Gli esperti in Giappone hanno escogitato un modo semplice per raccogliere informazioni più dettagliate dalle scansioni di immagini mediche standard. Un team di ricerca composto da fisici atomici ed esperti di medicina nucleare dell'Università di Tokyo e del National Institute of Radiological Sciences (NIRS) ha progettato un timer che può consentire agli scanner di tomografia a emissione di positroni (PET) di rilevare la concentrazione di ossigeno dei tessuti nei pazienti ' corpi. Questo aggiornamento agli scanner PET può portare a un futuro di migliori cure per il cancro identificando rapidamente parti di tumori con una crescita cellulare più aggressiva.

"L'esperienza dei pazienti in questa futura scansione PET sarà la stessa di adesso. Anche l'esperienza dei team medici nella conduzione della scansione sarà la stessa, solo con informazioni più utili alla fine, " ha detto il medico di medicina nucleare Dr. Miwako Takahashi del NIRS, un coautore della pubblicazione di ricerca in Fisica della comunicazione .

"Questo è stato un progetto veloce per noi, e penso che dovrebbe anche diventare un progresso medico molto veloce per i pazienti reali entro il prossimo decennio. Le aziende di dispositivi medici possono applicare questo metodo in modo molto economico, Spero, ", ha affermato l'assistente professore Kengo Shibuya della Graduate School of Arts and Sciences dell'Università di Tokyo, primo autore della pubblicazione.

Scansioni PET

I positroni da cui prendono il nome le scansioni PET sono le forme di antimateria caricate positivamente degli elettroni. A causa delle loro dimensioni ridotte e della massa estremamente ridotta, i positroni non rappresentano alcun pericolo nelle applicazioni mediche. I positroni producono raggi gamma, che sono onde elettromagnetiche simili ai raggi X, ma con lunghezze d'onda più corte.

Quando si riceve una scansione PET, un paziente riceve una piccola quantità di liquido molto debolmente radioattivo, spesso composto da molecole di zucchero modificate, di solito iniettato nel loro sangue. Il liquido circola per un breve periodo di tempo. Le differenze nel flusso sanguigno o nel metabolismo influenzano la distribuzione della radioattività. Il paziente si trova quindi in un grande, scanner PET a forma di tubo. Poiché il liquido radioattivo emette positroni che poi decadono in raggi gamma, anelli di rilevatori di raggi gamma mappano le posizioni dei raggi gamma emessi dal corpo del paziente.

I medici richiedono le scansioni PET quando hanno bisogno di informazioni non solo sulla struttura, ma anche la funzione metabolica dei tessuti all'interno del corpo. Rilevare la concentrazione di ossigeno utilizzando la stessa scansione PET aggiungerebbe un altro livello di informazioni utili sulla funzione del corpo.

Concentrazione di ossigeno misurata in nanosecondi

La vita di un positrone è una scelta di due percorsi molto brevi, entrambi iniziano quando un positrone "nasce" quando viene rilasciato dal liquido di scansione PET radioattivo. Sul sentiero più breve, il positrone si scontra immediatamente con un elettrone e produce raggi gamma. Sul sentiero un po' più lungo, il positrone si trasforma inizialmente in un altro tipo di particella chiamata positronio, che poi decade in raggi gamma. In entrambi i casi, la vita di un positrone all'interno di un corpo umano non supera i 20 nanosecondi, o un cinquantamilionesimo di secondo.

"Il risultato è lo stesso, ma la vita no. La nostra proposta è quella di distinguere la vita dei positroni utilizzando una scansione PET con un timer in modo da poter mappare le concentrazioni di ossigeno all'interno dei corpi dei pazienti, " disse Shibuya.

Shibuya e i suoi colleghi hanno sviluppato un grafico dell'aspettativa di vita per i positroni utilizzando uno scanner PET miniaturizzato per cronometrare la formazione e il decadimento dei positroni in liquidi con concentrazioni note di ossigeno.

I nuovi risultati del team di ricerca rivelano che quando la concentrazione di ossigeno è elevata, il percorso più breve è più probabile. I ricercatori prevedono che la loro tecnica sarà in grado di rilevare la concentrazione assoluta di ossigeno in qualsiasi tessuto del corpo di un paziente in base alla durata dei positroni durante una scansione PET.

È possibile rilevare la durata dei positroni utilizzando gli stessi rilevatori di raggi gamma già utilizzati dalle scansioni PET. Il team di ricerca prevede che la maggior parte del lavoro per trasferire questa ricerca dal laboratorio al letto del paziente riguarderà l'aggiornamento dei rilevatori di raggi gamma e del software in modo che i rilevatori di raggi gamma possano registrare non solo la posizione, ma anche dati temporali precisi.

"Non dovrebbe essere un grande aumento dei costi per lo sviluppo di strumenti, " ha detto il professor Taiga Yamaya, un co-autore della pubblicazione di ricerca e leader del gruppo Imaging Physics presso il NIRS.

Scansioni PET avanzate per un trattamento del cancro più efficace

Gli esperti medici hanno capito da tempo che basse concentrazioni di ossigeno nei tumori possono ostacolare il trattamento del cancro per due motivi:primo, un basso livello di ossigeno in un tumore è spesso causato da un flusso sanguigno insufficiente, che è più comune nelle piante a crescita rapida, tumori aggressivi che sono più difficili da trattare. Secondo, bassi livelli di ossigeno rendono le radiazioni meno efficaci perché gli effetti desiderati di uccidere le cellule cancerose del trattamento con radiazioni sono ottenuti in parte dall'energia delle radiazioni che converte l'ossigeno presente nelle cellule in radicali liberi dannosi per il DNA.

Così, rilevare la concentrazione di ossigeno nei tessuti del corpo informerebbe gli esperti medici su come attaccare in modo più efficace i tumori all'interno dei pazienti.

"Immaginiamo di indirizzare un trattamento con radiazioni più intenso all'aggressivo, aree a bassa concentrazione di ossigeno di un tumore e indirizzare il trattamento a bassa intensità ad altre aree dello stesso tumore per dare ai pazienti risultati migliori e meno effetti collaterali, " disse Takahashi.

Shibuya afferma che il team di ricercatori è stato ispirato a mettere in pratica un modello teorico sulla capacità dei positroni di rivelare la concentrazione di ossigeno pubblicato l'anno scorso da ricercatori in Polonia. Il progetto è passato dall'ideazione alla pubblicazione in pochi mesi anche con le restrizioni legate alla pandemia di COVID-19.

Shibuya e colleghi stanno ora mirando ad espandere il loro lavoro per trovare altri dettagli medici che potrebbero essere rivelati dalla vita di un positrone.