2013. feb 25.

53. PET, avagy a gamma fotonokat elkapó mosógép

írta: _Maverick
53. PET, avagy a gamma fotonokat elkapó mosógép

Ma tudósaink az emberi agy feltérképezésén dolgoznak, hogy megtalálják az Alzheimer-kór gyógymódját...”

-Barack Obama /State of the Union, 2012/-

pet_scan.jpgAz emberi agy a természet egyik – ha nem „A” - legcsodálatosabb vívmánya. Egy rendkívül bonyolult rendszer, melynek megértése a tudomány egyik legnagyobb kihívása. Napjainkban a számítástechnika fejlődése és az érdekesebbnél érdekesebb kísérletek eredményeként felgyülemlő tények számának növekedése következtében minden eddiginél közelebb jutott az emberiség ezen célhoz. Az agykutatás fejlődését évszázadokon át bénító dogmák mára mind ledőlni látszanak, a tudományterület pedig egyre inkább az érdeklődés középpontjába kerül. Olyannyira, hogy a tudományokért láthatólag lelkesedő Obama elnök külön kiemelte évértékelő beszédében.

Ahhoz, hogy egy cikksorozatban elkezdhessük a közelmúlt legelképesztőbb felismeréseinek tárgyalását – persze szó volt már a fénnyel vezérelhető neuronokról, vagy éppen a hatodik érzékkel felruházott patkányokról, de itt most konkrétan az emberi agyra gondolunk -, először meg kell értenünk, hogy maguk a tudósok milyen módszerekkel vizsgálhatják szürkeállományunkat. Szó esett már az fMRI technikáról, most pedig a pozitron emissziós tomográfia (PET) kerül sorra. Abban a szerencsés helyzetben vagyunk, hogy az internet bőséges tárháza készen tálalja számunkra az informatív leírást, mégpedig az egészen kiváló Akciós Potenciál blog hasábjain. Az oldal sajnos immár 14 hónapja nem frissült, de ennek ellenére érdemes elolvasni a rajta megjelent bejegyzéseket, mert időtálló ismereteket fogalmaztak meg a szerzők közérthető formában. Tovább után a szó tehát az Akciós Potenciál blog íróié, egy majdnem napra pontosan 5 éves cikk felelevenítése formájában.  

"A funkcionális mágneses rezonancia eljárás azon a megfigyelésen alapszik, miszerint az egyes agyterületek aktivitása és vérellátása között összefüggés áll fenn. Ugyanezen az elven nyugszik a pozitron emissziós tomográfia (PET) is, azonban a véráram változásának követésére ez esetben egy egészen eltérő módszert alkalmazunk. Az fMRI esetében a vérben található paramágneses tulajdonságú deoxihemoglobin koncentrációját követtük, a PET-nél azonban speciális, pozitron sugárzó vegyületeket használunk, melyeket kívülről juttatunk be a vizsgált személy véráramába.


Nem mosógép, PET-scanner


Az fMRI és a PET módszereket összehasonlítva a legszembetűnőbb különbség éppen ez, vagyis hogy a PET esetében kívülről bevitt vegyületet kell alkalmaznunk a detektáláshoz. Mint majd látni fogjuk, ez egyrészt előny, másrészt hátrány is. Előbb nézzük meg azonban, miért van szükség erre a megoldásra.

A PET módszer hátterében az áll, hogy egyes elemek spontán bomlása során pozitronok szabadulnak fel. A kisugárzott pozitron (vagyis antielektron, tehát antianyag) nem sokáig húzza a normál anyagból felépülő térben. Amint egy elektronnal találkozik, az annihilációnak nevezett folyamat során mindketten megsemmisülnek és a megsemmisülés helyszínén két azonos energiájú (511 keV-os) gamma foton keletkezik, amelyek egymással ellentétes irányban eltávoznak. Ezt a két gamma fotont detektálja azután a vizsgált személy körül gyűrű alakban elhelyezkedő PET-scanner.


