Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu w diagnostyce obrazowej

Tomografia emisyjna pojedynczego fotonu (ang. single-photon emission computed tomography, SPECT, SPET) jest jedną z technik medycyny nuklearnej polegającej na tomograficznym obrazowaniu za pomocą promieniowania gamma. Technika SPECT zapewnia precyzyjne obrazy 3D o bardzo wysokiej rozdzielczości. Obraz generowany jest komputerowo na podstawie zarejestrowanej przez kamerę gamma intensywności promieniowania emitowanego przez wprowadzony do organizmu pacjenta radionuklid. Radionuklidy wykorzystywane w SPECT są trwale związane ze strukturą biologicznie czynnych nośników najczęściej peptydowych. Poprzez swoiste oddziaływanie nośnika z receptorami białkowymi, bądź epitopami przeciwciał zlokalizowanych na błonach komórek, radionuklid dociera do właściwego miejsca w organizmie. SPECT jest nieinwazyjną techniką diagnostyczną, która nie ma na celu efektu terapeutycznego.

Podstawową techniki SPECT, jest dostarczenie pacjentowi radioizotopu (radionuklidu) będącego emiterem promieniowania gamma, zazwyczaj przez wstrzyknięcie do krwioobiegu. Zdarza się czasami że stosowany radioizotop występuje w postaci prostych jonów rozpuszczalnych w wodzie. Jednakże w większości przypadków, radioizotopy w SPECT są tylko znacznikami związanymi z określonymi ligandami (nośnikami), które to wykazują specyficzne właściwości selektywnego wiązania się z receptorami bądź epitopami przeciwciał linii komórek nowotworowych (Rys. 1).

Rysunek 1. Dystrybucja w organizmie i istota działania radiofarmaceutyków terapeutycznych oraz diagnostycznych. Na rysunku: wiązanie niespecyficzne (ang. non-specific sites), nerki (ang. kidneys), wątroba (liver), nowotwór (ang. tumor), wciągnięcie do środka (ang. internalization), radioizotop (ang. radioisotope), peptydowy nośnik radioizotopu (ang. peptide analog), receptor (ang. receptor), komórka nowotworowa (ang. tumor cell), terapia (ang. therapy), diagnostyka (ang. diagnosis), komórka sąsiadująca (ang. neighboring cell) [1].

Swoiste połączenie radioizotopu i nośnika nazywane jest ich koniugatem, który dzięki swym właściwościom biologicznym staje się radiofarmaceutykiem. Wprowadzony do krwioobiegu radiofarmaceutyk nakierowany na określone miejsce w organizmie ulega związaniu, a poziom jego akumulacji możliwy jest do zmierzenia za pośrednictwem zewnętrznego detektora, jakim jest kamera gamma (Rys. 2).

Rysunek 2. Urządzenie do SPECT wyposażone w klasyczny obrotowy detektor promieniowania gamma oparty na czujniku wykonanym z krystalicznego jodku sodu [2].

Diagnostyka obrazowa jest nieinwazyjną metodą mającą na celu ocenę choroby lub stanów chorobowych i monitorowania skutków jej leczenia.

Ogólnie rzecz biorąc, radiofarmaceutyk diagnostyczny, który wprowadzany jest do ciała pacjenta w bardzo niskich stężeniach (w zakresie od nano- do piko molowych) nie ma na celu działania farmakologicznego. Radionuklid wybierany do obrazowania diagnostycznego opiera się głównie na dwóch zasadniczych technikach radioobrazowania. Mianowicie na tomografii emisyjnej pojedynczego fotonu (SPECT) oraz pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Oba ugruntowane klinicznie sposoby obrazowania umożliwiają dotarcie do tkanek głęboko położonych. Zarejestrowane promieniowanie o różnym natężeniu odpowiadającym poziomom stężeń radioizotopu w tkance poddawane jest następnie obróbce komputerowej, dzięki której możliwe będzie stworzenie rzeczywistego obrazu badanego organu. Na podstawie wygenerowanego obrazu można określić w jaki sposób dany organ lub układ działa (Rys. 3).

