Obrazowanie metodą pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) od pół wieku jest jednym z filarów nowoczesnej diagnostyki, pozwalającym wykrywać nowotwory czy chorobę Alzheimera na wczesnym etapie. To potężne narzędzie ma jednak swoje ograniczenia: jest niezwykle drogie, a interpretacja obrazów bywa niejednoznaczna, często wymagając potwierdzenia inwazyjną biopsją. Co, gdybyśmy mogli z tego samego badania, przy użyciu tych samych urządzeń, wydobyć zupełnie nową warstwę informacji? Co, gdyby ta dodatkowa informacja pozwalała odróżniać typy nowotworów bez pobierania tkanki? Właśnie nad taką rewolucją, na styku fizyki jądrowej i medycyny, pracuje zespół naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.
Jak działa standardowy skan PET? Krótkie przypomnienie
Aby zrozumieć przełom, musimy najpierw przypomnieć sobie podstawy. Pacjentowi podaje się znacznik radioaktywny (radiofarmaceutyk), najczęściej połączony z cząsteczką glukozy. Znacznik ten emituje pozytony – antymaterialne odpowiedniki elektronów. Gdy pozyton napotka w ciele elektron, dochodzi do ich anihilacji, w wyniku której powstają dwa fotony (cząstki światła) rozbiegające się w przeciwnych kierunkach. Detektory skanera PET rejestrują te fotony i na tej podstawie tworzą mapę, która pokazuje, gdzie w organizmie gromadzi się znacznik.
Ponieważ komórki nowotworowe zużywają znacznie więcej glukozy niż zdrowe, wchłaniają więcej znacznika i na obrazie PET „świecą” jaśniej. Skan PET pokazuje więc funkcję metaboliczną tkanek, a nie ich strukturę, co pozwala na bardzo wczesne wykrycie choroby.
Ukryty sygnał, czyli czym jest pozytonium?
Profesor Paweł Moskal, fizyk z Uniwersytetu Jagiellońskiego, wiedział z badań w dziedzinie fizyki jądrowej, że proces anihilacji nie zawsze jest natychmiastowy. W około 40% przypadków, zanim dojdzie do anihilacji, pozyton i elektron na kilka nanosekund łączą się w egzotyczny, przypominający atom twór zwany pozytonium. To właśnie ten krótkotrwały stan jest źródłem „ukrytego sygnału”, który tradycyjne skanery PET ignorują.
Co najważniejsze, czas życia pozytonium nie jest stały. Zależy on od mikrośrodowiska, w którym powstał – od wielkości pustych przestrzeni między cząsteczkami w tkance oraz od obecności reaktywnych molekuł, takich jak tlen. Gdy tkanka staje się nowotworowa, jej struktura ulega zmianie: przestrzenie międzykomórkowe mogą się zmniejszać, a poziom tlenu spadać. Profesor Moskal i fizyk medyczna dr hab. Ewa Stępień postawili hipotezę, że te zmiany muszą wpływać na czas życia pozytonium.
Od pomiaru czasu do „wirtualnej biopsji”: nowa metoda w praktyce
Jak zmierzyć czas życia czegoś, co istnieje zaledwie kilka nanosekund? Zespół z Krakowa znalazł na to sposób. Zastosowali oni znacznik radioaktywny, który w momencie emisji pozytonu (czyli w chwili narodzin pozytonium) emituje dodatkowy, trzeci foton, tzw. foton „prompt”. Standardowe skanery traktują ten foton jako szum i go odrzucają. Jednak skaner zaprojektowany przez polski zespół jest w stanie go zarejestrować.
Mierząc czas, jaki upływa między detekcją fotonu „prompt” a detekcją dwóch fotonów z anihilacji, naukowcy mogą z niezwykłą precyzją obliczyć czas życia pozytonium. A ten czas, jak się okazało, jest nowym, potężnym biomarkerem.
| Aspekt | Standardowy skan PET | Obrazowanie czasu życia pozytonium (p-PET) |
| Rejestrowany sygnał | Dwa fotony z anihilacji | Trzy fotony (dwa z anihilacji + jeden foton „prompt”) |
| Mierzona właściwość | Intensywność metabolizmu (np. zużycie glukozy) | Czas życia pozytonium (w nanosekundach) |
| Informacja diagnostyczna | Funkcjonalna (gdzie jest aktywność metaboliczna) | Strukturalna/fizjologiczna (jaka jest mikrostruktura i skład chemiczny tkanki) |
| Potencjalne zastosowanie | Detekcja obszarów o podwyższonym metabolizmie | Różnicowanie typów tkanek, „wirtualna biopsja”, monitorowanie niedotlenienia |
Pierwsze dowody naukowe z Krakowa i ze świata
W ciągu ostatnich kilku lat zespół z UJ dostarczył mocnych dowodów na medyczny potencjał tej techniki.
- W 2021 roku opublikowali pierwszy na świecie obraz oparty na czasie życia pozytonium, porównując komórki nowotworu serca z prawidłowymi komórkami tłuszczowymi. Wykazali, że w komórkach rakowych czas życia pozytonium był znacząco krótszy.
- W 2023 roku zobrazowali pacjenta z nowotworem mózgu, potwierdzając, że czas życia pozytonium w guzie różnił się od tego w zdrowej tkance.
