический и исследовательский метод ядерной медицины. В его основе лежит возможность при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченых позитрон-излучающими радиоизотопами.

Любое ПЭТ исследование состоит из нескольких основных этапов:

1. производство радиоизотопа;

2. маркировка выбранного состава испускающим позитроны радионуклидом и подготовка состава в форме, пригодной для воздействия на людей;

3. транспортировка состава из лаборатории к месту проведения исследования;

4. воздействие радиоактивного индикатора и получение данных ПЭТ;

5. отображение распределения активности позитрона как функции времени, обработка данных;

6. интерпретация результата.

Система производства радиоизотопов состоит из трех основных частей:

- циклотрона (ускорителя частиц);

- биологического синтезатора, присоединяющего радиоизотопы к биологическим молекулам;

- компьютера, контролирующего процесс.

До начала исследования в циклотроне производится радиоактивное вещество, входящее в естественный химический состав тела (атомы кислорода, углерода, азота) и распадающееся с испусканием позитронов.

Произведенные на циклотроне радиоизотопы переносятся в биосинтезатор, где они присоединяются к используемым в клинике химическим составам, за распределением которых в теле хотят проследить. Естественно встречающиеся в органических составах атомы заменяются маркироваными (химически и биологически идентичными оригиналу). В ПЭТ маркируемые химические составы, ограничены воображением исследователей и временем полураспада. Чаще всего в роли маркируемого вещества выступает глюкоза.

Вся работа системы производства радиоизотопов, включая циклотрон и биосинтезатор, управляется компьютером. Оператор выбирает из меню на консоли управления требуемый для производства изотоп, а остальные процессы проводятся автоматически.

Для проведения исследования малое количество радиоактивного препарата (радионуклида) внутривенно вводят пациенту, радионуклид поступает в клетки и распределяется в них. Спустя некоторое время его концентрация в тканях измеряется сканером, достаточно чувствительным для обнаружения даже небольшого количества радиоактивного состава.

При распаде радиоактивного вещества происходит выброс (эмиссия) положительных частиц (позитронов), стабилизирующая ядро за счет устранения положительного заряда путем превращения протона в нейтрон. Позитрон проходит короткое расстояние (зависящее от его энергии) перед столкновением с электроном окружающей среды. Происходит объединение позитрона с электроном среды (аннигиляция), частицы «уничтожают» друг друга, и их масса преобразуется в энергию, приводя к эмиссии двух противоположно направленных (180^о ) гамма-лучей (фотонов высокой энергии) с энергией 511 кэВ каждый.

Данные фотоны, испущенные в результате аннигиляции, выходят за пределы тела и регистрируются внешними детекторами.

Для получения изображений в ПЭТ используются радио фармпрепараты (РФП), меченые позитрон-излучающими ультра короткоживущими радионуклидами (УКЖР). Основным доводом в пользу их использования явилось то обстоятельство, что их применение позволяет уменьшить время исследования и радиационную нагрузку на больного, т.к. большая часть препарата распадается уже во время исследования. Кроме того, многие элементы, имеющие позитрон-излучающие УКЖР, такие как 11 C , 13 N, 15 O (а также 18 F , выступающий как аналог водорода) принимают самое активное участие в большинстве биологических процессов человеческого организма. По сути, методом ПЭТ можно исследовать любую функцию организма. Необходимо только выбрать химическое соединение, критически важное для осуществления этой функции.

Химическое соединение, помеченное таким радионуклидом, выбранным из ряда "физиологичных" УКЖР, может быть метаболическим субстратом или одной из важных в биологическом отношении молекул. Эта технология при использовании соответствующих РФП и фармакокинетических моделей, описывающих распределение и метаболизм препарата в тканях, кровяном русле и межтканевом пространстве, позволяет неинвазивно и количественно оценивать ряд физиологических и биохимических процессов. В этом и состоит принципиальное отличие ПЭТ, которую называют «функциональной томографией», от компьютерной и магнитно-резонансной томографии, оценивающих структурные изменения тканей. Биохимические процессы нарушаются фактически при всех заболеваниях, и эти изменения обычно предшествуют анатомическим поражениям или распространяются за их пределы. ПЭТ дополняет диагностический процесс информацией о физиологических и метаболических расстройствах в очагах поражения, что существенно уточняет характеристику заболевания.

В клинических исследованиях из всех радиофармпрепаратов наиболее распространен 18F- фтордезоксиглюкоза (ФДГ), используемый для оценки энергетического метаболизма. ФДГ — это аналог глюкозы, активно захватывается клетками мозга, опухолевыми клетками, нефронами почек.

Причина широкого использования ФДГ состоит в универсальности этого препарата. Высокий уровень накопления в патологических очагах по отношению к фону позволяет легко их идентифицировать, что делает ФДГ незаменимым в диагностике в первую очередь онкологических заболеваний, несмотря на наличие накопления и в активных воспалительных клетках, как гранулоциты и макрофаги. Безусловно, специфичность ФДГ низка, но никак не ниже специфичности таких внеклеточных агентов, как йод и гадолиний содержащие контрасты, используемые при КТ и МРТ.