Rysunek 3. Obraz SPECT przedstawiający nowotwór mózgu - glejaka wielopostaciowego zobrazowany przy zastosowaniu radiofarmaceutyku 99mTc-Tetrofosmin [3].

Techniki obrazowania w tomografii emisyjnej

Technika SPECT dała podwaliny pod nowsze rozwiązania techniczne w diagnostyce obrazowej. Takim rozwiązaniem jest technika PET, w której wykorzystano radiofarmaceutyki znakowane krótkożyjącymi izotopami emitującymi pozytony. Emiterami pozytonów są radionuklidy rozpadające się zgodnie z mechanizmem beta plus. W wyniku takiego rozpadu powstaje pozyton, który oddziałuje z pierwszym napotkanym elektronem. Efektem oddziaływania (anihilacji) jest powstanie dwóch fotonów o energii 511 keV każdy. Powstałe fotony rozchodzą się w ośrodku po linii prostej w kierunkach do siebie przeciwnych. Detektor PET w kształcie pierścienia otaczającego badanego pacjenta precyzyjnie określa ich źródło i przekazuje do jednostki przetwarzania obrazu na obrazy PET poprzez matematyczne procedury rekonstrukcji (Rys. 4).

Rysunek 4. Schemat przedstawia zasadę działania układu do PET. Radionuklid w ciele pacjenta emituje pozyton, który anihilując z elektronem generując parę fotonów. Promieniowanie rejestrowane jest przez detektor. Po przejściu przez kontroler zbieżności trafia do komputerowej jednostki przetwarzania obrazu na obraz PET [4]. Zmienione.

Skanery PET oferują znacznie lepszą rozdzielczość obrazu niż SPECT, ze względu na podwojoną ilość sygnałów emisyjnych. Natomiast skanery SPECT są stosunkowo mniej kosztowne, ze względu na dostępność opłacalnych długożyjących izotopów technet-99m, ind-111 oraz gal-67.
Radionuklidy stosowane w PET, takie jak fluor-18, węgiel-11, azot-13 oraz tlen-15, są powszechnie używane w badaniach zarówno klinicznych jak i podstawowych. Mają one jednak wysokie ceny ze względy na bardzo krótki czas połowicznego rozpadu i przez to konieczność produkcji cyklotronowej.

Detektory

W wyniku niskiej energii promieniowania gamma emitowanego przez radionuklidy w technice SPECT, tradycyjne kamery gamma (detektory) posiadają w swojej budowie sprzężone wzmacniacze sygnału fotonów (fotopowielacze). Emitowane z ciała pacjenta fotony oddziałują z powierzchnią detektora wykonaną z krystalicznego jodku sodu (czujnik). Zarejestrowane impulsy świetlne są następnie mnożone przez fotopowielacz (PMT) i przetwarzane na prąd elektryczny o określonym natężeniu (Rys. 5).

W wyniku zastosowania fotopowielacza może nastąpić integracja wielu takich kaskadowo wzmocnionych sygnałów, które ostatecznie zostaną przetworzone przez komputerowy system do rekonstrukcji obrazów SPECT.

Nowsze detektory (CZT) zostały opracowane w ten sposób, że nie wymagają już wzmacniania sygnału, a sam czujnik detektora połączony jest z obwodem elektrycznym. Detektory CZT są bardziej wrażliwe na padające promieniowanie i mają o wiele lepszą rozdzielczość energii (Rys.5).

Rysunek 5. Porównanie klasycznego detektora z czujnikiem na bazie jodku sodu z detektorem nowego typu, w którym czujnik oparty jest na tellurku kadmu i cynku (CZT). Na rysunku: γ - promieniowanie gamma (ang. γ-rays); CZT: czujnik detektora z tellurku kadmu i cynku, e- - elektrony, Nal - jodek sodu, PMT - fotopowielacz, Tl - tal, obwód elektryczny (ang. electronics), detektor scyntylacyjny (ang. scintillation detektor), detektor z widocznymi pojedynczymi pikselami (ang. pixelated detektor) [5]. Zmienione.

