Позитронно-эмиссионная томография головного мозга

Форма позитронно-эмиссионной томографии

Позитронно-эмиссионная томография головного мозга — это разновидность позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая используется для измерения метаболизма мозга и распределения экзогенных радиоактивно меченных химических веществ по всему мозгу. ПЭТ измеряет выбросы радиоактивно меченных метаболически активных химических веществ, которые были введены в кровоток. Данные о выбросах, полученные при ПЭТ головного мозга, обрабатываются на компьютере для получения многомерных изображений распределения химических веществ по всему мозгу. ^{[1] : 57}

Процесс

Используемые радиоизотопы , излучающие позитроны , обычно производятся с помощью циклотрона , и химические вещества помечаются этими радиоактивными атомами. В клиниках обычно используются радиоизотопы 18F (фторид) , 11C (углерод) и 15O (кислород) . Меченое соединение, называемое радиофармпрепаратом или радиолигандом , вводится в кровоток и в конечном итоге через кровообращение попадает в мозг. Детекторы ПЭТ-сканера обнаруживают радиоактивность по мере того, как соединения заряжаются в различных областях мозга. Компьютер использует данные, собранные детекторами, для создания многомерных (обычно трехмерных объемных или четырехмерных, изменяющихся во времени) изображений, которые показывают распределение радиофармпрепарата в мозге с течением времени. Особенно полезен широкий спектр лигандов , используемых для картирования различных аспектов активности нейромедиаторов, причем наиболее часто используемым индикатором ПЭТ является меченая форма глюкозы, такая как фтордезоксиглюкоза ( 18 F) . ^[2]

Преимущества и недостатки

Наибольшим преимуществом ПЭТ-сканирования является то, что различные соединения могут показывать поток и кислорода , и метаболизм глюкозы в тканях работающего мозга. Эти измерения отражают интенсивность мозговой активности в различных областях мозга и позволяют нам больше узнать о том, как работает мозг. ПЭТ-сканирование превосходило все другие методы метаболической визуализации с точки зрения разрешения и скорости выполнения (всего 30 секунд), когда они впервые стали доступны. Улучшенное разрешение позволило лучше изучить область мозга, активируемую конкретной задачей. Самый большой недостаток ПЭТ-сканирования заключается в том, что из-за быстрого распада радиоактивности оно ограничивается мониторингом коротких задач. ^{[1] : 60}

Использование

Изображения, полученные с помощью ПЭТ (аксиальные срезы), показывают влияние хронического воздействия препарата на различные белки, участвующие в нейротрансмиссии дофамина (ДА), и на функцию мозга (по оценке метаболизма глюкозы в мозгу). Хотя некоторые эффекты являются общими для многих наркотиков, которыми злоупотребляют, другие более специфичны. К ним относится снижение уровня моноаминоксидазы B в мозге (фермента, участвующего в метаболизме DA) у курильщиков сигарет. Радужная шкала использовалась для кодирования ПЭТ-изображений; Концентрация радиофармпрепарата отображается сверху вниз в виде красного > желтого > зеленого > синего. ^[3]

До того, как использование функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) стало широко распространенным, ПЭТ-сканирование было предпочтительным методом функциональной (в отличие от структурной) визуализации мозга, и оно до сих пор продолжает вносить большой вклад в нейробиологию . ПЭТ-сканирование также полезно в стереотаксической хирургии под контролем ПЭТ и радиохирургии для лечения внутричерепных опухолей, артериовенозных мальформаций и других состояний, поддающихся хирургическому лечению. ^[4]

ПЭТ-сканирование также используется для диагностики заболеваний головного мозга, в первую очередь потому, что опухоли головного мозга, инсульты и нейронодегенеративные заболевания (такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона) вызывают серьезные изменения в метаболизме мозга, что, в свою очередь, вызывает заметные изменения при ПЭТ-сканировании. ПЭТ, вероятно, наиболее полезна в ранних случаях некоторых деменций (классическими примерами являются болезнь Альцгеймера и болезнь Пика ), когда ранние повреждения слишком диффузны и слишком мало влияют на объем мозга и общую структуру, чтобы изменить КТ и стандартные изображения МРТ настолько, чтобы их можно было способны надежно отличить ее от «нормального» диапазона кортикальной атрофии, которая возникает с возрастом (у многих, но не у всех) людей и не вызывает клинической деменции.

