NCN-OPUS22

Rozwój radioznaczników emitujących trzy fotony do obrazowania pozytonium

Kierownik projektu: prof. Paweł Artur Moskal (Uniwersytet Jagielloński, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej)

Projekt konsorcyjny:

Uniwersytet Jagielloński, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej (lider)
Instytut Chemii i Techniki Jądrowej
Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów w Uniwersytecie Warszawskim

Cel projektu: Pozytonowa Tomografia Emisyjna (PET) jest rutynowo stosowana w szpitalach m.in. do diagnostyki raka. Podczas obrazowania PET pozyton emitowany przez radionuklid anihiluje z elektronem w ciele pacjenta bezpośrednio lub poprzez tworzenie metastabilnego atomu pozytonium. W ludzkim ciele atomy pozytonium powstają w około 40% przypadków anihilacji pozytonu z elektronem. Pozytonium to atom złożony z elektronu i pozytonu. Jako obiekt zbudowany z materii i antymaterii nie jest stabilny,
lecz anihiluje głównie na dwa lub trzy fotony. Średni czas życia pozytonium i stosunek szybkości jego rozpadu na dwa i trzy fotony zależy od środowiska molekularnego, w którym wytwarzane jest pozytonium.
Obrazowanie pozytonowe można zdefiniować jako metodę rekonstrukcji właściwości pozytonium (takich jak średni czas życia, prawdopodobieństwo powstania i stosunek szybkości rozpadu na 3-fotony i 2-fotony) w funkcji położenia w obrazowanym obiekcie. Dwa lub trzy fotony z rozpadu pozytonium służą do rekonstrukcji rozkładu gęstości anihilacji. Jednak czas życia pozytonium można określić tylko wtedy, gdy podany radionuklid emituje dodatkowo kwant gamma (emiter trójfotonowy) niosący informację o czasie powstania pozytonium. Informacje zawarte w obrazach pozytonowych dotyczą wielkości pustych przestrzeni wewnątrzcząsteczkowych i stężenia w nich cząsteczek bioaktywnych i różnią się jakościowo od obrazów anatomicznych i morfologicznych uzyskiwanych za pomocą tomografii komputerowej (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI).
Głównym celem proponowanego projektu jest weryfikacja i rozwój metody obrazowania pozytonowego poprzez zastosowanie opracowanych radiofarmaceutyków receptorowych znakowanych 44Sc, 44mSc i 72As do trójfotonowej pozytonowej tomografii emisyjnej oraz opracowanie metod selekcji i analizy danych, które umożliwią obrazowanie wielofotonowe i pozytonowe za pomocą nowo opracowanego modułowego detektora J-PET.

Powody podjęcia tematyki projektu: Według Światowej Organizacji Zdrowia choroby nowotworowe to druga przyczyna zgonów na świecie. Obrazowanie pozytonowe to obiecująca metoda poprawy swoistości diagnostycznej poprzez umożliwienie oceny patologii tkanek in vivo. Dotychczasowe badania wykazały różnice między czasem życia pozytonium w komórkach prawidłowych i rakowych. Wyniki te wskazują, że obrazowanie pozytonowe może być przydatne do oceny zmian tkankowych na poziomie molekularnym,
zanim doprowadzą one do zmian funkcjonalnych i morfologicznych. Ponadto niedawno wykazano, że czas życia pozytonium zmienia się liniowo wraz ze stężeniem tlenu w cieczach organicznych, co wskazuje na jego potencjał do wykrywania i ilościowego określania hipoksji. Rozpoznanie stopnia niedotlenienia guza ma kluczowe znaczenie w planowaniu terapii onkologicznej. Pierwsze obrazy pozytonowe zostały wykonane
w laboratorium za pomocą prototypu Jagiellońskiego PET z wykorzystaniem radionuklidu 22Na. Radionuklid 22Na po emisji pozytonu przemienia się we wzbudzone jądro 22Ne, które następnie ulega deekscytacji poprzez emisję kwantu gamma. 22Na jest izotopem stosunkowo długo żyjącym (okres półtrwania 2,6 roku), dlatego nie nadaje się do podawania do organizmu człowieka. W związku z tym istnieje potrzeba opracowania metod fizyki jądrowej do tworzenia izotopów beta-plus charakteryzujących się średnim czasem życia rzędu godzin, które dodatkowo emitują kwant gamma i które mogą być przyłączane do bioligandów z wysokim powinowactwem do receptorów umiejscowionych w komórkach rakowych. Zidentyfikowaliśmy skand-44 i arsen-72 jako najbardziej obiecujące izotopy do rozwoju obrazowania trójfotonowego.

Opis badań: Badania będą prowadzone na Uniwersytecie Warszawskim (UW), w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej (ICHTJ) oraz na Uniwersytecie Jagiellońskim (UJ): UW opracuje metody wydajnej produkcji izotopów 44Sc, 44mSc i 72As. UW będzie również produkować i dostarczać te izotopy do badań prowadzonych w ICHTJ i UJ. ICHTJ opracuje metody skutecznego przyłączania izotopów 44Sc, 44mSc i 72As do ligandów (np. PSMA, DOTATATE, trastuzumab, affibody ANTI-HER) oraz będzie pracować nad
określeniem powinowactwa do receptora i internalizacją zsyntetyzowanych radiobiokoniugatów. ICHTJ będzie również produkować i dostarczać radiofarmaceutyki do obrazowania trojfotonowego fantomów za pomocą modułowego tomografu J-PET w UJ. UJ opracuje metody rekonstrukcji obrazu trójfotonowego i przeprowadzi testy na fantomach wypełnionych znacznikami znakowanymi izotopami 18F, 22Na, 44Sc, 44mSc
i 72As.

Spodziewane efekty: Oczekiwanym efektem naukowym będzie opracowanie metod preparatyki tarcz wykorzystywanych do produkcji radioizotopów skandu i arsenu, a także odpowiednich do nich uchwytów tarcz i głowic tarcz, umożliwiających ich długotrwałe naświetlanie prądami mierzonymi w dziesiątkach mikroamperów wiązką jonów dostarczaną przez tzw. cyklotrony medyczne. Przeprowadzone w ramach projektu badania chemiczne pozwolą na syntezę nowych radiobiokoniugatów opartych na innowacyjnych
radionuklidach 44gSc, 44mSc i 72As. Oprócz zastosowań w metodzie trój-fotonowego PET, mogą być również stosowane w standardowych systemach 2-fotonowych PET. Metody obrazowania pozytonowego zostaną opracowane i przetestowane z nowymi znacznikami trójfotonowymi oznaczonymi izotopami skandu-44 i arsenu-72.