Radiofarmaceutyki SPECT

Przy projektowaniu radiofarmaceutyków SPECT potencjalne zastosowanie mają trzy radioizotopy będące emiterami promieniowania gamma o niskiej energii. Mowa tu o technecie-99m (99mTc), indzie-111 (111In) oraz galu-67 (67Ga). Prawie 80 % wszystkich radiofarmaceutyków diagnostycznych SPECT stosowanych w badaniach klinicznych znakowane jest 99mTc z powodu jego łatwej dostępności (produkowany generatorowo), optymalnych właściwości radiochemicznych oraz niskich kosztów. Pozostałe znakowane są indem-111. Natomiast gal-67 zajmuje marginalna pozycję.

W tabeli poniżej zestawiono najczęściej stosowane w medycynie nuklearnej radiofarmaceutyki SPECT wraz z ich przeznaczeniem aplikacyjnym.

Tabela 1. Wybrane radiofarmaceutyki najczęściej stosowane w dzisiejszej diagnostyce obrazowej CPECT [4]. Zmienione.

Radioizotop technetu-99m

Technet-99m należy do siódmej grupy układu okresowego. 99mTc (t1/2 = 6,01 h) jest metastabilnym izotopów promieniotwórczych emitującym promieniowanie gamma (fotony) o energii 143 keV. Radioizotop ten rozpada się na bardzo stabilnych siostrzany izotop 99Tc. Czas półtrwania izotopu technetu-99m (t1/2 = 6,01 h) jest wystarczający do właściwego przygotowania procedury skanowania radiofarmaceutyku SPECT i jest na tyle krótki, by zachować na niskim poziomie całkowitą dawkę jaką przyjmuje pacjent podczas ekspozycji. 99mTc otrzymywany jest w postaci jonów 99mTcO4- z generatora radionuklidów 99Mo/99mTc. Wyjściowy radionuklid generatora technetu-99m, którym jest molibden-99 (t1/2 = 2,78 dni) stanowi produkt rozszczepienia uranu-235. W generatorze 99Mo/99mTc, jony 99mTcO4- są tworzone w wyniku rozpadu 99MoO42-. 99mTcO4- (wysoka aktywność właściwa) wymywany jest z kolumny chromatograficznej połączonej z generatorem za pomocą soli fizjologicznej. Całkowite stężenie technetu w eluencie generatorowym 99Mo/99mTc zawiera się w zakresie 10-7 - 10-6 molxL-1.

Ze względu na krótki okres półtrwania, większość radiofarmaceutyków opartych na 99mTc jest prostymi kompleksami metalu lub koniugatami metalu z krótkimi peptydami lub białkami.

Historycznie pierwszy generator 99Mo/99mTc został opracowany w latach pięćdziesiątych XX wieku przez Brookhaven National Laboratory, który zrewolucjonizował badania radiofarmaceutyczne opierające się na 99mTc Badania zostały przyspieszone, aby w latach osiemdziesiątych kupić się głównie na produkcji małych kompleksów 99mTc jako radioznaczników perfuzji serca i mózgu. Szeroko zakrojone badania koordynacyjnej chemii technetu-99m doprowadziły do pomyślnego rozwoju wielu nośników 99mTc pierwszej generacji, które są znane jako podstawowe czynniki technetu.

W 1981 roku odkryto jeden z najbardziej istotnych podstawowych czynników 99mTc, o nazwie [99mTc (MIBI)6]+ (MIBI: 2-metoksy-2-metylpropylisonitryl), który gromadził się w tkankach sercowych po podaniu dożylnym. Związek ten znany jest pod nazwą handlową Cardiolite lub Sestamibi. Otrzymany koniugat pomaga w ocenie ilości krwi przepływającej przez mięsień sercowy w warunkach spoczynku oraz stresu. Wykorzystanie koniugatu jest szerokie, gdyż można go podać zarówno ludziom, którzy już mają objawy ataku serca, ale również ludziom, którzy są w grupie ryzyka, lecz nie wykazali oznak. Prócz Sestamibi dostępny jest w handlu inny środek obrazowania perfuzji mięśnia sercowego, a mianowicie 99mTc-Tetrofosmin o nazwie [99mTcO2(tetrofosmin)2]+ (tetrofosmin: 1,2-bis[bis(2-etoksyetylo)fosfinoetan) (Tab. 1).