Отличаясь от глюкозы только замещением гидроксильной группы второго атома углерода на атом фтора, 2-фтор, 18F-2-дезокси- D -глюкоза, введенная внутривенно, повторяет начальный участок метаболического пути глюкозы, проникая из сосудистого русла в межклеточное пространство и затем в клетки, где фосфорилируется гексокиназой. Продукт реакции — (18F)дезоксиглюкоза-6-фосфат, в отличие от фосфата глюкозы, не вступает в дальнейшие реакции и остается в клетках в течение исследования, что позволяет измерить концентрацию радионуклида 18F в ткани.

После радиоактивного распада 2-фтор преобразуется в 18O-, и после захвата молекулы водорода из гидроксоний иона в водной среде, молекула становится «безвредной» глюкоза-6-фосфат и несёт на себе в гидроксильной группе «тяжелый» нерадиоактивный атом кислорода-18 в составе гидроксильной группы во 2 положении. Наличие 2-гидроксил группы свидетельствует о том, что молекула пойдёт по тому же пути что и обычная глюкоза и будет успешно выведена из организма.

Хотя в теории вся попавшая в организм ФДГ метаболизируется по истечении периода полураспада ~110 минут (как и радиоактивный фтор-18). Клинические исследования показывают неоднозначность превращений ФДГ. 75 % процентов вещества задерживается в тканях и по истечении 110 минут выводится из организма. Другие 20 % выводятся почками уже через 2 часа после введения, имея нехарактерно короткий период полураспада 16 минут (Это количество препарата окрашивает мочевыводящую систему на нормальных ПЭТ снимках.) Таким образом, мы можем наблюдать, что эти 20 % от введённого препарата выводятся почечной системой ещё полностью не распавшимися. Несколько часов после исследования пока не произойдёт полный распад изотопа, моча пациента сохраняет радиоактивные свойства.

ФДГ используется в ПЭТ методике для оценки метаболизма глюкозы в сердце, легких и мозге. Основное его применение (90 %) — онкология, визуализация опухолей. 18F-FDG захватывается клетками опухоли, фосфорилируется гексокиназой (фермента много в быстрорастущих злокачественных клетках), и накапливается в тканях с высокой метаболической активностью — в опухолевых тканях. В результате методика позволяет найти и оценить распространение колоректального рака, рака груди, рака лёгких, меланомы, неходжкинской лимфомы, ходжкинской лимфомы и ряда других онкологических заболеваний. Позволяет верифицировать Болезнь Альцгеймера.

Вводимая доза составляет 122 МБк на 1м 2 площади поверхности тела, которая определяется на основании роста и веса обследуемого, в среднем 370—400 МБк для исследования всего тела, для мозга достаточно 200 МБк.

При сканировании туловища на предмет наличия опухоли или метастазов, доза препарата в растворе(как правило это эквивалент 5-10 мКи) вводится в вену одномоментное, перед этим пациент должен не есть как минимум 6 часов, и должны быть нормальные показатели сахара крови. (Обычно это проблема для людей страдающих сахарным диабетом, штатный режим работы ПЭТ-центра не подразумевает получение достаточного количества изотопа для людей с уровнем сахара выше 10 ммоль/л, такие пациенты должны обследоваться в отдельное время). Затем пациенты должны подождать примерно час пока ФДГ распределится в тканях и органах поглощающих глюкозу. Всё это время пациент должен находиться в покое, чтобы препарат не накапливался в мышцах (это может быть причиной нежелательных артефактов). Перед выполнением исследования пациент должен опорожнить мочевой пузырь. Далее пациент помещается в ПЭТ сканер. Это занимает от 15 минут до часа.

ПЭТ всего тела обычно выполняется до дна таза, вопрос о том, следует ли захватывать мозг, остается спорным, во многих центрах этого не делают, аргументируя низкой способностью ФДГ выявлять метастазы в мозг. Обычно сканирование начинают с области таза, чтобы минимизировать артефакты от наполняющегося мочевого пузыря.

При визуальной оценке изображений полезно использовать простую 4-уровневую шкалу интенсивности накопления ФДГ. Все очаги по степени выраженности гиперметаболизма подразделяются на 4 уровня: 1- как в мягких тканях и неработающих мышцах; 2- как в печени или чуть выше; 3- между уровнем печени и мозга; 4- как в мозге или выше. Очаги с 4 уровнем- первичная опухоль или метастаз, с 3- скорее всего первичная опухоль или метастаз (хотя возможен и очаг воспаления), со 2- скорее всего очаг воспаления. Также необходимо помнить и о локализациях физиологического накопления ФДГ.

