Les experts japonais ont mis au point un moyen simple de glaner des informations plus détaillées à partir des scans d'imagerie médicale standard. Une équipe de recherche composée de physiciens atomiques et d'experts en médecine nucléaire de l'Université de Tokyo et de l'Institut national des sciences radiologiques (NIRS) a conçu une minuterie qui peut permettre aux scanners de tomographie par émission de positons (TEP) de détecter la concentration d'oxygène des tissus chez les patients. ' corps.
Cette mise à niveau des scanners TEP peut conduire à un avenir de meilleur traitement du cancer en identifiant rapidement les parties de tumeurs avec une croissance cellulaire plus agressive.
« L'expérience des patients dans ce futur PET-scan sera la même qu'aujourd'hui. L'expérience des équipes médicales de la réalisation du scan sera également la même, juste avec des informations plus utiles à la fin », a déclaré le Dr Miwako Takahashi, médecin NIRS, co-auteur de la publication de recherche dans Physique de la communication.
Ce fut un projet rapide pour nous, et je pense qu'il devrait également devenir une avancée médicale très rapide pour les vrais patients dans la prochaine décennie. Les fabricants de dispositifs médicaux peuvent appliquer cette méthode de manière très économique, j'espère. «
Kengo Shibuya, premier auteur de l'étude et professeur adjoint, École supérieure des arts et des sciences de l'Université de Tokyo
Analyses PET
Les positrons pour lesquels les scans PET sont nommés sont les formes d'antimatière chargées positivement d'électrons. En raison de leur petite taille et de leur masse extrêmement faible, les positrons ne présentent aucun danger dans les applications médicales. Les positrons produisent des rayons gamma, qui sont des ondes électromagnétiques similaires aux rayons X, mais avec des longueurs d'onde plus courtes.
Lors de la réception d'une TEP, un patient reçoit une petite quantité de liquide très faiblement radioactif, souvent composé de molécules de sucre modifiées, généralement injectées dans son sang. Le liquide circule pendant une courte période de temps.
Les différences de flux sanguin ou de métabolisme affectent la distribution de la radioactivité. Le patient se trouve ensuite dans un grand scanner TEP en forme de tube. Lorsque le liquide radioactif émet des positrons qui se désintègrent ensuite en rayons gamma, les anneaux de détecteurs de rayons gamma cartographient les emplacements des rayons gamma émis par le corps du patient.
Les médecins demandent déjà des TEP lorsqu'ils ont besoin d'informations non seulement sur la structure, mais également sur la fonction métabolique des tissus à l'intérieur du corps. La détection de la concentration d'oxygène à l'aide du même PET scan ajouterait une autre couche d'informations utiles sur la fonction du corps.
Concentration en oxygène mesurée en nanosecondes
La vie d'un positron est un choix de deux chemins très courts, qui commencent tous les deux lorsqu'un positron est « né » lorsqu'il est libéré du liquide radioactif de PET scan. Sur le trajet le plus court, le positron entre immédiatement en collision avec un électron et produit des rayons gamma.
Sur le chemin légèrement plus long, le positron se transforme initialement en un autre type de particule appelé positronium, qui se désintègre ensuite en rayons gamma. Dans tous les cas, la durée de vie d'un positron à l'intérieur d'un corps humain n'est pas supérieure à 20 nanosecondes, soit un cinquante millionième de seconde (1/50 000 000 de seconde).
« Le résultat est le même, mais la durée de vie ne l'est pas. Notre proposition est de distinguer les durées de vie des positrons en utilisant un PET scan avec une minuterie afin que nous puissions cartographier les concentrations d'oxygène dans le corps des patients », a déclaré Shibuya.
Shibuya et ses collègues ont développé un graphique d'espérance de vie pour les positrons en utilisant un scanner TEP miniaturisé pour chronométrer la formation et la désintégration des positrons dans les liquides avec des concentrations connues d'oxygène.
Les nouveaux résultats de l'équipe de recherche révèlent que lorsque la concentration en oxygène est élevée, le chemin le plus court est plus probable. Les chercheurs prédisent que leur technique sera capable de détecter la concentration absolue d'oxygène dans n'importe quel tissu du corps d'un patient en fonction de la durée de vie des positrons lors d'un PET scan.
La détection de la durée de vie des positrons est possible en utilisant les mêmes détecteurs de rayons gamma que les scanners TEP utilisent déjà. L'équipe de recherche prédit que la majorité du travail pour transférer cette recherche du laboratoire au chevet du patient concernera la mise à niveau des détecteurs de rayons gamma et des logiciels afin que les détecteurs de rayons gamma puissent enregistrer non seulement l'emplacement, mais également des données temporelles précises.
« Cela ne devrait pas représenter une augmentation des coûts pour le développement d'instruments », a déclaré le professeur Taiga Yamaya, co-auteur de la publication de recherche et chef du groupe de physique d'imagerie au NIRS.
Analyses TEP améliorées pour un traitement plus efficace du cancer
Les experts médicaux comprennent depuis longtemps que de faibles concentrations d'oxygène dans les tumeurs peuvent entraver le traitement du cancer pour deux raisons: Premièrement, un faible niveau d'oxygène dans une tumeur est souvent causé par un débit sanguin insuffisant, ce qui est plus fréquent dans les tumeurs agressives à croissance rapide qui sont plus dures. traiter.
Deuxièmement, de faibles niveaux d'oxygène rendent le rayonnement moins efficace parce que les effets désirés de destruction des cellules cancéreuses de la radiothérapie sont obtenus en partie par l'énergie de rayonnement convertissant l'oxygène présent dans les cellules en radicaux libres endommageant l'ADN.
Ainsi, la détection de la concentration d'oxygène dans les tissus corporels informerait les experts médicaux sur la manière d'attaquer plus efficacement les tumeurs à l'intérieur des patients.
«Nous imaginons cibler une radiothérapie plus intense sur les zones agressives à faible concentration d'oxygène d'une tumeur et cibler un traitement de moindre intensité sur d'autres zones de la même tumeur pour donner aux patients de meilleurs résultats et moins d'effets secondaires», a déclaré Takahashi.
Shibuya dit que l'équipe de chercheurs a été inspirée pour mettre en pratique un modèle théorique sur la capacité des positrons à révéler la concentration d'oxygène publié l'année dernière par des chercheurs en Pologne. Le projet est passé du concept à la publication en quelques mois, même avec les restrictions liées à la pandémie COVID-19.
Shibuya et ses collègues visent maintenant à élargir leur travail pour trouver d'autres détails médicaux qui pourraient être révélés par la durée de vie d'un positron.
La source:
Référence du journal:
Shibuya, K., et al. 2020. Capacité de détection d'oxygène de l'atome de positronium pour l'imagerie de l'hypoxie tumorale. Physique de la communication. doi.org/10.1038/s42005-020-00440-z
