Applicazione clinica del prototipo dello scanner J-PET (JPET2Clinic)

La tomografia a emissione di positroni (PET) è attualmente una delle tecniche di base che consentono l'imaging molecolare. Questo concetto significa imaging a livello dei processi biochimici. Lo scanner J-PET è il primo tomografo a positroni al mondo basato su scintillatori a striscia di plastica per misurare la durata dell'atomo di ortopositronio (o-Ps). Si tratta di uno scanner modulare, progettato e installato presso il Dipartimento di Fisica Sperimentale e Applicazioni delle Particelle dell'Università Jagellonica di Cracovia. Lo scanner J-PET si basa su una tecnologia brevettata nel 2014 e nel 2016.

Le attuali fotocamere PET possiedono una notevole sensibilità, consentendo di rilevare cambiamenti nella concentrazione chimica sottili quanto 1E-11 moli. Questa sensibilità senza precedenti consente la visualizzazione di alterazioni metaboliche, squilibri dei neurotrasmettitori o disfunzioni del sistema recettoriale in una fase iniziale, spesso prima della comparsa dei sintomi clinici in varie malattie. La tecnica PET si basa su radioisotopi che emettono positroni, che sono le controparti di antimateria degli elettroni. Le telecamere PET, incaricate di monitorare la distribuzione dei positroni, utilizzano sistemi di rilevamento che catturano la radiazione generata durante l'annichilazione positrone-elettrone. Questo processo di annichilazione avviene nell'emissione di fotoni di raggi gamma, che vengono rilevati dagli appositi sistemi di rivelatori. In particolare, il sistema informatico registra solo quegli eventi che attivano contemporaneamente due rilevatori, garantendo un'elevata risoluzione spaziale e una precisa localizzazione anatomica degli eventi di annientamento. In particolare, l'annichilazione del positrone può essere preceduta dalla formazione del positronio, uno stato legato transitorio e quasi stabile comprendente un elettrone e la sua antiparticella, il positrone. A causa della disposizione reciproca degli spin, si distinguono due stati del positrone.

• Quando gli spin dell'elettrone e del positrone sono paralleli (stato di tripletto ↑↑); questa disposizione è chiamata ortopositronio (o-Ps). o-Ps decade (si verifica l'annientamento) dopo una durata media del vuoto di 142 nanosecondi [ns]. L'annichilazione produce tre fotoni di raggi gamma.
• Quando gli spin dell'elettrone e del positrone sono antiparalleli (stato singoletto ↑↓), il sistema è chiamato para-positronio (p-Ps). L'annichilazione produce due fotoni di raggi gamma con una durata media nel vuoto di 125 picosecondi [ps], ovvero 1.136 volte più breve.

Distinto dagli scanner PET convenzionali utilizzati nell'imaging diagnostico, lo scanner J-PET vanta tre caratteristiche notevoli:

1. Scintillazione plastica: a differenza degli scanner PET standard che utilizzano costosi cristalli di scintillazione, lo scanner J-PET utilizza scintillatori plastici, riducendone significativamente i costi e rendendolo più conveniente.
2. Design modulare: il design modulare di J-PET consente una facile personalizzazione per adattarsi alle diverse dimensioni dei pazienti e può essere esteso a uno scanner PET per tutto il corpo. Questa flessibilità soddisfa un’ampia gamma di popolazioni di pazienti ed esigenze diagnostiche.
3. Biomarcatore del positronio: J-PET amplia l'ambito dell'imaging PET introducendo il rilevamento e l'analisi degli o-P.

Anno Domini. 1. Gli scanner PET convenzionali utilizzano rilevatori di cristalli che rilevano i raggi gamma utilizzando l'effetto fotoelettrico. Gli scanner PET più costosi utilizzano cristalli LSO, LYSO o BGO. I nuovi scanner PET utilizzano rilevatori di plastica che rilevano i raggi gamma utilizzando lo scattering Compton. Ciò consente scanner più economici con la stessa o migliore qualità dell'immagine.

Anno Domini. 2. Grazie al design modulare e all'utilizzo di scintillatori a striscia, il parametro del tempo di volo (ToF) viene utilizzato anche per migliorare la qualità dell'immagine o ottenere immagini della stessa qualità in un esame più breve perché riduce il rumore.

Annuncio.3. Questa capacità apre la possibilità di utilizzare un nuovo biomarcatore diagnostico che ha un potenziale promettente ma rimane sottoesplorato nella tecnologia PET. L'imaging del positronio viene applicato solo nello scanner J-PET. La tecnica PET utilizza radioisotopi che emettono radiazioni di positroni (beta+). Gli scanner PET tradizionali riproducono l'immagine della distribuzione dei fotoni dei raggi gamma prodotti dall'annichilazione di un elettrone (e-) e di un positrone (e+). L'annientamento può essere preceduto dalla comparsa di un atomo di positronio, che si verifica in circa il 30-40% di tutti gli annichilimenti che si verificano nel corpo del paziente.

Ipotesi di lavoro:

Lo scanner J-PET si basa sulla tecnologia che utilizza scintillatori plastici. Se la sua utilità clinica sarà dimostrata, lo sviluppo di questo metodo di imaging potrebbe ridurre significativamente i costi e aumentare la disponibilità dell’imaging PET/CT.

Inoltre, il tomografo J-PET ci permette di determinare un nuovo indicatore diagnostico, che è la durata della vita degli atomi di positronio.

Scopo dello studio:

Questo studio mira a dimostrare la fattibilità clinica degli scanner PET basati su scintillatori plastici, studiando in particolare le prestazioni dell'imaging a tre fotoni e l'uso del positronio come biomarcatore diagnostico. Se il metodo J-PET consente di registrare la distribuzione di una sostanza chimica che agisce come radiofarmaco con maggiore precisione e, in modo indipendente, è possibile registrare la vita media degli o-P in base alla composizione biochimica dell'ambiente, che è un parametro aggiuntivo - non ancora utilizzato nell'imaging medico.