Очевидный недостаток ПЭТ- бедная анатомически информация изображений, что сильно затрудняет локализацию выявленных патологических очагов. Для преодоления этого несколько лет назад был создан совмещенный ПЭТ/КТ, прибор, позволяющий одновременно проводить два исследования. ПЭТ/КТ программно совмещает изображения этих диагностических модальностей и позволяет на одном срезе получить анатомическое изображение с наложенной на него картой метаболических процессов. Одновременное получение функциональной и анатомической информации позволяет повысить качество исследования за счёт улучшения качества изображения и повышения точности определения пространственной локализации образований до 98%.

На данный момент разработан метод компьютерной визуализации воксельных данных – метод проекции максимальной интенсивности, который позволяет при небольших вычислительных затратах показать положение в трёхмерном пространстве наиболее ярких участков трёхмерного объекта — таких, как опухоли.

Клиническое применение позитронно-эмиссионной томографии

томографический метаболизм радиоизотоп сердце

Онкология. Эмиссионная томография один из наиболее чувствительных методов диагностики рака. Это связано с высоким уровнем обмена веществ (метаболизмом) раковых клеток. При введении радиоактивной глюкозы во время ПЭТ, ткани пораженные раком «захватывают» ее, намного активнее, чем здоровые ткани.

Опухолевые ткани четко видны на позитронно-эмиссионных томограммах, в отличии от компьютерных или магнитно-резонансных томограмм.

В большинстве случаев, если рак обнаружен на ранней стадии, его можно вылечить. Позитронно-эмиссионная томография используется для ранней диагностики рака и определения наилучшего метода лечения.

При позитронно-эмиссионной томографии всего тела можно определить область тканей распространенность опухолевого поражения – поражение одного определенного органа или системное поражение с наличием метастазов. Эти данные позволяют выбрать оптимальный метод лечения рака – химиотерапия, облучение или хирургическое лечение.

ПЭТ сканирование диагностирует рак лучше, чем другие методы исследования (КТ, МРТ).

Кардиология. ПЭТ применяется для измерения кровотока по коронарным артериям и выявления ишемической болезни сердца. С помощью позитронной томографии в постинфарктном периоде можно отличить плохо сокращающиеся, но живые участки миокарда (которые еще могут восстановиться) от необратимых изменений в виде рубцов.

Комбинация позитронно-эмиссионной томографии и перфузионного исследования может послужить для оценки показаний к операции шунтирования сосудов сердца.

ПЭТ позволяет определить выраженность заболевания сердца и влияние болезни на работу сердца

Позитронно-эмиссионная томография помогает:

- Определить сужение коронарных артерий еще до наличия симптомов;

- Увидеть выраженность ишемической болезни сердца до и после лечения;

- Определить эффект от аортокоронарного шунтирования до проведения операции.

Неврология. В неврологии позитронно-эмиссионная томография позволяет выявить функциональные изменения головного мозга при сосудистых заболеваниях, деменциях, а также для дифференциальной диагностики очаговых образований.

Буквально в конце 2003 года шведским исследователям удалось впервые в мире прижизненно с помощью позитронно-эмиссионной томографии поставить достоверный диагноз на ранних стадиях болезни Альцгеймера.

ПЭТ позволяет получать функциональные изображения, отражающие процессы жизнедеятельности головного мозга на молекулярном уровне, включая метаболизм глюкозы и утилизацию кислорода, оценку кровотока и перфузии, оценку концентрации и сродства специфических рецепторов. Поэтому ПЭТ используется при изучении механизмов мозга, лежащих в основе человеческого создания: для исследования мозговой организации внимания, эмоций, мышления, творчества, общего интеллекта, способности ориентироваться, т.е. всех аспектов деятельности мозга. Исследования проводятся путём измерения распределение потока крови в мозге. Предполагается, что увеличение потока крови связано с увеличенной функциональной деятельностью. Затем с помощью кодируемых цветом изображений можно видеть, где мозг активизирован во время некоторых действий. Например, когда человек говорит или читает, правое полушарие мозга "светится".

В ряде научных центров с помощью ПЭТ проводят исследования лекарств, их распределение и действие на организм.

Позитронно-эмиссионная томография расширила наше понимание биохимических основ нормальной и патологической работы систем внутри организма и позволила проводить биохимические исследования пациентам одновременно с их лечением. Возможности позитронно-эмиссионной томографии велики, так как:

- В основе функционирования тканей лежат химические процессы.

- Заболевания являются результатами нарушений в химических системах организма, которые вызываются вирусами, бактериями, генетическими нарушениями, лекарственными препаратами, факторами окружающей среды, старением и поведением.

- Наиболее избирательной, специфичной и подходящей является терапия, выбранная на основании данных исследования нарушений химических процессов, лежащих в основе заболеваний.

- Детекция химических нарушений обеспечивает наиболее раннюю диагностику заболеваний, даже на досимптомных стадиях.

- Оценка возможности восстановления химической функции позволяет объективно определять эффективность терапевтических вмешательств для каждого конкретного пациента.

- ПЭТ предоставляет возможность визуализировать ход биологических процессов "in vivo".