Klinische Anwendung des J-PET-Scanner-Prototyps (JPET2Clinic)

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist derzeit eine der grundlegenden Techniken für die molekulare Bildgebung. Dieses Konzept bedeutet Bildgebung auf der Ebene biochemischer Prozesse. Der J-PET-Scanner ist der weltweit erste Positronentomograph auf Basis von Kunststoffstreifenszintillatoren zur Messung der Lebensdauer des Ortho-Positronium-Atoms (o-Ps). Hierbei handelt es sich um einen modularen Scanner, der in der Abteilung für experimentelle Teilchenphysik und Anwendungen der Jagiellonen-Universität in Krakau entwickelt und installiert wurde. Der J-PET-Scanner basiert auf einer 2014 und 2016 patentierten Technologie.

Aktuelle PET-Kameras verfügen über eine bemerkenswerte Empfindlichkeit und ermöglichen die Erkennung von Änderungen der chemischen Konzentration, die nur 1E-11 Mol betragen. Diese beispiellose Empfindlichkeit ermöglicht die Visualisierung von Stoffwechselveränderungen, Neurotransmitter-Ungleichgewichten oder Funktionsstörungen des Rezeptorsystems in einem frühen Stadium, oft noch bevor klinische Symptome bei verschiedenen Krankheiten auftreten. Die PET-Technik basiert auf Radioisotopen, die Positronen emittieren, die die Antimaterie-Gegenstücke der Elektronen sind. PET-Kameras, deren Aufgabe es ist, die Positronenverteilung zu überwachen, verwenden Detektorsysteme, die die bei der Positronen-Elektronen-Vernichtung erzeugte Strahlung erfassen. Dieser Vernichtungsprozess erfolgt durch die Emission von Gammastrahlenphotonen, die von den entsprechenden Detektorarrays erfasst werden. Das Computersystem zeichnet insbesondere nur solche Ereignisse auf, die gleichzeitig zwei Detektoren auslösen, wodurch eine hohe räumliche Auflösung und eine genaue anatomische Lokalisierung der Vernichtungsereignisse gewährleistet ist. Insbesondere kann der Positronenvernichtung die Bildung von Positronium vorausgehen, einem vorübergehenden, quasistabilen gebundenen Zustand, der aus einem Elektron und seinem Antiteilchen, dem Positron, besteht. Aufgrund der gegenseitigen Anordnung der Spins werden zwei Zustände des Positrons unterschieden.

• Wenn die Spins von Elektron und Positron parallel sind (Triplettzustand ↑ ↑); Diese Anordnung wird Orthopositronium (o-Ps) genannt. o-Ps zerfällt (Vernichtung erfolgt) nach einer durchschnittlichen Vakuumlebensdauer von 142 Nanosekunden [ns]. Bei der Vernichtung entstehen drei Gammastrahlenphotonen.
• Wenn die Spins von Elektron und Positron antiparallel sind (Singulett-Zustand ↑↓), nennt man das System Para-Positronium (p-Ps). Durch die Vernichtung entstehen zwei Gammastrahlenphotonen mit einer durchschnittlichen Vakuumlebensdauer von 125 Pikosekunden [ps], also 1.136 Mal kürzer.

Der J-PET-Scanner unterscheidet sich von herkömmlichen PET-Scannern, die in der diagnostischen Bildgebung eingesetzt werden, durch drei bemerkenswerte Merkmale:

1. Kunststoffszintillation: Im Gegensatz zu Standard-PET-Scannern, die teure Szintillationskristalle verwenden, verwendet der J-PET-Scanner Kunststoffszintillatoren, was seine Kosten erheblich senkt und ihn erschwinglicher macht.
2. Modulares Design: Das modulare Design von J-PET ermöglicht eine einfache Anpassung an unterschiedliche Patientengrößen und kann zu einem Ganzkörper-PET-Scanner erweitert werden. Diese Flexibilität deckt ein breites Spektrum an Patientengruppen und diagnostischen Anforderungen ab.
3. Positronium-Biomarker: J-PET erweitert den Anwendungsbereich der PET-Bildgebung durch die Einführung der Erkennung und Analyse von o-Ps.

Anzeige. 1. Herkömmliche PET-Scanner verwenden Kristalldetektoren, die Gammastrahlen mithilfe des photoelektrischen Effekts erkennen. Teurere PET-Scanner verwenden LSO-, LYSO- oder BGO-Kristalle. Neue PET-Scanner verwenden Kunststoffdetektoren, die Gammastrahlen mithilfe der Compton-Streuung erkennen. Dies ermöglicht günstigere Scanner mit gleicher oder besserer Bildqualität.

Anzeige. 2. Dank des modularen Aufbaus und der Verwendung von Streifenszintillatoren wird der Time-of-Flight (ToF)-Parameter auch genutzt, um die Bildqualität zu verbessern oder Bilder gleicher Qualität in einer kürzeren Untersuchung zu erhalten, da er das Rauschen reduziert.

Ad.3. Diese Fähigkeit eröffnet die Möglichkeit, einen neuartigen diagnostischen Biomarker zu nutzen, der vielversprechendes Potenzial birgt, in der PET-Technologie jedoch noch wenig erforscht ist. Positronium-Bildgebung wird nur im J-PET-Scanner angewendet. Bei der PET-Technik werden Radioisotope verwendet, die Positronenstrahlung (Beta+) aussenden. Herkömmliche PET-Scanner bilden die Verteilung von Gammastrahlenphotonen ab, die durch die Vernichtung eines Elektrons (e-) und eines Positrons (e+) entstehen. Der Vernichtung kann das Auftreten eines Positroniumatoms vorausgehen, was bei etwa 30–40 % aller Vernichtungen im Körper des Patienten auftritt.

Arbeitshypothese:

Der J-PET-Scanner basiert auf einer Technologie mit Kunststoffszintillatoren. Wenn sich der klinische Nutzen erweist, kann die Entwicklung dieser Bildgebungsmethode die Kosten erheblich senken und die Verfügbarkeit der PET/CT-Bildgebung erhöhen.

Darüber hinaus ermöglicht uns der J-PET-Tomograph die Bestimmung eines neuen diagnostischen Indikators, nämlich der Lebensdauer von Positroniumatomen.

Ziel der Studie:

Ziel dieser Studie ist es, die klinische Machbarkeit von PET-Scannern auf Basis von Kunststoffszintillatoren zu demonstrieren, wobei insbesondere die Leistung der Drei-Photonen-Bildgebung und die Verwendung von Positronium als diagnostischer Biomarker untersucht werden. Wenn die J-PET-Methode es ermöglicht, die Verteilung einer als Radiopharmazeutikum wirkenden chemischen Substanz genauer und unabhängiger zu erfassen, ist es möglich, die o-Ps-Lebensdauer in Abhängigkeit von der biochemischen Zusammensetzung der Umgebung zu erfassen, was ein zusätzlicher Parameter ist - noch nicht in der medizinischen Bildgebung verwendet.