USO DIAGNOSTICO E DI COMPLESSI METALLICI

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1 USO DIAGNOSTICO E DI COMPLESSI METALLICI

2 Uso diagnostico di complessi di gadolinio

3 La Risonanza Magnetica e un fenomeno che accade quando i nuclei di alcuni atomi immersi in un campo magnetico statico B 0 sono esposti a un secondo campo magnetico oscillante. Per ottenere un immagine MRI bisogna: mettere il soggetto in un campo magnetico statico trasmettere onde radio al soggetto spegnere il trasmettitore ed accendere il ricevitore di onde radio convertire la radiazione a radio frequenza misurata in immagine B0

4 Il fenomeno di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) riguarda solo i nuclei che possiedono un momento magnetico nucleare di spin, e che quindi, come l ago di una bussola, si allineano a un campo magnetico applicato: Lo spin nucleare si calcola a partire dallo spin dalle particelle che costituiscono il nucleo: protoni e neutroni. Queste si comportano come se fossero in rotazione (spin) attorno al loro asse.

5 - Nei tessuti biologici gli elementi piu abbondanti sono 12 C, 16 O, 1 H e 14 N: - L atomo di idrogeno e l unica specie tra quelle piu abbondanti che sia sensibile al fenomeno della risonanza magnetica; 12 C e 16 O hanno I = 0 e quindi non hanno momento magnetico di spin e non sono osservabili all NMR. - Il nucleo dell atomo di idrogeno e quello che fornisce il segnale NMR dominante: La maggior parte dell idrogeno si trova nell acqua (H 2 O). - Essenzialmente l imaging basato sul fenomeno della risonanza magnetica (MRI) e l imaging dell idrogeno 1 H (ossia del protone).

6 In natura H + orientamento casuale Magnetizzazione Macroscopica Netta: Nulla

7

8 Dopo l impulso RF, il sistema ritorna al proprio stato di equilibrio. Questo processo e caratterizzato da: recupero della magnetizzazione longitudinale Mz (rilassamento longitudinale, T1) distruzione della magnetizzazione trasversale Mxy (rilassamento trasversale, T2)

9 Meccanismi di Rilassamento T 1 Rilassamento longitudinale o spin lattice (ricostruzione di M z ) T 2 Rilassamento trasversale o spin-spin (ritorno di M xy a zero) T 1 T 2 T 1 B 0, T 2 è indipendente da B 0 SI [H] [exp(-te/t 2 )][1-exp(-TR/T 1 )] dove [H]= concentrazione dei protoni dell acqua, TE= echo time cioè l intervallo di tempo tra l impulso e la rivelazione, TR= repetition time cioè il tempo tra due impulsi successivi. SI aumenta al diminuire di T 1 ; SI diminuisce al diminuire di T 2 Esperimento NMR 1) Applicazione di un campo statico B 0 2) Formazione della magnetizzazione M 3) Eccitazione del sistema di spin nucleari con una RF (B 1 )

10 La tecnica MRI è basata sulla generazione di immagini ottenute attraverso la localizzazione spaziale dei protoni dell acqua dei tessuti. Rispetto ad una tradizionale esperimento NMR, l informazione spaziale è recuperata attraverso l applicazione di un gradiente di campo magnetico cosicchè la risonanza dei protoni dell acqua diventa dipendente dalla posizione.

11 B(x,t)= B 0 + G x (t)x dove x= coordinata spaziale lungo l asse x dal centro del magnete e G x (t) gradiente di campo. MRI è una tecnica attraverso cui è possibile ottenere immagini tridimensionali di porzioni di tessuto. Nella pratica medica l immagine è ottenuta attraverso NMR di protoni dell acqua perché sono i nuclei più sensibili: S=γ 3 NI(I+1) con N=abbondanza naturale (99.98%), I= numero quantico di spin.