Radioizotop galu-67

Gal-67 występuje w postaci silnie kwaśnych kationów na plus trzecim stopniu utlenienia (67Ga3+). Gal-67 korzystnie wiąże się z chelatorami zawierającymi anionowe grupy funkcyjne (DFO, DOTA, DTPA). Radionuklid wytwarzany jest w cyklotronie metodą protonowego bombardowania natywnej tarczy cynkowej (natZn). Produkcja izotopu 67Ga trwa w granicach 15-20 godzin. Radionuklid o wysokiej czystości izolowany jest z tarczy przez rozpuszczenie i chromatografię z wykorzystaniem organicznych żywic polimerowych zawierających groupy niewymienne z jonami.

67Ga (t1/2 = 78,3 h) rozpada się na stabilny 67Zn przez wychwytywania elektronów (ang. elektron capture) i jest szeroko stosowany w medycynie jądrowej. Chociaż koniugat 67Ga(III) z cytrynianem nie jest związkiem specyficznym dla konkretnego nowotworu, to koncentruje się w wielu typach guzów i niezłośliwych zmianach chorobowych, zwłaszcza zapalnych.

Ogólnie rzecz biorąc, 67Ga(III)-cytrynian wiąże w osoczu krwi transferyny i następnie transportowany jest do tkanek nowotworowych.

Przy zastosowaniach immunologicznych SPECT, 67Ga skoniugowany jest z przeciwciałami monoklonalnymi poprzez desferoksyaminę (DFO) lub kwas 1,4,7,10-tetraazacyklododekano-1,4,7,10-tetraoctowy (DOTA) bez utraty zdolności wiązania antygenu (Rys. 6).

Rysunek 6. Struktury przestrzenne chelatorów dwufunkcyjnych stosowanych w SPECT. Na rysunku: NOTA - kwas 1,4,7-triazacyklononano-1,4,7-trioctowy, DOTA - kwas 1,4,7,10-tetraazacyklododekano-1,4,7,10-tetraoctowy, DFO - desferoksyamina , DTPA- kwas dietylenotriaminopentaoctowy. Na rysunku: chelator połączony wiązaniem peptydowym z białkiem (-CONH-Peptide) [1,4]. Zmienione.

Radioizotop Indu-111

Ind należący do trzynastej grupy układu okresowego pierwiastków. Jedynym stabilnym stopniem utlenienia indu w roztworze wodnym jest stropień plus trzeci. Ze względu na duży rozmiar atomu 111In3+ przyjmuje liczby koordynacyjne w zakresie 7 - 8. Jest to mocno kwaśny katon, który chelatowany jest przez związki takie jak kwas dietylenotriaminopentaoctowy (DTPA), kwas 1,4,7-triazacyklononano-1,4,7-trioctowy (NOTA) oraz DOTA. 111ln (t1/2 = 68 h) jest najbardziej znanym radiometalem SPECT zaraz po 99mTc. Ten radioizotop rozpada sie przez wychwyt elektronu emitując fotony o energiach 173 oraz 247 keV, przez co znalazł szerokie zastosowanie w scyntygrafii gamma. 111ln nadaje się do tworzenia wraz z nim radiofarmaceutyków opartych na antyciałach monoklonalnych do radioimmunoobrazowania SPECT (immuno-SPECT). Radioizotop indu-111 produkowany jest w cyklotronie. Następnie zostaje oddzielony od materiału tarczy srebrowej lub kadmowej za pośrednictwem współstrącenia z La(OH)3 lub Fe(OH)3. Ostateczne wydzielenie 111In z zanieczyszczeń następuje przez chromatografię jonowymienną.

