Aspectos físicos de las imágenes de procesos moleculares

Aspectos físicos de las imágenes
de procesos moleculares
Gary D. Fullerton, Ph.D.
Malcolm Jones Distinguished Professor of Radiology
Vice-Chair for Research Division
University of Texas Health Science Center at San Antonio
7703 Floyd Curl Drive
San Antonio, Texas 78229-3900
USA
Abstracto
z
Los métodos de imagen tradicionales de la anatomía
interna evolucionan lentamente a imágenes ndimensionales de procesos moleculares con
presentaciones de información en maneras no
tradicionales para aplicaciones diagnósticas, terapéuticas
y ciencias básicas.
z Esta presentación empieza con los aspectos físicos de las
imágenes moleculares usando técnicas normales de
medicina nuclear (γ-cameras, SPECT y PET) y se extiende a
las aplicaciones mas recientes usando CT, MRI y US.
z La extensión desde seres humanos hacia modelos
animales para las investigaciones farmacéuticas cambia el
diseño de los instrumentos con demandas para datos más
cuantitativos.
Tengo buenas y mala noticias para
los estudiantes de física médica
z
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Su profesión cambia mucho y con
acelerada rapidez.
Las imágenes de procesos moleculares
tienen valor muy elevado.
Por esa realidad hay una demanda para el
conocimiento de la técnica y los procesos.
Vamos a ver una demanda creciente sobre
su profesión y su carrera.
Será necesario continuar actualizándose y
estudiando toda la vida.
Cuál es la fuente de expansión en el
siglo 21 para imágenes moleculares
z
Primero discutiremos ejemplos de la creciente expansión
del uso e importancia de importancia de las imágenes
moleculares en la práctica clínica actual.
z Vemos que las imágenes moleculares proveen información
sobre la fisiología de órganos del cuerpo humano, de
importancia en decisiones terapéuticas.
z El valor de la información justifica la elevación de costos de
las herramientas radiológicas modernas.
z Las imágenes biomoleculares mejoran la probabilidad de
que el médico pueda resolver y curar enfermedades por
medio de intervenciones como cirugía, drogas, radiación y
otros métodos.
Imagenes moleculares: ¿Que son?
z
z
z
La Comisión de Imagen Moleculares del
American College of Radiology dice: “Molecular
Imaging may be defined as the spatially localized
and/or temporally resolved sensing of molecular
or cellular processes”.
“Las imágenes moleculares se pueden definir
como la detección en espacio y/o tiempo de
procesos moleculares o celulares .”
Imágenes de PET con FDG son un ejemplo de
imágenes moleculares de función
La introducción de imágenes
moleculares requiere nuevos
paradigmas en Radiología
z
z
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Requiere contribuciones intelectuales de
científicos básicos y clínicos de otras
especialidades
Las colaboraciones científicas son críticas
para el desarrollo de métodos en el uso de
imágenes funcionales
El futuro de la medicina se enlaza con el
desarrollo de interpretaciones clínicas de
este nuevo tipo de información molecular
Métodos para cambiar el paradigma
radiológico – Quien va a hacerlo?
Hay creciente
convicción en la
comunidad que
las imágenes
moleculares
tendrán
importancia
crítica para el
futuro de la
radiología.
Fundación de la importancia de
imágenes moleculares en medicina
z
z
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Las imágenes moleculares van a extender
el rango de la radiología para incluir
mediciones del funcionamiento de
órganos.
La expansión de capacidades va a ser
similar a la introducción de medios de
contraste con rayos X.
Posibilidad de imágenes diagnósticas de
enfermedades funcionales en adición a la
detección de los cambios anatómicos.
Reconocimiento de la creciente
importancia con el uso de PET
Cada aniquilación crea un par de fotones que viajan
en una línea en direcciones opuestas.
El uso de PET demanda la introducción
de ciclotrones de tipo médico
Emisores de positrones T1/2
son átomos biológicos
18
11
13
15
F
C N
O
110 20 10 123
min min min seg
82
Rb
75
seg
Mas largo T1/2 >> Mas fácil distribución.
Menos largo T1/2 >> Menos dosis de radiación
Imágenes de glucosa con F18 muestra el
uso de azúcar en tumores
“Trazadores” de Oncología
Trazador
Función
18F-FDG
Metabolismo de Glucosa
18F-
Metabolismo óseo.
11C-Methionine
Síntesis de Proteínas
18F-uracil
Entrega de Drogas
15O-CO
Capacidad de Drogas (Angiogénesis)
18F-CEA
Receptor + Detección de Tumor
11C-Estradiol
Receptor + Detección de Tumor
18F-Deoxiglucosa:
Entrega normal /Tiempo de espera
• Inyección intravenosa IV.
• Transportado por el plasma a todo del cuerpo.
• Entrega máxima en 90 minutos…en tejido normal.
• Eliminado por la orina en mayor parte en menos
de 40 minutos.
• Adquisición de imágenes luego de 40 minutos
cuando la sangre no tiene actividad
Imágenes moleculares
del cáncer
El número de tumores
primarios y la capacidad
de localizar metástasis
para evaluación de la
progresión del cáncer hace
del PET muy útil para el
pronóstico y para la
selección de los métodos
terapéuticos mas
productivos para el
paciente individual.
Cáncer de próstata: Imágenes
moleculares de RM
z
z
z
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Es el cáncer mas común después del
cáncer de piel con incidencia similar al
carcinoma del seno.
Es el cáncer en secundo lugar con
consecuencias fatales para los hombres.