12 Il contrasto in un immagine MRI è determinato da vari fattori strumentali e da tre parametri intrinseci al campione, la densità protonica (ρ), T 1 e T 2. I fattori strumentali, come la sequenza utilizzata, sono sfruttati al fine di esaltare il contrasto basato sulle differenze di T 1 e T 2. TR e TE corti TR e TE lunghi TR lungo e TE corto immagini T1 pesate immagini T2 pesate immagini pesate dalla densità protonica

13 Per esempio, una sequenza T 1 -pesata aumenta il segnale dei tessuti con T 1 più corto (più chiaro nell immagine risultante). Viceversa una sequenza T 2 pesata porta ad una scomparsa del segnale (più scuro nelle immagini) per le regioni caratterizzate da T 2 corti. corto TR e corto TE = immagini T 1 pesate lungo TR e lungo TE = immagini T 2 pesate lungo TR e corto TE = immagini pesate da ρ

14 Immagini pesate in T1 e T2 Tessuto A: tessuto solido Tessuto B: acqua libera

15 Esempi di immagini pesate in T1 e T2

16 Il successo della MRI è legato alla coincidenza per cui i tempi di rilassamento sono correlati all ambiente biochimico che caratterizza un determinato tessuto, che spesso cambiano in presenza di una patologia. Per esempio in molti tumori il contenuto totale di acqua e il rapporto tra H 2 O libera e H 2 O coordinata aumentano portando come conseguenza una aumento di T 1 e T 2.

17 Nonostante il grado di contrasto ottenibile comunemente nelle immagini MRI sia sufficiente, in alcuni casi ρ, T1 e T2 non sono così diversi da permettere una buona risoluzione. Il contrasto deve quindi essere aumentato andando ad aumentare o diminuire l intensità del segnale di un tessuto rispetto ad un altro. Questo si realizza somministrando un adatto MEZZO DI CONTRASTO.

18 - Mezzi di contrasto paramagnetici sono ioni metallici con elettroni spaiati generalmente Gd(III) e Mn(II). Questi metalli non possono essere usati come agenti di contrasto nelle loro forme ioniche poiché hanno una biodistribuzione non desiderata e sono altamente tossici, si usano quindi i loro complessi. - Agenti superparamagnetici sono particelle di ossido di ferro ricoperte con polisaccaridi: se d> 50 nm superparamagnetic iron oxide (SPIO) si concentrano nel fegato e nella milza se d<50 nm ultra small SPIO (USPIO) rimangono nel sangue per tempi lunghi e si accumulano nei linfonodi.

19 Un agente di contrasto può essere visto come un catalizzatore che aumenta le velocità di rilassamento dei tessuti. R 1 = (1/T 1 ) e R 2 = (1/T 2 ) R 1 = r 1 [CA] + R 1-tessuto R 2 = r 2 [CA] + R 2-tessuto dove r 1 e r 2 sono le relassività, [CA] la concentrazione dell agente di contrasto mmoli/kg di peso corporeo. r 1, r 2, R 1-tessuto e R 2-tessuto dipendono dalla temperatura e dal campo magnetico B 0.

20 L intensità del segnale SI è funzione dell agente di contrasto, dello strumento e delle proprietà dei tessuti. Fissando T 1 = 0.5 s, T 2 = 0.1 s, TE = 0.03 s e TR 0.5 s

21 Dato che T 1 > T 2, per molti tessuti, l effetto relativo di un agente di contrasto su T 1 è molto più grande che su T 2. Esempio di risonanza magnetica di una lesione celebrale a) prima e b) dopo la somministrazione dell agente di contrasto.

22 T 1 della materia bianca celebrale 800 ms a 1.5 T T 1 della lesione 1000 ms prima del contrasto la dose standard di un agente di contrasto è di 0.1 mmol di Gd/ Kg di peso corporeo il volume extracellulare (plasma e gli interstizi) è circa 200 ml/ Kg di peso corporeo quindi la concentrazione del mezzo di contrasto nel tessuto sarà 0.5 mm e supponendo che anche nella lesione la concentrazione sia analoga [CA] = 0.5 mm R 1 = [CA] r 1 + R 1tes = 0.5 mm 4 mm -1 s s -1 = 3 s -1 T 1 = 330 ms dopo il contrasto T 1 viene ridotto da 1000 a 330 ms cioè del 60%.

23 T 2 lesione 120 ms prima del contrasto R 2tes = (1/120) 1000 = 8.33 s -1 R 2 = [CA] r 2 + R 2tes = 0.5 mm 5 mm -1 s s -1 = s -1 T 2 = 92 ms dopo il contrasto T 2 viene ridotto da 120 a 92 ms cioè di circa il 25%. Generalmente nelle immagini T 1 pesate, l effetto dell agente di contrasto non influenza o influenza molto poco il tempo di rilassamento T 2.

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