Około 170 tys. – to liczba nowych zachorowań na nowotwory złośliwe w Polsce w skali roku. Co roku umiera z powodu chorób nowotworowych ponad 100 tys. osób. Skala problemu sprawia, że potrzebne są nowe, skuteczniejsze metody diagnostyczne. Jedną z nich jest unikatowy skaner J-PET (Jagiellonian Positron Emission Tomograph) do tomografii pozytonowej, opisany przez międzynarodowy zespół kierowany przez prof. Pawła Moskala z Uniwersytetu Jagiellońskiego. W zespole badaczy znalazł się dr Jarosław Choiński ze Środowiskowego Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego. Opis urządzenia ukazał się niedawno w Science Advances.
Pozytywy pozytonu
Badania dotyczą metody diagnostyki nowotworów zwanej pozytonową tomografią emisyjną (PET). Wykorzystuje ona jedną z charakterystycznych cech komórek rakowych – ich znacznie wyższy metabolizm, czyli tempo, w jakim pobierają i zużywają substancje odżywcze do wytwarzania energii.
Komórki nowotworowe potrzebują znacznie więcej „paliwa” niż komórki zdrowe. W badaniu PET, by je wykryć, pacjentowi podaje się glukozę znakowaną radioaktywnym izotopem. Glukoza wnika do komórek, a dzięki obecności znacznika można śledzić jej rozkład w organizmie. Obszary, w których gromadzi się jej najwięcej, to miejsca o podwyższonym metabolizmie – a więc potencjalne ogniska nowotworowe.
Dlaczego ten rodzaj tomografii nazywamy pozytonową? Podczas badania mierzone jest miejsce tzw. anihilacji pozytonu – cząstki często nazywanej antyelektronem. Pozyton jest emitowany przez niektóre pierwiastki promieniotwórcze. Gdy pozyton napotka elektron, obie cząstki znikają, zamieniając się w dwa kwanty promieniowania gamma. To właśnie anihilacja.
Czym różni się unikatowy nowy skaner od tradycyjnej tomografii pozytonowej? W nowym skanerze J-PET rejestrowane jest nie tylko miejsce, w którym pozyton ulega anihilacji, ale też czas życia pozytonium – nietrwałego „egzotycznego atomu” powstałego z połączenia elektronu i pozytonu. J-PET potrafi zmierzyć, jak długo pozytonium istnieje, zanim się rozpadnie, tradycyjny PET nie analizuje tego procesu.
W badaniu PET pacjentowi wstrzykiwany jest farmaceutyk znakowany pierwiastkiem promieniotwórczym, który emituje pozytony. Pozytonium powstaje – w trakcie badania – w pustych przestrzeniach molekularnych ciała badanej osoby. Długość życia pozytonium zależy od mikrostruktury tkanki i ciśnienia parcjalnego cząsteczek tlenu. Różnica mierzona w miliardowych częściach sekundy jest bezcenna. Dzięki temu możliwe jest wykrycie subtelnych zmian w tkankach, które mogą świadczyć o rozwoju choroby nowotworowej, zanim te zmiany będą widoczne w innych badaniach. Specyficzny odstęp pomiędzy utworzeniem pozytonium a jego rozpadem na fotony świadczyć może o istnieniu komórek nowotworowych i wskazywać ich umiejscowienie.
Gdy czas życia atomu staje się diagnozą
Tradycyjne skanery PET rejestrują jedynie miejsce dwóch fotonów powstałych w wyniku anihilacji pozytonu. Nie dostarczają natomiast informacji o zmianach submolekularnej budowy tkanki, a co za tym idzie – o czasie życia pozytonium. To jednak zmienia się właśnie dzięki J-PET. Urządzenie umożliwiło stworzenie pierwszych w historii zapisów czasu życia pozytonium uzyskanych podczas badania in vivo, czyli na żywym organizmie, precyzyjniej – w ludzkiej głowie.
Badanym pacjentem był 45-letni mężczyzna z nawracającym wtórnym glejakiem wielopostaciowym w prawym płacie czołowo-ciemieniowym. Rezultat? Czasy życia pozytonów i pozytoniów w komórkach glejaka wielopostaciowego były krótsze niż w gruczołach ślinowych i zdrowych tkankach mózgu.
Zajrzeć w tkanki, zanim rak da o sobie znać
Odkrycie ma duży potencjał diagnostyczny. Pomiar czasu życia pozytonium w organizmie pacjenta może dostarczyć informacji nie tylko o samym istnieniu komórek nowotworowych, lecz także o wczesnych zmianach molekularnych, które dopiero będą prowadzić do ich powstania. To szansa na wykrywanie raka na znacznie wcześniejszym etapie choroby niż jest to możliwe z wykorzystaniem obecnych skanerów PET!
– Obrazowanie pozytonowe można zdefiniować jako metodę rekonstrukcji właściwości pozytonium – takich jak średni czas życia, prawdopodobieństwo powstania czy stosunek szybkości rozpadu na trzy fotony i dwa fotony – w funkcji położenia w obrazowanym obiekcie. Dwa lub trzy fotony z rozpadu pozytonium służą do rekonstrukcji rozkładu gęstości anihilacji. Jednak czas życia pozytonium można określić tylko wtedy, gdy podany radionuklid emituje dodatkowo kwant gamma (tzw. emiter trójfotonowy) niosący informację o czasie powstania pozytonium. Informacje zawarte w obrazach pozytonowych dotyczą wielkości pustych przestrzeni wewnątrzcząsteczkowych i stężenia w nich cząsteczek bioaktywnych, i różnią się jakościowo od obrazów anatomicznych i morfologicznych uzyskiwanych za pomocą tomografii komputerowej (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI) – wyjaśnia dr Jarosław Choiński.
