Pozytonowa tomografia emisyjna (PET) to technika obrazowania służąca m.in. do diagnostyki nowotworów ? pozwala na wykrycie skupisk chorych komórek, nawet jeśli nie występują w nich jeszcze zmiany wykrywalne innymi metodami, a zatem na wczesne zlokalizowanie raka. Zespół prof. dr. hab. Pawła Moskala z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie pracuje nad udoskonaleniem techniki PET, tak aby możliwe było określenie nie tylko lokalizacji, ale jednocześnie również struktury, zróżnicowania, rodzaju i stopnia złośliwości nowotworu. Na łamach czasopisma Nature Communications krakowscy naukowcy opublikowali pierwszy w historii trój-fotonowy obraz PET. To duży krok do przodu, gdyż tradycyjne obrazy, generowane przez obecnie używane tomografy PET, powstają w oparciu o dwa fotony. Badania były współfinansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu TEAM ze środków pochodzących z programu Inteligentny Rozwój (POIR).
Trój-fotonowa pozytonowa tomografia emisyjna może wprowadzić nową jakość do diagnostyki onkologicznej. Obecnie, aby podjąć jak najwłaściwszą decyzję co do sposobu leczenia nowotworu u pacjenta, zazwyczaj konieczna jest wcześniejsza ingerencja chirurgiczna i pobranie próbki tkanki nowotworowej do szczegółowych badań histopatologicznych. Naraża to pacjenta na powikłania pooperacyjne oraz opóźnia proces diagnostyczny i rozpoczęcie terapii. Udoskonalona technika PET, nad którą pracuje prof. Paweł Moskal, pozwoli na precyzyjne określenie nie tylko miejsca nowotworu, ale także jego właściwości, bez ingerencji chirurgicznej, a zatem znacznie ułatwi i przyspieszy proces diagnostyczny. Ta nowatorska technika obrazowania pozwoli nie tylko na lepsze i bardziej precyzyjne diagnozowanie nowotworów, ale umożliwi też prowadzenie badań podstawowych np. badanie symetrii pomiędzy materią a antymaterią.
?Zjawiskiem, na którym opiera się technika PET, jest anihilacja. Termin ten oznacza takie oddziaływanie pomiędzy cząstką i jej antycząstką, np. elektronem i pozytonem (czyli anty-elektronem), w wyniku którego znikają obie te cząstki, a generowane są co najmniej dwa fotony. Aby wytworzyć obraz PET, pacjentowi podaje się farmaceutyk znakowany pierwiastkiem promieniotwórczym, który emituje pozytony. Pozytony oddziałują z elektronami znajdującymi się w ciele pacjenta, w taki sposób, że dochodzi do ich anihilacji i wygenerowania fotonów, które, w części przypadków, wydostają się na zewnątrz organizmu. Pozytonowa tomografia emisyjna polega na rejestrowaniu wydostających się z ciała pacjenta fotonów, zrekonstruowaniu linii ich lotu i odtworzeniu miejsc anihilacji. Na podstawie rozkładu punktów anihilacji można określić miejsca o większej intensywności metabolizowania radiofarmaceutyku podanego pacjentowi, czyli miejsca lokalizacji nowotworu. Do tej pory w tomografii PET wykorzystuje się wyłącznie anihilacje elektronu z pozytonem na dwa fotony. W naszych badaniach, po raz pierwszy na świecie, wykorzystujemy fakt, że anihilacja często zachodzi w sposób pośredni, poprzez wytworzenie atomów pozytonium, które rozpadają się na trzy fotony. Zjawisko to nie było nigdy do tej pory wykorzystywane w diagnostyce medycznej, tymczasem nałożenie na siebie tradycyjnych dwu-fotonowych obrazów PET i obrazów trój-fotonowych może otworzyć zupełnie nowe możliwości diagnostyczne? ? wyjaśnia prof. Paweł Moskal.
Dzięki połączeniu obrazów dwu- i trój-fotonowych, możliwe jest nie tylko zlokalizowanie miejsc anihilacji, a tym samym nowotworu, ale też określenie czasu anihilacji. Na podstawie tego parametru można określić np. stopień złośliwości raka oraz inne jego właściwości anatomiczne i morfologiczne.
Przełomowy trój-fotonowy obraz uzyskano za pomocą unikatowego na skalę światową, opracowanego przez zespół prof. Moskala urządzenia ? Jagiellońskiego Pozytonowo Emisyjnego Tomografu (J-PET). To prototyp aparatu, istotnie różniącego się od obecnie używanych tomografów PET, który łączy możliwość jednoczesnego skanowania całego ciała z niekonwencjonalnymi trybami obrazowania. Badania nad tym nowatorskim rozwiązaniem prowadzone są w ramach realizacji grantu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. W skład multidyscyplinarnego zespołu wchodzą lekarze, biolodzy, chemicy, fizycy, elektronicy i informatycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego, a także z Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu w Wiedniu oraz włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej.
Pierwszy trój-fotonowy obraz PET jest dostępny tutaj
Prof. dr hab. Paweł Moskal jest fizykiem, ukończył studia magisterskie, obronił pracę doktorską oraz uzyskał habilitację w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Odbył liczne staże naukowe, m.in. w Niemczech, Szwecji, Włoszech, Japonii, Kolumbii i USA. Obecnie jest kierownikiem Zespołu Zakładów Fizyki Jądrowej UJ oraz kierownikiem Zakładu Doświadczalnej Fizyki Cząstek i jej Zastosowań UJ. Za osiągnięcia w dziedzinie badań podstawowych był trzykrotnie nagradzany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Jest także zdobywcą złotego medalu na Światowych Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technologii, przyznanego za wynalazek urządzenia matrycowego do PET.
Źródło: Moskal, P., Gajos, A., Mohammed, M. et al. Testing CPT symmetry in ortho-positronium decays with positronium annihilation tomography. Nat Commun 12, 5658 (2021).
Program TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.