Mimo tego, że w handlu dostępne są pewne małe kompleksy 111In do SPECT, to radiometal ten przede wszystkim stosowany jest do opracowywania koniugatów z przeciwciałami monoklonalnymi do obrazowania SPECT. Najczęstszym stosowanym sposobem wiązania 111In do przeciwciała jest wykorzystanie chelatorów dwufunkcyjnych. Najbardziej opłacalnym chelatorem dla 111ln są pochodne DTPA.

W przeszłości większość badań immuno-SPECT przeprowadzano stosując jako źródło promieniotwórcze jod-131 (radionuklid niemetaliczny). Badania porównawcze pomiędzy 131I i 111ln wykazały, że ind dociera do nowotworów poprzez krew o wiele szybciej. Poza tym posiada dłuższy czas retencji radioaktywności w guzie, co przekłada się na jaśniejsze obrazy. Istnieją jednak znaczne niedogodności związane z użyciem 111In. Główną wadą jest wysoki niespecyficzny wychwyt radiometal w wątrobie, nerkach i śledzionie pacjenta. Wyeliminowanie tego problemu jest obecnie głównym nurtu badań radiochemicznych dla tego radioizotopu.

Chcąc zmniejszyć niespecyficzność wiązania radioimmunofarmaceutyków opartych na indzie-111, przeprowadzono modyfikacje chelatorów indu, takie jak wprowadzenie łącznika pomiędzy kompleksem, a nośnikiem. Obecnie nowe znakowane indem małe peptyd oraz przeciwciała monoklonalne wykazują obiecujące wyniki (mniejsze pobieranie przez nerki) w obrazowaniu SPECT. Stabilności w tkankach oraz biodystrybucja (wychwyt w guzie, wątrobie, nerkach), są porównywalne przy zastosowaniu DOTA, NOTA oraz DTPA (Rys. 6).

Ostatnio, trzy przeciwciała znakowane indem-111 (ProstaScint, OncoScint i MyoScint) zostały zatwierdzone do stosowania u ludzi. Wszystkie trzy zatwierdzone radiofarmaceutyki wykorzystują do kompleksowania indu-111 dwufunkcyjnego chelatora DTPA. Przeciwciało o nazwie handlowej ProstaScint skierowane jest na specyficzny błonowy antygen prostaty (PMSA), którego nadekspresję stwierdzono w komórkach gruczolakoraka prostaty. OncoScint lokalizuje lub wiąże się specyficznie z glikoproteinami błonowymi komórek nowotworowych TAG-72 gruczolakoraka jelita grubego i jajnika. MyoScint wiąże się z komórkami mięśnia sercowego, co pozwala obrazować jego zawał.

Podsumowanie

Technika SPECT cieszy się w dzisiejszych czasach duża popularnością w zastosowaniach diagnostyki obrazowej. Opracowywane są nowe bardziej specyficzne nośniki radionuklidów SPECT oraz nowe czujniki detektorów. Pomimo tego, że skanery PET oferują znacznie lepszą rozdzielczość obrazu to i tak skanery SPECT są stosunkowo mniej kosztowne, ze względu na dostępność opłacalnych długożyjących izotopów.

Autor: Karolina Wójciuk

Literatura

1. Eberle, A.N., Mild, G., Froidevaux, S., 2004. Receptor-Mediated Tumor Targeting with Radiopeptides. Part 1. General Concepts and Methods: Applications to Somatostatin Receptor-Expressing Tumors. J. Recept. Signal Transduct. Res. 24(4), 319-455.
2. http://withfriendship.com/user/sathvi/single-photon-emission-computed-tomography.php
3. Alexiou ,G.A., Tsiouris, S., Kyritsis, A.P., Fotakopoulos, G., Goussia, A., Voulgaris, S., Fotopoulos, A.D., 2010. The value of 99mTc-tetrofosmin brain SPECT in predicting survival in patients with glioblastoma multiforme. J. Nucl. Med. 51(12), 1923-6.
4. Bhattacharyya, S., Dixit, M., 2011. Metallic radionuclides in the development of diagnostic and therapeutic radiopharmaceuticals. Dalton Trans. 40(23), 6112-28.
5. Madsen, M.T., 2007. Recent advances in SPECT imaging. J. Nucl. Med. 48(4), 661-673.