ПЭТ также активно используется при рассеянном склерозе и других приобретенных демиелинизирующих синдромах , но в основном для исследования патогенеза, а не диагностики. Они используют специфические радиолиганды для активности микроглии . В настоящее время широко используется белок-транслокатор массой 18 кДа (TSPO). ^[5] Также иногда проводят комбинированную ПЭТ-КТ . ^[6]

Типы трассеров

ПЭТ-визуализация с кислородом -15 косвенно измеряет приток крови к мозгу. В этом методе повышенный сигнал радиоактивности указывает на усиление кровотока, что, как предполагается, коррелирует с повышенной активностью мозга. Из-за периода полураспада О-15 для такого использования его необходимо подавать непосредственно из медицинского циклотрона , что затруднительно.

ПЭТ-визуализация с 18F-ФДГ использует тот факт, что мозг обычно быстро потребляет глюкозу. Стандартная ПЭТ головного мозга с 18F-ФДГ измеряет региональное использование глюкозы и может использоваться в невропатологической диагностике.

• Пример : Патологии головного мозга, такие как болезнь Альцгеймера, значительно снижают мозговой метаболизм глюкозы и кислорода одновременно. Следовательно, ПЭТ головного мозга с 18F-ФДГ также можно использовать для успешной дифференциации болезни Альцгеймера от других процессов деменции, а также для ранней диагностики болезни Альцгеймера. Преимуществом ПЭТ 18F-ФДГ для этих целей является его гораздо более широкая доступность. Некоторые радиоактивные индикаторы, используемые при болезни Альцгеймера, — это флорбетапир 18F , флютеметамол F18 , PiB и флорбетабен 18F , которые используются для обнаружения бляшек бета-амилоида (потенциального биомаркера болезни Альцгеймера) в мозге.
• Примеры : ПЭТ-визуализация с ФДГ также может использоваться для локализации очага приступа : во время межприступного сканирования очаг приступа будет выглядеть как гипометаболический. Для ПЭТ было разработано несколько радиотрейсеров (т.е. радиолигандов ), которые являются лигандами для конкретных подтипов нейрорецепторов , таких как [ ¹¹ C] раклоприд , [ ¹⁸ F] фаллиприд и [ ¹⁸ F] десметоксифаллиприд для дофаминовых рецепторов D2/D3, [ ¹¹ C] McN 5652. и [ ¹¹ C] DASB для переносчиков серотонина , [ ¹⁸ F] Mefway для рецепторов серотонина 5HT1A , [ ¹⁸ F] Нифен для никотиновых рецепторов ацетилхолина или субстратов ферментов (например, 6- FDOPA для фермента AADC ). Эти агенты позволяют визуализировать пулы нейрорецепторов в контексте множества нервно-психических и неврологических заболеваний.
• Пример : ПЭТ-визуализация с 18F-ФДГ может использоваться для оценки метаболизма глюкозы при остром ишемическом инсульте . ^[7] Некоторые следы, используемые при ишемическом инсульте, представляют собой воду, меченную кислородом-15 , [ ¹⁸ F] FMISO . ^{[8] [9]}