“Estadiaje” o conocimiento del nivel de
progresión es crítico en la selección del
mejor tratamiento.
Resonancia magnética con imágenes
anatómicas y espectroscópicas tiene
resultados prometedores.
American Cancer Society Surveillance Statistics, 2002.
Espectroscopia RM del Próstata
z
Que es espectroscopia RM?
– Un método para detectar concentraciones de
compuestos biológicos deiferentes de agua y
lípidos.
– Protones de citrato, colina, creatina, y poliaminas son detectados con relación a la
anatomía en voxeles de ~0.3cc
– Cada voxel recibe una calificación desde uno
hasta cinco 1-5 (benigno hasta cáncer
maligno).
Cambios Metabólicos
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Elevación de colina
– Proliferación de células, elevación de la densidad de
células, compuestos de fosfolípidos, y metabolismo de
membranas celulares.
z
Disminución de citrato
– Metabolismo excepcional de zinc y citrato indica cambios
en la morfología de los conductos
z
z
[colina+creatina]/[citrato] crea una medida de
cambios
Disminución de poli-aminas
– Menos entendido, tiene relación a proliferación y función
secretoria.
Cambios Metabólicos
Voxel sano:
Voxel canceroso:
MRI/MRSI vs. histopatología
Cáncer tiene baja intensidad de señal T2 en la zona periférica
Interpretación de Espectroscopia
X
X
X
X
X
Próstata
Sano
Canceroso
MRI y MRS
z erMRI
(endorectal MRI) tiene alta
sensibilidad y baja especificidad
z erMRS por otro lado tiene baja
sensibilidad y alta especificidad
z La fuerza del examen es justo cuando
hay concordancia entre MRI y MRS
-JMRI 2002; 16: 461-463
El papel de la espectroscopía
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Elevar la especificad del diagnóstico
cuando es usada con erMRI
Mejorar la exactitud del exámen
Aumentar la seguridad del radiólogo
Aumentar el valor del diagnóstico en
selección del método de tratamiento
Mejorar la probabilidad de curar al
paciente y promover el retorno a una vida
sana y productiva
Cuál es el Futuro de
Espectroscopía por RM
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z
z
z
Hay estudios multicéntricos actuales con
protocolos de ACRIN usando el metodo de GE
PROSE (GE PROSE package release)
Hay estudios actuales ex-vivo con la meta de
identificar y desarrollar “huellas digitales” mas
específicas de cáncer usando RMS de alto
resolución
Hay estudios actuales evaluando MRS de
pacientes con cáncer y biopsias negativas, para
identificar el blanco de biopsia
Nuevas tecnologías de 3T y de bobinas rígidas
mejoran los resultados
El progreso en los procesos de computación
tiene un efecto positivo en los resultados
Small Animal Imaging at
UTHSCSA
Imágenes de Animales
Pequeños en UTHSCSA
Department of Radiology
Department of Radiology
University of Texas Health Science
Center at San Antonio
San Antonio, Texas USA
Desarrollo de Instrumentos para
Estudios de Modelos Animales
Breakthroughs in Pre-Clinical
First
Imaging at Gamma-Medical Ideas
Solid-State
First
First
Pre-Clinical
SPECT
2001
First
Pre-Clinical
SPECT/CT
2002
Pre-Clinical
Tri-Modality
PET/SPECT/CT
2004
SPECT System
Tri-Modality
PET/SPECT/CT
2006
CZT Capacidad de múltiples isótopos
40
Resolution (% FWHM)
NaI_2.2
NaI_1.5
CZT
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
Energy (keV)
1.1
0.9
Co57
0.8
In111
Tc99m
0.7
NaI_1.5
0.6
0.5
0.4
Am241
0.9
Co57
0.8
In111
Tc99m
0.7
CZT_1.5
0.6
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
Cd109
1
Am241
Normalized Counts
Normalized Counts
1.1
Cd109
1
0
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Energy (keV)
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Energy (keV)
Micro SPECT/CT Small Animal Imager
Radiology Department
University of Texas Health Science Center at San Antonio
microSPECT/CT
mm
a
G
me
a
ac
ra
Xra y
ra
me
ca
mm
Ga
am
ac
e ra
Courtesy Dr. Koji Iwata Gamma Medica
FLEX Triumph™
Una mirada por dentro
SPECT Camaras
(Retraídas)
NaI/PSPMT
o
CZT
Tubo de Rayos-X
Camilla para
el animal
Anillo de detectores PET
Detector de CT
PET/CT Integrado
FDG Xenograft Tumor Estudio en rata
Observaciones
Captación de FDG en el tumor es evidente
Centro necrótico se observa cerca de la tibia
Eliminación hacia la vejiga y concentración muscular
en el muslo derecho también se observan
Parámetros de adquisición
Rata de 260 gramos
90 μCi FDG en el
momento de imagen
Tiempo de adquisición:
15 minutos
X-PET: High Sensitivity
Study
Courtesy of Beth Goins, Ph.D., University of Texas at San Antionio
Spatial Resolution
Data Spectrum Micro Deluxe
Hot Rod Phantom
La tecnología impulsa la transición a
imágenes funcionales
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z
Las instituciones académicas se deben
transformar para adaptarse a un nuevo
paradigma de imagenología.
Esto va a requerir instalaciones similares
al RIC y programas de educación superior
similares al de Ciencias Radiológicas para
promover la colaboración y los estudios
multidisciplinarios.
Habrán beneficios médicos y económicos
debido a estos cambios