Нейронауки для всех. Методы: позитронно-эмиссионная томография

Медицина знает немало случаев, когда у внешне здоровых людей обнаруживались запущенные злокачественные новообразования либо с затрагиванием множества регионарных лимфоузлов, либо и вовсе с метастазами в другие системы органов. При этом людей ранее даже могли обследовать, делая рентген или проводя КТ. Очень точно опухоли мозга – например, глиомы – видит МРТ. Но иногда для того, чтобы найти опухолевый процесс на ранней стадии развития, бывает недостаточно даже сверхточных «фотографий» внутренних органов.  Кроме того, очень хочется увидеть активность работы мозга – и функциональной магниторезонансной томографии может не хватить. И тогда в действие вступает позитронно-эмиссионная томография или просто ПЭТ (не путать с материалом для бутылок – полиэтилентерефталатом!).

позитронно-эмиссионная томография
ПЭТ головного мозга

Удивительно, но первые работы по ПЭТ появились едва ли не раньше, чем попытки создать магнитно-резонансную или даже компьютерную томографию. То же самое можно сказать и о работающих прототипах. Основополагающая статья о ПЭТ вышла в 1975 году в журнале Radiology. Сложно поверить, но уже более 40 лет назад был построен первый прототип томографа. Правда, тогда он назывался ПЭТТ – позитронно-эмиссионный трансаксиальный томограф. Посмотрите, как выглядел этот прототип, созданный Майклом Тер-Погоссяном и его коллегами. На его примере хорошо показать принцип работы ПЭТ.

позитронно-эмиссионная томография
Первый прототип ПЭТ

Это кажется невероятным, но главный физический принцип в ПЭТ – это аннигиляция вещества и антивещества. Нам нужен короткоживущий изотоп, который распадается по бета(+)-распаду, испуская открытый в 1932 году в космических лучах позитрон, античастицу к электрону. Мы делаем органическую молекулу, меченную атомом этого изотопа – так называемый радиофармпрепарат (РФП), который вводится в организм. В организме происходит распад атома, позитрон, столкнувшись с первым атомом на своем пути, взаимодействует с электроном. Они аннигилируют, испуская два энергичных фотона – гамма-кванта.

Итак, здесь, в прототипе, образец – просто ткань с радиофармпрепаратом или животное, в кровь которого введен препарат окружен 24 гексагонально расположенными сцинциляционными детекторами (шесть групп по четыре детектора) на основе йодида натрия, активированного таллием. Когда в них попадал гамма-квант, в кристаллах возникало свечение, которое фиксировал фотоэлектронный умножитель. По тому, какие детекторы «включились», можно было установить, из какой точки анализируемого образца или животного вылетели два гамма-кванта, просто проведя прямые-продолжения трубок-детекторов до их пересечения. Удивительно, но даже на таких примитивных устройствах удавалось получать изображения. Вот, например, изображение позвонка собаки.

позитронно-эмиссионная томография

Сейчас принцип тот же самый, только детекторов больше и они расположены в «трубе» томографа. Сами детекторы представляют собой сцинциляционные счетчики – проходящиесквозь кристаллы, например, оксиортосиликата лютеция Lu2SiO5 гамма-кванты вызывают свечение, которое регистрируют фотоумножители.

позитронно-эмиссионная томография
Схема работы ПЭТ

Итак, позитроны доставляются в организм с помощью специальных радиофармпрепаратов (РФП), которые представляют собой любое биологически активное вещество, меченное позитрон-излучающим при бета (+)-распаде изотопом. Вещество выбирается в зависимости от того, какой процесс собираются изучать: экспрессию генов, внутриклеточный метаболизм или транспорт различных веществ по организму. Такое разнообразие делает ПЭТ довольно универсальным средством диагностики, которое помогает поставить точный диагноз не только в онкологии, но и в кардиологии, неврологии или эндокринологии.

