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
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]
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
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]
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.
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]
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.
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]