Experts in Japan hebben een eenvoudige manier bedacht om meer gedetailleerde informatie te halen uit standaard scans voor medische beeldvorming. Een onderzoeksteam bestaande uit atoomfysici en experts op het gebied van nucleaire geneeskunde van de Universiteit van Tokio en het National Institute of Radiological Sciences (NIRS) heeft een timer ontworpen waarmee positronemissietomografie (PET)-scanners de zuurstofconcentratie van weefsels bij patiënten kunnen detecteren ' lichamen. Deze upgrade naar PET-scanners kan leiden tot een toekomst van betere kankerbehandeling door snel delen van tumoren met agressievere celgroei te identificeren.

"De ervaring van patiënten in deze toekomstige PET-scan zal hetzelfde zijn als nu. De ervaring van medische teams met het uitvoeren van de scan zal ook hetzelfde zijn, alleen met meer nuttige informatie aan het einde, " zei nucleair geneeskundige Dr. Miwako Takahashi van het NIRS, een co-auteur van de onderzoekspublicatie in Communicatie Fysica .

"Dit was een snel project voor ons, en ik denk dat het binnen het volgende decennium ook een zeer snelle medische vooruitgang moet worden voor echte patiënten. Bedrijven in medische hulpmiddelen kunnen deze methode zeer economisch toepassen, Ik hoop, " zei assistent-professor Kengo Shibuya van de University of Tokyo Graduate School of Arts and Sciences, eerste auteur van de publicatie.

PET-scans

De positronen waar PET-scans naar vernoemd zijn, zijn de positief geladen antimaterievormen van elektronen. Door hun kleine formaat en extreem lage massa, positronen vormen geen gevaar in medische toepassingen. Positronen produceren gammastraling, die elektromagnetische golven zijn, vergelijkbaar met röntgenstralen, maar met kortere golflengten.

Bij het ontvangen van een PET-scan, een patiënt krijgt een kleine hoeveelheid zeer zwak radioactieve vloeistof, vaak samengesteld uit gemodificeerde suikermoleculen, meestal in hun bloed geïnjecteerd. De vloeistof circuleert voor een korte tijd. Verschillen in bloedstroom of metabolisme beïnvloeden hoe de radioactiviteit wordt verdeeld. De patiënt ligt dan in een grote, buisvormige PET-scanner. Omdat de radioactieve vloeistof positronen uitzendt die vervolgens vervallen in gammastraling, ringen van gammastraaldetectoren brengen de locaties in kaart van gammastralen die door het lichaam van de patiënt worden uitgezonden.

Artsen vragen om PET-scans wanneer ze informatie nodig hebben over niet alleen de structuur, maar ook de metabolische functie van weefsels in het lichaam. Het detecteren van zuurstofconcentratie met dezelfde PET-scan zou een nieuwe laag nuttige informatie over de functie van het lichaam toevoegen.

Zuurstofconcentratie gemeten in nanoseconden

Het leven van een positron is een keuze uit twee zeer korte paden, die beide beginnen wanneer een positron wordt "geboren" terwijl het vrijkomt uit de radioactieve PET-scanvloeistof. Op het kortere pad, het positron botst onmiddellijk met een elektron en produceert gammastralen. Op het iets langere pad, het positron transformeert in eerste instantie in een ander type deeltje, een positronium genaamd, die vervolgens vervalt in gammastraling. Hoe dan ook, de levensduur van een positron in een menselijk lichaam is niet langer dan 20 nanoseconden, of een vijftig miljoenste van een seconde.

"Het resultaat is hetzelfde, maar de levensduur niet. Ons voorstel is om de levensduur van positronen te onderscheiden met behulp van een PET-scan met een timer, zodat we zuurstofconcentraties in het lichaam van patiënten in kaart kunnen brengen, ' zei Shibuya.

Shibuya en zijn collega's ontwikkelden een levensverwachtingsgrafiek voor positronen met behulp van een geminiaturiseerde PET-scanner om de vorming en het verval van positronen in vloeistoffen met bekende zuurstofconcentraties te timen.

De nieuwe resultaten van het onderzoeksteam laten zien dat wanneer de zuurstofconcentratie hoog is, de kortere weg is waarschijnlijker. Onderzoekers voorspellen dat hun techniek in staat zal zijn om de absolute zuurstofconcentratie in elk weefsel van het lichaam van een patiënt te detecteren op basis van de levensduur van positronen tijdens een PET-scan.

Het detecteren van de levensduur van positronen is mogelijk met dezelfde gammastralingsdetectoren die PET-scans al gebruiken. Het onderzoeksteam voorspelt dat het grootste deel van het werk om dit onderzoek van het laboratorium naar het bed over te brengen, zal bestaan ​​uit het upgraden van gammastraaldetectoren en software, zodat de gammastraaldetectoren niet alleen de locatie, maar maar ook nauwkeurige tijdgegevens.

"Het zou niet zo'n grote kostenstijging moeten zijn voor de ontwikkeling van instrumenten, " zei professor Taiga Yamaya, een co-auteur van de onderzoekspublicatie en leider van de Imaging Physics Group bij het NIRS.

Verbeterde PET-scans voor een effectievere kankerbehandeling

Medische experts begrijpen al lang dat lage zuurstofconcentraties in tumoren de behandeling van kanker kunnen belemmeren om twee redenen:een laag zuurstofgehalte in een tumor wordt vaak veroorzaakt door onvoldoende doorbloeding, wat vaker voorkomt bij snelgroeiende, agressieve tumoren die moeilijker te behandelen zijn. Tweede, lage zuurstofniveaus maken bestraling minder effectief omdat de gewenste kankerceldodende effecten van bestralingsbehandeling gedeeltelijk worden bereikt door de stralingsenergie die zuurstof in de cellen omzet in DNA-beschadigende vrije radicalen.

Dus, het detecteren van de zuurstofconcentratie in lichaamsweefsels zou medische experts informeren hoe tumoren in patiënten effectiever kunnen worden aangepakt.

"We stellen ons voor dat we ons richten op een intensievere bestralingsbehandeling voor de agressieve, gebieden van een tumor met een lage zuurstofconcentratie en behandeling met een lagere intensiteit richten op andere gebieden van dezelfde tumor om patiënten betere resultaten en minder bijwerkingen te geven, ' zei Takahashi.

Shibuya zegt dat het team van onderzoekers werd geïnspireerd om een ​​theoretisch model in de praktijk te brengen over het vermogen van positronen om zuurstofconcentratie te onthullen, dat vorig jaar door onderzoekers in Polen werd gepubliceerd. Het project ging in slechts een paar maanden van concept naar publicatie, zelfs met beperkingen in verband met de pandemie van COVID-19.

Shibuya en collega's streven er nu naar hun werk uit te breiden om andere medische details te vinden die tijdens de levensduur van een positron kunnen worden onthuld.