В нейровизуализации в качестве биологически активного соединения чаще всего выбирают глюкозу, которую метят изотопом фтор-18 с периодом полураспада чуть более 109 минут. Наш мозг занимает всего два процента массы тела, но потребляет 20% всей энергии. А энергию он берет из глюкозы. Поэтому для исследования головного мозга сначала на циклотроне производят фтор-18, затем синтезируют фтордеоксиглюкозу (ФДГ), в которой одна группа –OH заменена на 18F. Используется ПЭТ и при диагностике болезни Паркинсона, и тогда синтезируется радиофармпрепарат на основе леводопы.

позитронно-эмиссионная томография
Фтородеоксиглюкоза

После этого радиофармпрепарат необходимо максимально быстро доставить в диагностический центр, где его уже введут пациенту и проведут процедуру регистрации. В крупных ПЭТ-центрах есть собственные циклотроны, что облегчает ситуацию, однако есть страны, в которых радиофармпрепараты делают централизованно, а затем самолетами развозят по медицинским центрам.

По продолжительности процедура занимает около полутора-двух часов. Чуть более получаса отводится на распределение препарата по тканям, а затем человека кладут на кушетку сканирующего аппарата и визуализируют картину метаболической активности тканей. Поражённые органы захватывают препарат наиболее сильно, в их зоне выделяется большее количество энергии, поэтому на изображении они начинают светиться, таким образом маркируя проблему. Для того, чтобы добиться особой точности, во время ПЭТ проводится компьютерная томография, и снимки накладываются на цветное изображение обмена веществ, позволяя максимально чётко увидеть место поражения и уже сформировать тактику лечения.

позитронно-эмиссионная томография
ПЭТ-сканирование всего тела с ФДГ

Если же исследовать активность мозга, то ПЭТ дает лучшее разрешение и меньшую временную задержку, чем фМРТ. Массовому применению этого метода в нейронауках мешает только одно: он очень дорогой.

У ПЭТ есть несколько основных преимуществ: во-первых, метод позволяет исследовать сразу все органы, имея при этом дозу облучения, сравнимую с КТ. Во-вторых, он «видит» малейшие сдвиги в метаболизме ткани задолго до того, пока сформируется органический очаг. Это не под силу обычному рентгену, УЗИ или даже МРТ. В-третьих, позитронно-эмиссионная томография способна определить размеры даже незначительных метастазов до нескольких миллиметров в диаметре, уточнить их локализацию, а также проследить за эффективностью назначенного лечения. К слову, точность стандартной КТ колеблется в пределах 80%, тогда как точность ПЭТ достигает 90-95% при той же безопасности и безболезненности.

Но есть и минусы. Во-первых, необходимость быстрой доставки радиофармпрепарата. Конечно, период полураспада 18F не означает, что через 109 минут у вас ничего не останется, но, тем не менее, активность препарата за это время снижается вдвое. Ну и к тому же метод очень дорогой, ведь РФП готовят для каждого конкретного пациента буквально перед процедурой. ПЭТ-КТ головного мозга в России стоит более 40 000 рублей. Не нужно думать, что в других странах это дешевле, наоборот: рекомендуемая цена в Великобритании – около 700 фунтов стерлингов, в Канаде – 1200 канадских долларов.

Помимо нейронаук и онкологии позитронно-эмиссионная томография позволяет выявить нарушения в кровоснабжении, поэтому её можно использовать для диагностики ишемии сердца, а также с её помощью по очагам сниженного кровотока находить старые инфаркты миокарда. Продуктивна ПЭТ и в клинической неврологии: она прекрасно определяет очаги повышенной активности при эпилепсии, что даёт возможность уточнить объём хирургического вмешательства, а также найти на ранней стадии и поставить дифференциальный диагноз между разными нейродегенеративными заболеваниями.

позитронно-эмиссионная томография
ПЭТ-КТ-изображения
позитронно-эмиссионная томография
ПЭТ-КТ сканер

Нужно сказать, что ПЭТ в XXI веке получила дальнейшее развитие. В 2000 году вышла статья, в которой описывалось объединение ПЭТ и компьютерной томографии (ПЭТ-КТ), а в 2008 – объединение ПЭТ с МРТ. Сейчас ПЭТ/КТ уже стала золотым стандартом в некоторых в некоторых видах исследований, появились и серийные установки ПЭТ/МРТ.

Текст: Анна Хоружая, Алексей Паевский

Ссылка на источник