Разработка ряда новых зондов для неинвазивной ПЭТ-визуализации нейроагрегатов в головном мозге человека поставила визуализацию амилоида на порог клинического использования. Самыми ранними зондами для визуализации амилоида были 2-(1-{6-[(2-[ ¹⁸ F]фторэтил)(метил)амино]-2-нафтил}этилиден)малононитрил ([ ¹⁸ F]FDDNP) ^[10], разработанный в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и N-метил-[ ¹¹ C]2-(4'-метиламинофенил)-6-гидроксибензотиазол ^[11] (названный питтсбургским соединением B ) разработали в Питтсбургском университете. Эти зонды для визуализации амилоида позволяют визуализировать амилоидные бляшки в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера и могут помочь клиницистам в постановке положительного клинического диагноза БА прижизненно и в разработке новых антиамилоидных методов лечения. [ ¹¹ C]PMP (N-[ ¹¹ C]метилпиперидин-4-ил пропионат) представляет собой новый радиофармацевтический препарат, используемый в ПЭТ-визуализации для определения активности ацетилхолинергической нейромедиаторной системы, действуя в качестве субстрата для ацетилхолинэстеразы. Посмертное обследование пациентов с АД показало снижение уровня ацетилхолинэстеразы. [ ¹¹ C]PMP используется для картирования активности ацетилхолинэстеразы в головном мозге, что может позволить проводить присмертную диагностику БА и помогать контролировать лечение БА. ^[12] Компания Avid Radiopharmaceuticals разработала и коммерциализирует соединение под названием флорбетапир , которое использует радионуклид более длительного действия фтор-18 для обнаружения амилоидных бляшек с помощью ПЭТ-сканирования. ^[13]

Специализированные устройства для ПЭТ головного мозга

NeuroLF – специализированная система ПЭТ головного мозга. Фото любезно предоставлено Positrigo AG, Швейцария.

В 2019 году Катана и др. ^[14] опубликовали обзорную статью «Разработка специализированных устройств для ПЭТ-визуализации мозга: последние достижения и перспективы». Различные компании по всему миру работают над разработкой специальной системы ПЭТ головного мозга для чисто исследовательских и/или рутинных клинических целей. Одной из таких компаний является Positrigo, которая работает над системой NeuroLF.

Проблемы

Одной из основных проблем разработки новых ПЭТ-трейсеров для нейровизуализации является то, что эти трейсеры должны преодолевать гематоэнцефалический барьер. Обычно используются небольшие жирорастворимые молекулы , поскольку они могут преодолевать гематоэнцефалический барьер посредством пассивной диффузии, опосредованной липидами .

Однако по мере того, как фармацевтика движется к использованию крупных биомолекул для лечения, новые исследования также сосредоточены на использовании биомолекул, таких как антитела , для индикаторов ПЭТ. Этим новым более крупным ПЭТ-индикаторам сложнее пройти через ГЭБ, поскольку они слишком велики, чтобы пассивно диффундировать через них. Поэтому недавние исследования изучают методы переноса биомолекул через ГЭБ с использованием эндогенных транспортных систем , включая переносчики, опосредованные переносчиками, такие как переносчики глюкозы и аминокислот, рецептор-опосредованный трансцитоз инсулина или трансферрина . ^[15]

