Позитронно-эмиссионная томография мозга — это форма позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая используется для измерения метаболизма мозга и распределения экзогенных радиоактивно меченых химических веществ по всему мозгу. ПЭТ измеряет выбросы радиоактивно меченых метаболически активных химических веществ, которые были введены в кровоток. Данные об выбросах с ПЭТ мозга обрабатываются компьютером для получения многомерных изображений распределения химических веществ по всему мозгу. [1] : 57
Используемые радиоизотопы , испускающие позитроны , обычно производятся циклотроном , а химические вещества маркируются этими радиоактивными атомами. Радиоизотопы, используемые в клиниках, обычно представляют собой 18F (фторид) , 11C (углерод) и 15O (кислород) . Меченое соединение, называемое радиоактивным индикатором или радиолигандом , вводится в кровоток и в конечном итоге попадает в мозг через кровообращение. Детекторы в ПЭТ-сканере обнаруживают радиоактивность, когда соединение заряжается в различных областях мозга. Компьютер использует данные, собранные детекторами, для создания многомерных (обычно 3-мерных объемных или 4-мерных, изменяющихся во времени) изображений, которые показывают распределение радиоактивного индикатора в мозге с течением времени. Особенно полезным является широкий спектр лигандов, используемых для картирования различных аспектов активности нейротрансмиттеров, причем наиболее часто используемым ПЭТ-трейсером является меченая форма глюкозы, такая как фтордезоксиглюкоза ( 18F ) . [2]
Наибольшее преимущество сканирования ПЭТ заключается в том, что различные соединения могут показывать поток и кислород , а также метаболизм глюкозы в тканях работающего мозга. Эти измерения отражают объем мозговой активности в различных областях мозга и позволяют нам больше узнать о том, как работает мозг. Сканирование ПЭТ 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 определенной задачей. Самый большой недостаток сканирования ПЭТ заключается в том, что из-за быстрого затухания радиоактивности оно ограничено 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 по-прежнему 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 хирургически излечимых состояний. [4]
ПЭТ-сканирование также используется для диагностики заболеваний мозга, в первую очередь потому, что опухоли мозга, инсульты и нейродегенеративные заболевания (такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона) вызывают значительные изменения в метаболизме мозга, что, в свою очередь, вызывает обнаруживаемые изменения на ПЭТ-сканировании. ПЭТ, вероятно, наиболее полезна в ранних случаях определенных деменций (классическими примерами являются болезнь Альцгеймера и болезнь Пика ), когда раннее повреждение слишком диффузно и слишком мало влияет на объем мозга и общую структуру, чтобы изменить изображения КТ и стандартной МРТ достаточно, чтобы можно было надежно отличить его от «нормального» диапазона кортикальной атрофии, которая возникает при старении (у многих, но не у всех) людей и которая не вызывает клинической деменции.
ПЭТ также активно используется при рассеянном склерозе и других приобретенных демиелинизирующих синдромах , но в основном для исследования патогенеза, а не для диагностики. Они используют специфические радиолиганды для микроглиальной активности. В настоящее время широко используется 18-кДа транслокаторный белок (TSPO). [5] Также иногда проводится комбинированная ПЭТ-КТ . [6]
ПЭТ-визуализация с использованием кислорода -15 косвенно измеряет приток крови к мозгу. В этом методе повышенный сигнал радиоактивности указывает на повышенный приток крови, который, как предполагается, коррелирует с повышенной активностью мозга. Из-за своего 2-минутного периода полураспада O-15 должен подаваться по трубам напрямую из медицинского циклотрона для такого использования, что затруднительно.
ПЭТ-визуализация с 18F-ФДГ использует тот факт, что мозг обычно быстро потребляет глюкозу. Стандартная ПЭТ-исследование мозга с 18F-ФДГ измеряет региональное использование глюкозы и может использоваться в нейропатологической диагностике.
Разработка ряда новых зондов для неинвазивной in vivo ПЭТ-визуализации нейроагрегатов в мозге человека вывела визуализацию амилоида на порог клинического использования. Самые ранние зонды для визуализации амилоида включали 2-(1-{6-[(2-[ 18 F]фторэтил)(метил)амино]-2-нафтил}этилиден)малононитрил ([ 18 F]FDDNP) [10], разработанный в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, и N-метил-[ 11 C]2-(4'-метиламинофенил)-6-гидроксибензотиазол [11] (называемый Питтсбургским соединением B ), разработанный в Питтсбургском университете. Эти зонды для визуализации амилоида позволяют визуализировать амилоидные бляшки в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера и могут помочь врачам в постановке положительного клинического диагноза болезни Альцгеймера до смерти и в разработке новых антиамилоидных терапий. [ 11 C]PMP (N-[ 11 C]метилпиперидин-4-ил пропионат) — это новый радиофармацевтический препарат, используемый в ПЭТ-визуализации для определения активности ацетилхолинергической нейротрансмиттерной системы, действуя в качестве субстрата для ацетилхолинэстеразы. Посмертное обследование пациентов с болезнью Альцгеймера показало снижение уровня ацетилхолинэстеразы. [ 11 C]PMP используется для картирования активности ацетилхолинэстеразы в мозге, что может позволить проводить предварительную диагностику болезни Альцгеймера и помогать контролировать лечение болезни Альцгеймера. [12] Компания Avid Radiopharmaceuticals разработала и вывела на рынок соединение под названием флорбетапир , которое использует более длительный радионуклид фтор-18 для обнаружения амилоидных бляшек с помощью ПЭТ-сканирования. [13]
В 2019 году Катана и др. [14] опубликовали обзорную статью о «Разработке специализированных устройств ПЭТ-визуализации мозга: последние достижения и будущие перспективы». Различные компании по всему миру работают над разработкой специализированной системы ПЭТ-исследования мозга для чистого исследования и/или клинического рутинного использования. 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 пересекать гематоэнцефалический барьер. Обычно используются небольшие молекулы , которые являются жирорастворимыми, поскольку они могут проходить гематоэнцефалический барьер посредством пассивной диффузии, опосредованной липидами .
Однако, поскольку фармацевтика движется к большим биомолекулам для терапии, новые исследования также сосредоточены на использовании биомолекул, таких как антитела , для ПЭТ-трейсеров. Эти новые более крупные ПЭТ-трейсеры имеют повышенные трудности с прохождением через ГЭБ, поскольку они слишком велики, чтобы пассивно диффундировать через него. Поэтому недавние исследования изучают методы переноса биомолекул через ГЭБ с использованием эндогенных транспортных систем, включая транспортеры, опосредованные переносчиками, такие как переносчики глюкозы и аминокислот, опосредованный рецепторами трансцитоз для инсулина или трансферрина . [15]