Hallo!
Mein Name ist Claudia Kuntner und ich arbeite seit 2004 am ARC Seibersdorf mit einem small animal PET Scanner. Meine Dissertation habe ich am CERN durchgeführt und zwar in der Crystal Clear Collaboration. Dabei ging es um die Evaluierung von neuen anorganischen Szintillatoren für die Anwendung in einem Prototyp small animal PET Scanner.
Was ist PET?
In den letzten Jahren wächst das Interesse der medizinischen Forschung und Klinik am âMolecular Imagingâ d.h. an der Charakterisierung und Messung biologischer Prozesse auf Zell- und Molekül-Ebene im lebenden Organismus. Hierbei sind in erster Linie bildgebende Verfahren von Interesse, die sowohl in der Maus als auch im Menschen angewandt werden können und daher eine Translation von klinischen Fragestellungen in das Mausmodell und von dort erhobenen Befunden zurück in die Klinik ermöglichen (Translational Research).
Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein nuklearmedizinisches, bildgebendes Diagnoseverfahren zur Darstellung funktioneller Vorgänge im Körper. Dazu werden am Stoffwechsel beteiligte Substanzen, wie z.B. Glukose oder Wasser, mit Positronen emittierenden Nukliden markiert. Diese Tracer werden dem Patienten oder Tier appliziert (z.B. injiziert) und gliedern sich in dessen Stoffwechsel ein. Durch den radioaktiven Zerfall der Nuklide werden Positronen frei, die auf einer kurzen, z.B. 0,5 mm langen Strecke durch Streuprozesse fast bis zum Stillstand abgebremst werden und sich dann mit Elektronen aus der Umgebung zu Positronium vereinigen. Unmittelbar nach dieser Vereinigung kommt es zur Annihilation. Hierbei wird das materielle Positronium vollständig in elektromagnetische Strahlung umgewandelt, d.h. es zerstrahlt unter Entstehung zweier gamma-Quanten, die aufgrund der Impuls- und Energieerhaltung diametral zueinander (180° Winkel) emittiert werden und beide die gleiche Energie von je 511 keV haben . Diese gamma-Quanten treten aus dem Körper aus und werden von einem ringförmigen Detektorsystem registriert. Die Detektoren bestehen aus Szintillatoren (in den neueren Scannern aus LSO:Ce) welche über Lichtleiter an photomultiplier gekoppelt sind.
Ein Beispiel eines PET Detektormoduls und einer Detektorkassette ist hier zu sehen.
Gelingt nun die Koinzidenzdetektion der beiden von einem Annihilationsereignis stammenden gamma-Quanten innerhalb eines kurzen Zeitfensters (je nach Scanner im Bereich von 6-20 ns), kann davon ausgegangen werden, dass dieses Ereignis auf der Koinzidenzlinie zwischen den entsprechenden Detektoren stattgefunden haben muss. Während einer PET-Messung wird festgehalten, zu wie vielen Koinzidenzregistrierungen es zwischen den einzelnen Detektorpaaren kommt. Nach der Messung kann dann mit Hilfe geeigneter Rekonstruktionsverfahren aus diesen Daten ein Bild berechnet werden. Das Verfahren der PET ist unten schematisch dargestellt.
Mit der Entstehung der PET in den siebziger Jahren wurde es möglich, regionale Aktivitäten von markierten, Positronen emittierenden Molekülen mit hoher Sensitivität und einer Auflösung von einigen Millimetern quantitativ zu messen. Unter Zuhilfenahme biomathematischer Modelle konnten nun Umsatzraten von Stoffwechselsubstanzen mittels radioaktiv markierter Biomoleküle mit PET bestimmt werden. Diese Möglichkeit, die Biochemie des Körpers am lebenden Objekt in einzelnen Regionen untersuchen zu können, läutete eine neue Ãra der Nuklearmedizin ein.
Was für Tracer gibt es?
Das bedeutendste und wichtigste Molekül aus diesen Anfängen ist zweifellos die Einführung von 2-[18F]Fluor-2-Deoxy-D-Glukose ([18F]-FDG). Dieses Glukose-Analogon wird genau wie Glukose in stoffwechselaktive Zellen (z. B. Herz, Gehirn, aber auch Tumore) transportiert und anschlieÃend phosphoriliert, erfährt aber keine weitere Verstoffwechselung. Durch diese Stoffwechselsackgasse ermöglicht FDG die Quantifizierung des regionalen Glukosestoffwechsels mit Hilfe eines 3-Kompartmentmodells beispielsweise in gesunden oder kranken Hirnbereichen. Diese Technik ist heute auÃerdem zur nichtinvasiven Tumor- und Herzdiagnose weit verbreitet.
Die kurzlebigen beta+-Emitter, speziell Kohlenstoff-11 und Fluor-18, wurden und werden verwendet, um einen groÃen Bereich biochemischer Prozesse am Menschen zu untersuchen. Mit ihnen startete ein neues Konzept des Tracerdesigns, welches eine Vielzahl von Messungen, wie z.B. der Stoffwechselrate biologischer Substanzen und Medikamente, von Enzym- und Neurotransmitterkonzentrationen, der Rezeptordichte und -belegung sowie der Funktionen des Immunsystems ermöglichte. An dieser Stelle sei angemerkt, dass sowohl die beiden oben erwähnten Nuklide Kohlenstoff-11 (11C) und Fluor-18 (18F) als auch die Nuklide Sauerstoff-15 (15O) und Stickstoff-13 (13N), die heute alle in der PET Anwendung finden, schon in den frühen dreiÃiger Jahren entdeckt wurden.
Und wozu brauchen wir ein Animal-PET?
Die Einsatzgebiete der Animal-PET sind vielfältig und reichen von der Entwicklung neuer Radiopharmaka zur Diagnose oder Therapie bis zur Phänotypisierung von transgenen Mausmodellen. Als nicht invasive Methode eignet sich PET auch für longitudinale Diagnostik, um Spontanverlauf und Therapie-Effekte ohne inter-individuelle Differenzen im einzelnen Tier zu beobachten.
Die folgenden Bilder zeigen den regionalen Glucose Stoffwechsel in einer 26.4 g schweren Maus mit 18F-FDG, 13 min nach Injektion (250 â 750 keV, 6ns). Die Sinogramme wurden normalisiert und mit den Daten von der Transmissionsmessung korrigiert. Der Herzmuskel (Myokard), sogar aufgelöst in linken und rechten Ventrikel, wird als Gewebe mit dem höchsten Glucose-Stoffwechsel dargestellt, zusätzlich ist die Exkretion über die Blase zu erkennen.