Рекомендации

1. Нильссон Л.Г., Маркович Х.Дж. (1999). Когнитивная нейронаука памяти . Сиэтл: Hogrefe & Huber Publishers. п. 57.
2. Валлабхаджосула, Шанкар (2009). Молекулярная визуализация: радиофармпрепараты для ПЭТ и ОФЭКТ . Спрингер-Верлаг. ISBN 978-3-540-76735-0. ОКЛК  437345781.^{[ нужна страница ]}
3. Волков Н.Д., Фаулер Дж.С., Ван Г.Дж. (май 2003 г.). «Зависимый человеческий мозг: выводы исследований изображений». Журнал клинических исследований . 111 (10): 1444–51. дои : 10.1172/jci18533. ПМК 155054 . ПМИД  12750391. 
4. Левивье, Марк; Массажист Николас; Виклер, Дэвид; Лоренцони, Хосе; Руис, Сальвадор; Девриендт, Дэниел; Дэвид, Филипп; Десмедт, Франсуаза; Саймон, Стефан; Хутт, Пол Ван; Брочи, Жак; Гольдман, Серж (1 июля 2004 г.). «Использование стереотаксических ПЭТ-изображений при дозиметрическом планировании радиохирургии опухолей головного мозга: клинический опыт и предлагаемая классификация». Журнал ядерной медицины . 45 (7): 1146–1154. ПМИД  15235060.
5. Айрас Л., Нюлунд М., Риссанен Э. (март 2018 г.). «Оценка активации микроглии у пациентов с рассеянным склерозом с помощью позитронно-эмиссионной томографии». Границы в неврологии . 9 : 181. doi : 10.3389/fneur.2018.00181 . ПМК 5879102 . ПМИД  29632509. 
6. Мало-Пион С., Ламберт Р., Декари Дж.К., Терпин С. (февраль 2018 г.). «Визуализация приобретенного демиелинизирующего синдрома с помощью ПЭТ/КТ с 18F-ФДГ». Клиническая ядерная медицина . 43 (2): 103–105. doi :10.1097/RLU.0000000000001916. ПМИД  29215409.
7. Насу, Сейджи; Хата, Такаши; Накадзима, Тору; Сузуки, Ютака (май 2002 г.). «Оценка ¹⁸ F-ФДГ ПЭТ при остром ишемическом инсульте: оценка гипернакопления вокруг поражения». Каку Игаку . 39 (2): 103–110. OCLC  111541783. PMID  12058418. NAID  10025136171.
8. Дердейн, Колин П.; Виден, Том О.; Симмонс, Николас Р.; Юндт, Кент Д.; Фрич, Сюзанна М.; Грабб, Роберт Л.; Пауэрс, Уильям Дж. (август 1999 г.). «Метод ПЭТ на основе подсчета для прогнозирования ишемического инсульта у пациентов с симптоматической окклюзией сонной артерии». Радиология . 212 (2): 499–506. doi : 10.1148/radiology.212.2.r99au27499. ПМИД  10429709.
9. Рид, SJ; Хирано, Т.; Эбботт, DF; Сачинидис, Дж.И.; Точон-Данги, HJ; Чан, Дж.Г.; Иган, ГФ; Скотт, AM; Бладин, CF; Маккей, WJ; Доннан, Джорджия (1 декабря 1998 г.). «Идентификация гипоксической ткани после острого ишемического инсульта с использованием ПЭТ и 18F-фтормисонидазола». Неврология . 51 (6): 1617–1621. дои : 10.1212/WNL.51.6.1617. PMID  9855512. S2CID  34075.
10. Агдеппа Э.Д., Кепе В., Лю Дж., Флорес-Торрес С., Сатьямурти Н., Петрик А. и др. (декабрь 2001 г.). «Характеристики связывания радиофторированных производных 6-диалкиламино-2-нафтилэтилидена в качестве зондов для визуализации позитронно-эмиссионной томографии для бета-амилоидных бляшек при болезни Альцгеймера». Журнал неврологии . 21 (24): RC189. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-24-j0004.2001. ПМК 6763047 . ПМИД  11734604. 
11. Матис Калифорния, Бачкай Б.Дж., Кайдаш С.Т., Маклеллан М.Э., Фрош М.П., ​​Хайман Б.Т. и др. (февраль 2002 г.). «Липофильное производное тиофлавина-Т для визуализации амилоида в головном мозге с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)». Письма по биоорганической и медицинской химии . 12 (3): 295–8. doi : 10.1016/S0960-894X(01)00734-X. ПМИД  11814781.
12. Куль, Делавэр; Кеппе, РА; Миношима, С.; Снайдер, SE; Фикаро, EP; Фостер, Нидерланды; Фрей, штат Калифорния; Килборн, MR (1 марта 1999 г.). «Картирование активности церебральной ацетилхолинэстеразы in vivo при старении и болезни Альцгеймера». Неврология . 52 (4): 691–699. дои : 10.1212/wnl.52.4.691. PMID  10078712. S2CID  11057426.
13. Колата, Джина (24 июня 2010 г.). «Обещание обнаружить болезнь Альцгеймера». Нью-Йорк Таймс .
14. Катана, Чиприан (2019). «Разработка специализированных устройств для ПЭТ-визуализации головного мозга: последние достижения и перспективы на будущее». Журнал ядерной медицины . 60 (8): 1044–1052. doi : 10.2967/jnumed.118.217901. ПМК 6681695 . ПМИД  31028166. 
15. Селин Д., Сювенен С. (декабрь 2019 г.). «Сконструированные антитела: новые возможности для ПЭТ головного мозга?». Европейский журнал ядерной медицины и молекулярной визуализации . 46 (13): 2848–2858. дои : 10.1007/s00259-019-04426-0. ПМК 6879437 . ПМИД  31342134.