Te pierwsze obrazy, choć przełomowe, były stosunkowo niewyraźne, ponieważ używany znacznik (gal-68) emituje foton „prompt” tylko w 1% przypadków. Zastosowanie nowych znaczników, takich jak skand-44, który emituje ten foton w 100% przypadków, może zwiększyć czułość metody stukrotnie.
Idea ta zyskuje uznanie na świecie. Grupy badawcze w USA (University of Pennsylvania), Szwajcarii (Uniwersytet w Bernie we współpracy z Siemensem) oraz w Japonii już prowadzą własne badania nad obrazowaniem pozytonowym.
Wyzwania na drodze do kliniki: technologia, biologia i biznes
Nowa technika stoi przed kilkoma wyzwaniami. Największym z nich jest zrozumienie, jak różne czynniki (gęstość tkanki, poziom tlenu, obecność innych molekuł) składają się na ostateczny, mierzony czas życia pozytonium. Rozszyfrowanie tej złożonej zależności będzie kluczowe dla wiarygodnej interpretacji klinicznej.
Kolejną barierą jest przekonanie przemysłu medycznego do wdrożenia nowej technologii, co wymagałoby modernizacji oprogramowania i detektorów w skanerach wartych miliony dolarów. To walka, którą prof. Moskal zna aż za dobrze – jego zespół opracował również prototyp skanera PET opartego na znacznie tańszych detektorach plastikowych, który mógłby kosztować zaledwie 10-20% ceny obecnych urządzeń, ale firmy komercyjne nie były zainteresowane.
Mimo to przyszłość wygląda obiecująco. Pojawienie się nowej generacji skanerów „całego ciała” (full-body PET), które są znacznie czulsze, może przyspieszyć adopcję tej techniki, ponieważ są one w stanie rejestrować wszystkie trzy fotony przy minimalnych modyfikacjach. Jak podsumowuje Adrien Hourlier, fizyk z Uniwersytetu w Strasburgu: „Jesteśmy świadkami narodzin nowego rodzaju obrazowania”.
Najczęściej zadwane pytania (FAQ)
- Czy ta nowa technika jest bardziej obciążająca dla pacjenta?
Nie. Z punktu widzenia pacjenta procedura wygląda dokładnie tak samo jak standardowy skan PET. Podaje mu się tę samą lub bardzo podobną dawkę znacznika radioaktywnego. Cała „magia” dzieje się na poziomie detekcji i analizy danych, bez dodatkowego obciążenia dla organizmu. - Czym jest „foton prompt”?
Jest to foton gamma emitowany przez jądro atomowe znacznika (np. skandu-44) niemal natychmiast po emisji pozytonu. Jego pojawienie się jest sygnałem „start” dla pomiaru czasu życia pozytonium. Sygnałem „stop” jest detekcja dwóch fotonów z anihilacji. - Czy skaner prof. Moskala z plastikowymi detektorami wejdzie do użytku?
Mimo początkowego braku zainteresowania ze strony dużych firm, zespół nie poddaje się. Obecnie rozwijają wersję „całego ciała” oraz mobilną wersję swojego tańszego skanera. Mają nadzieję, że obiecujące wyniki obrazowania pozytonowego przekonają rynek również do ich innowacyjnej konstrukcji detektorów. - Co to jest „wirtualna biopsja”?
To koncepcja, w której na podstawie analizy czasu życia pozytonium można by określić mikrostrukturę i skład chemiczny tkanki z taką precyzją, że pozwoliłoby to na postawienie diagnozy (np. odróżnienie łagodnej zmiany od złośliwej) bez konieczności chirurgicznego pobierania próbki tkanki. - Kiedy ta technologia może trafić do szpitali?
Jest to wciąż technika na wczesnym etapie badawczym. Zanim zostanie dopuszczona do rutynowego użytku klinicznego, musi przejść szeroko zakrojone badania walidacyjne na dużych grupach pacjentów, co może potrwać kilka lat. Jednak wyścig o uzyskanie zgody na badania na ludziach z użyciem skandu-44 już trwa.
Publikacje wykonane przez nas w podobnej tematyce
- Charakterystyka czasowa detektorów scyntylacyjnych opartych na tworzywach sztucznych w trójfotonicznym obrazowaniu medycznym.
- Korelacja między czasem życia pozytonium a stopniem niedotlenienia w modelach ksenograftów raka trzustki.
- Algorytmy rekonstrukcji obrazu dla pozytonowej tomografii emisyjnej z pomiarem czasu życia (p-PET).
- Synteza i ocena przedkliniczna radiofarmaceutyków opartych na skandzie-44 do obrazowania receptorów somatostatynowych.
- Wpływ składu lipidowego błon komórkowych na anihilację pozytonium w komórkach nowotworowych.
Pomysł na doktorat
Tytuł: Opracowanie algorytmów uczenia maszynowego do dekonwolucji sygnałów czasu życia pozytonium w celu jednoczesnego mapowania mikrostruktury i niedotlenienia tkanek nowotworowych.
Opis: Praca badawcza skupiałaby się na stworzeniu zaawansowanego modelu obliczeniowego, który na podstawie złożonych danych o rozkładzie czasów życia pozytonium byłby w stanie rozdzielić wpływ różnych czynników (np. wielkości porów, stężenia tlenu, obecności wolnych rodników). Celem byłoby przekształcenie surowego sygnału fizycznego w kilka odrębnych, klinicznie interpretowalnych map fizjologicznych guza, co stanowiłoby kluczowy krok w kierunku „wirtualnej biopsji”.