Токийский университет и Университет Йорка впервые подтвердили принцип позитроний-отношенческой визуализации

Исследовательская группа Высшей школы инженерии Токийского университета и Университета Йорка (Великобритания) разработала новый принцип геометрической визуализации, основанный на трёхфотонном распаде позитрония, и с помощью системы измерения гамма-излучения, состоящей из сцинтилляторов и кремниевых фотоумножителей (SiPM), а также существующего ПЭТ-радиофармпрепарата ^{^18}F-FDG, впервые реализовала визуализацию отношения трёхфотонного распада позитрония, завершив проверку принципа позитроний-отношенческой визуализации (PRI: Positronium Ratio Imaging). Результаты опубликованы в журнале «Communications Physics».

В настоящее время клинические ПЭТ-исследования в ядерной медицине в основном используют гамма-излучение, возникающее при двухфотонной аннигиляции позитрона с электроном, для отображения накопления препарата в организме. Этот метод позволяет получать количественную информацию о метаболизме или поглощении препарата, однако ограниченно отражает информацию о микрокружении, связанном со злокачественностью заболевания, например о гипоксии тканей. В последние годы исследователи предпринимали попытки получать дополнительную информацию о тканях через среднее время жизни позитрония, образующегося в процессе позитронной аннигиляции, но этот метод обычно требует введения специальных нуклидов или агентов, что ограничивает его практическое применение.

Схема принципа трёхфотонной визуализации

Результаты визуализации при смешивании воды и пористого материала (XAD-4) с ^{^18}F-FDG

В данном исследовании основное внимание было уделено отношению трёхфотонного распада позитрония к двухфотонному распаду. Используя геометрическую симметрию в законах сохранения энергии и импульса, которым удовлетворяет трёхфотонный распад, исследовательская группа свела исходно сложную задачу реконструкции изображения к аналитически разрешимому квадратному уравнению. Одновременно команда разработала систему детектирования, совместимую с клиническим ПЭТ-оборудованием, используя сцинтилляторные массивы HR-GAGG с высоким энергетическим разрешением и массивы кремниевых фотоумножителей (SiPM) для удовлетворения требований к характеристикам детектирования при трёхфотонной визуализации.

В ходе экспериментов исследователи смешивали воду и пористый материал XAD-4 с ^{^18}F-FDG и проводили визуализацию. Результаты показали значительное повышение отношения позитрония в пористом материале, что подтвердило способность технологии PRI различать различные микросреды. Исследовательская группа отметила, что эти результаты свидетельствуют о возможности получения информации о микрокружении тканей более высокого уровня с использованием существующих клинических ПЭТ-препаратов без разработки новых ПЭТ-лекарственных средств.

Потенциальные применения технологии PRI включают неинвазивное наблюдение за характеристиками микросреды, такими как размер пор и состояние гипоксии внутри биологических организмов или материалов. Особенно в диагностике и лечении опухолей гипоксия тканей тесно связана со степенью злокачественности рака и устойчивостью к терапии; при возможности количественной оценки это может способствовать более раннему выбору подходящей схемы лечения. Считается, что эта технология также может быть полезна для ранних исследований и диагностики таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера.

Кроме того, исследовательская группа полагает, что PRI обладает высокой совместимостью с развивающейся в ядерной медицине технологией тераностики. Например, в сочетании с нуклидами, обладающими как диагностическими, так и терапевтическими свойствами, такими как медь-64 (^64Cu), можно одновременно проводить ПЭТ-визуализацию и PRI-оценку, количественно оценивая метаболизм опухоли и гипоксическое окружение, что предоставляет дополнительные основания для персонализированной терапии.