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Sichtbarmachung physiologischer Vorgänge mit Positronenemissionstomographie (PET) Beispiele mit [18F]-Fluordesoxyglukose und [18F]-FDOPA P. A. Schubiger Professor für Radiopharmazie ETH/PSI Center for Radiopharmaceutical Science of ETH, PSI and USZ Prinzip der Positronenemissionstomographie (PET) +-Zerfall: p+ n + + + • Das Positron + ist ein Antimaterieteilchen. Es vereinigt sich mit einem Elektron und es entsteht aus Masse Energie nach der Gleichung E=mc2. • Diese Energie wird als Annihilationsstrahlung ausgesendet und zwar entstehen zwei g-Strahlen mit der Energie von 2*511keV, welche in einem exakten 180°-Winkel ausgesendet werden. • Das Neutrino hat die Ladung 0, die Masse ist wahrscheinlich auch 0 und es besitzt kein magnetischen Moment, aber hat einen Spin von 1/2 h Zerfall von 18F 18 F 9 + (97%) EC (3%) 18F 18O 18 O 8 (110 min) (stabil) Center for Radiopharmaceutical Science of ETH, PSI and USZ Prinzip PET: Koinzidenzmessung und Rekonstruktion g Elektronische Koinzidenz g Spectrum of Medical Imaging Modalities X-Ray-CT MRI Sensitivity versus Specificity Structure MRI Physiology Ultrasound PET Metabolism MRS, PET Drug Distribution PET Molecular Pathways PET T.Jones, Eur. J Nucl Med (1996) Molecular Targets/ Receptors/ Binding Sites Medical Imaging Modalities Imaging Method Spatial resolution Temporal resolution Sensitivity Ultrasound > 1 mm >10 ms 10-3 Mol CT > 0.3 mm >300 ms 10-3 Mol MRI > 0.8 mm >50 ms 10-5 Mol MRS > 10 mm >60 ms 10-5 Mol PET (animal) > 5 mm (1mm) >5 s (6 s) 10-9-10-12 Mol Zyklotron Produktion von 18F Reaktion Target Aktivität Teilchen 18O(p,n)18F Wasser up to 450 GBq 18O(p,n)18F Gas 20Ne(d,a)18F Gas Trägermaterial F- nein > 40 GBq F2 ja > 20 GBq F2 ja Zyklotron Zyklotron I. Zyklotron-Raum Zyklotron III. Zur Anzei g e wir d der Qui ckTime™ Dekompressor „YU V420 codec“ benötig t. Small Animal HIDAC PET Camera Specifications •HIDAC detectors (high density avalanche chambers) • spatial resolution: 1 mm fwhm • field of view: 28 cm axially, 17 cm in diameter • data recorded “on the fly” (180° rotation) • scatter-corrected sensitivity: 1% (10cps/kBq) • scatter fraction: 30-40 % Glukose und Fluordesoxyglukose (18F-FDG) • Eigenschaften von Glukose und 18F-FDG Glukose 18F-FDG Glucosetransporter Pentosephosphatweg Ribose Hexokinase Glukose6-Phosphat 18F-FDG- 6-Phosphat Glycolyse Pyruvat Lactat 18F-FDG Glykogen wird vom Glukosetransporter ins Zellinnere befördert und vom Enzym Hexokinase zu 18F-FDG-6-Phosphat phosphoryliert. Im Unterschied zu Glucose wird 18F-FDG aber weder glycolysiert, noch zu Pentose oder zu Glycogen um- oder aufgebaut und bleibt somit im Zellinneren gefangen. Herstellung von 2-[18F]Fluor-2-desoxy-D-glucopyranose He Na2CO3 (16O-H2O) p 18O-H O 2 TBA+ Kationen- TBA+ austauscher 18F18F- Anionenaustauscher 16O-H O (18F-) 2 18O-H O 2 Acetonitril, TBA+, Triflat Eindampfen Eindampfen 18F-FDG 18F-NaF mit Schutzgruppen Reinigungskolonnen, Sterilfiltration 18F-FDG 18FDG-Modul 18FDG-Modul 18FDG-Verteilerschrank Mit Blei abgeschirmter Schrank, für die 18FDGVerteilanlage Sichtbarmachung physiologischer Vorgänge mit PET Herz Darm Harnblase Koronare Schnittbilder einer lebenden Ratte, welcher radioaktive (14 MBq) Glukose injiziert wurde. Die Aufnahme wurde mit einer speziellen Kleintier PET Kamera gemacht (HIDAC-animal scanner: Auflösung 1mm3) Lymphdrüsenkrebs Normale PET Untersuchung nach Therapie • nach Chemotherapie: • normale Untersuchung • (gleiche Patientin wie 1) Alzheimer FDG-Bild des Gehirns Gesundes Gehirn Alzheimer Erkrankung Normales FDG-Herz Hibernating myocardium • Ischämie in Perfusion (oben), Hibernating myocard (unten) [13N]-NH3 (Perfusion) SA [18F]-FDG (Metabolism) HLA VLA Dopaminsynapse Chemische Struktur von 6-DOPA COOH HO HO 18F NH2 6-[18F]-Fluoro-L-DOPA (6-FDOPA) Garnett ES, Nature, 1983 Fluorierung des Stannylvorläufers: -20oC, 10 min; 30oC, 4 min H HCOHN H COOR BocO HCOHN [18F]F2 COOR BocO CFCl3 BocO Sn(CH3)3 BocO 18 F 2. Entschützung: 130oC, 10 min H HCOHN H COOR H2N BocO HBr BocO 18 F COOH HO HO 18 F Synthesemodul für 18F-Präparate Aufnahme von [18F]-FDOPA Gesundes Gehirn Parkinson Patient Referenzen: • P.A.Schubiger,G.Westera; Abbildung biochemischer Prozesse im Körper,BioWord 3-2002,S.6. • P.A.Schubiger; Spezifische Diagnostik durch Abbildung der biochemischen Prozesse im menschlichen Körper: PET; Forschung fürs Leben,Febr. 2002 (62). • S.M.Ametamey et al; Functional Brain Receptor Imaging with Positron Emission Tomography,Chimia 2000,54(11),S.622. • G.Stöcklin and V.Pike (Ed.); Radiopharmaceuticals for Positron EmissionsTomography-Methodological Aspects, Kluwer Academic Publishers 1993.