Pozitron annihiláció


A pozitron bomlást produkáló elemek azonban meglehetősen instabilak, gyorsan elbomlanak, emiatt a természetben gyakorlatilag nem fordulnak elő. Vagyis ha ilyen vegyületeket szeretnénk használni jelforrásként az agyban, akkor azokat nekünk kell oda bejuttatni. A gyakorlatban erre a célra elsősorban a 18F, 15O, 13N és 11C izotópokat használják. Kutatási célokra ezek közül is leginkább a 15O-val jelölt H2O-t, amit intravénásan beadva a véráramlás lokális mértéke követhető. Ezen a módon tehát körülbelül ugyanazt a folyamatot figyelhetjük meg, mint a már tárgyalt fMRI-vel, itt az ideje hát, hogy megvizsgáljuk a kettő közötti különbségeket. A gyakorlati alkamazás szempontjából a leglényegesebb különbség, hogy a PET módszernél alkalmazott jelforrások olyan instabilak (a 15O felezési ideje mindössze 2 perc), hogy ezeket a helyszínen kell előállítani, ami egy ciklotron felszerelését és kezelését, tehát további jelentős költségeket jelent. További hátránya a PET-nek, hogy még a szintén meglehetősen rossz, 1 mm körüli térbeli felbontással rendelkező fMRI-nél is gyengébben képes a jelforrás lokalizációjára. A bomlás során felszabaduló pozitronok ugyanis néhány mm-t is megtesznek az agyszövetben, mielőtt beleütköznének egy elektronba, azaz a PET térbeli felbontása ennél jobb elvileg sem lehet.

Miért érdemes akkor mégis PET-et alkalmazni az fMRI helyett? Ha a célunk az, hogy egyes agyterületek normál agyműködés során létrejövő aktivitás változását kövessük, akkor a PET az esetek nagy részében valóban nem alternatívája az fMRI-nek. Létezik ugyanakkor egy hatalmas előnye is. Az fMRI esetében ugyanis egyetlen folyamatot, a deoxihemoglobin koncentráció változását tudjuk követni. A PET-nél azonban bármilyen folyamatot monitorozhatunk, ha annak valamely szereplőjét egy pozitron forrással meg tudjuk jelölni. Tegyük fel például, hogy meg szeretnénk tudni, hogyan oszlik el egy bizonyos gyógyszer az agyban. Ehhez nem kell mást tennünk, mint elkészíteni a gyógyszer hatóanyagának jelölt változatát, beadni a betegnek, majd feltérképezni, honnan kapjuk a PET jelet. Hasonlóan, ha mondjuk egy adott betegség esetében fellépő metabolikus zavarokat akarunk vizsgálni, akkor a metabolikus útvonalakban kulcsszerepet játszó glükóz jelzett formáját (a klinikai gyakorlatban többnyire 18F-FDG-t) kell beadnunk. Az fMRI-vel összehasonlítva tehát a PET némileg kedvezőtlenebb paraméterekkel rendelkezik és jóval drágább annál, de több, eltérő hátterű folyamat követésére képes.


Egy agytumor kombinált PET/CT felvétele


A PET-ről szólva végül meg kell említenünk annak kisöccsét, a single-photon emission computer tomographyt (SPECT). A SPECT gyakorlatilag egy egyszerűsített PET-nek tekinthető, amelyben nem egy bomlásból származó pozitron kelti a detektálandó gamma fotonokat, hanem azok közvetlenül egy gamma sugárzó forrásból (többnyire 99Tc vagy 123I) származnak. A SPECT igen rossz térbeli felbontása és a felhasznált izotópok bioinkompatibilis volta (az oxigénnel ellentétben a jód csak igen korlátozottan fordul elő a szervezetben, technécium pedig egyáltalán nem) ellenére a SPECT sokszor mégis a PET alternatíváját jelentheti lényegesen alacsonyabb árának köszönhetően."

Források

Akciós Potenciál blog

 

Szólj hozzá

agykutatás fókuszpont PET fMRI