possibilità di monitorare funzioni cellulari,normali o alterate, e processi molecolari in sistemi viventi biomarker

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2 possibilità di monitorare funzioni cellulari,normali o alterate, e processi molecolari in sistemi viventi biologia molecolare tecniche imaging biomarker non perturbazione caratteristiche chimico fisiche (carica, φ, δ, μ...) perturbazione (eventuale) del sistema interazione molecolare con sistema (lesione, organismo) pathway biochimici target specifici 18 FDG 18 F FES β + imaging effetti imaging cause 2

3 3 TC Ultrasuoni MRI SPECT PET/CT Imag. ottico

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6 radionuclide β + emissione β + sempre carrier farmacocinetica attività biologica* quasi sempre [ 18 F]NaF legante permette legame radionuclide carrier spesso non nei fluorurati 6

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9 oncologia FDG adatti ad individuare vari tipi di tumore (indicazione generale) perché seguono meccanismi metaboloci o cellulare alterati per la sola presenza della potologia (es.: 18 FDG) 2010 oncologia individuano fenomeni peculiari di un certo tipo di tumore/patologia (es.: ipossia con 18 FMISO) 9

10 CELLULA glucosio GLUT 1 E OH glicolisi piruvato sintesi nucleotidi esochinasi E resp.anaer. ciclo acido citrico fosforilazione ossidativa 10

11 sangue proteine E ciclo di Krebbs e produzione di energia/(glucosio) produzione inefficiente di E precursori di varie biomolecole; CH 3 ribosomi (sintesi proteica de novo) oncogeni deregolati: trasportatori sintesi proteica per cellula neoplastica 11

12 L 3 [ 18 F]fluoro α methyl tyrosine cervello, linfomi topi espres.nuove prot. uomo mecc. pred. è trasp. AA. mecc. di FDG per stesse lesioni. ingresso cellulare simile DOPA 2 [ 18 F]fluoro L tyrosine NSCLC, carcinoidi, t. muscoloschel., sens.<fdg; spec. > FDG miglior differenz. les. ben. mal. perché più correlata con neoang. e prolif. (HIC) poco studiata, stereois. d ++ eff. R% ipsr R% media ipsr * [ 18 F]fluoro L dihydroxyphenylalanine O (2 [ 18 F]fluoroethyl) L tyrosine poco stud.: melanoma, 1999 brain, ca. cell. squam.; non sost. FDG; utile in paz selez. per differ. > tum. infiamm., (import. gliomi per assorb. FDG) R% 6 >> 2 ipsr * R% alta ipsr 1989 metabolita della Tyr, disord. sist.dopaminergico decarb FDOPA e fuoriusc. bloccata da carbidopa (inibit. decarbossill) oncol.: melan., mamm. Recent.:carc., midoll. tiroide, feocrom. (altern. a 11C MET per t. cerebr. prim.) topi anche espress nuove prot.; uomo >>ipsr FDOPA<sens FDG, ma >spec. sia perché trac. fenom. div. e < assorb basale; tum.uptake veloce promett. radiotrac. onco. Riferimenti: MET = [11C metil] metionina ; ILT L 3 [123I]iodo α metiltirosina 12

13 somatostatina analoghi 1994 biodistrib. migliore solub. accumulo epatico elimin. renale ratio T/B > 2002 pessimi traccianti ratio T/B: accumul. epatico 68 Ga DOTA TOC/NOC/TATE; 123 I Tyr 3 octreotide; 111 In DTPA d Phe 1 octreotide ( 111 In pentetreotide) 13

14 3' deoxy 3' [ 18 F]fluorothymidine UPTAKE NUCLEOSIDI tasso prolifer. caratteriz. neoplasia relaz. FDG uptake:prolif. = complessa! sintesi proteica:prolif. (correlati indiret.) SINTESI NUOVO DNA correlato tracciante HIV 1991 R% diff. TK1 trasp.med. TK1 Timidin chinasi TK1 (attività ciclo cell dipend.) TK1 dereg. in tumori 15x (prb, E2F, DNA indip.) FLT:FDG FLT correla con Ki 67 e [ 3 H]Timidina rispetto FDG. specificiità sensibilità uptake midollo, fegato, reni cervello (metastasi??) no uptake infiammazioni (?) FLT per diagnosi/staging? FLT per valut. risposta precoce trattam specificità FLT tracciante ancora da studiare meglio FBAU FMAU FAU linfomi, pancreas, colon retto, t. toracici, polmone 14

15 ormoni sessuali ruolo in tumori (seno, prostata, ovaio) colesterolo plasma citopl. lipoproteine gonadi (test., ovai), mid.surr. placenta maturaz. e funz. sessuale, car.second. asse ipotalamico ipofisario buono su paz.selez non sempre >FDG estrogeni tumore seno 60 70% ER+; 50% ER+ risp. tamoxifene ER+ HIC, no metastasi + 20 anal. 95 % alb. 16α [ 18 F]fluoroestradiolo 17β SBG ERs SBG ES solfati tumore 16α [ 18 F]fluorestradiol 3,17βdisulphamate 2001 ANALOGHI R% 16β [ 18 F]fluoromoxestrolo aff. per CA! R.aut% inibitore ES solfatasi ALTA AFFINITA' PER RECET. (=SPECIFICITA') ALTA AFFINITA' PER SBG ELEVATO UPTAKE F poco stud. NON METABOL. PLASMA analoghi norprogesterone risult. scoraggianti biodistrib non effic non ancora uso clinico molto promettenti non ancora uso clinico analoghi testosterone 15

16 a.grasso sintasi amminoalcol derivato da ammina quaternaria H 2 18 F C C O [ 18 F]FAC O [ 18 F]fluoroacetato colina trasmissione colinergica trasduzione del segnale sintesi fosfolipidi supera barriera EE (fond. nel cervello) C Cho 11C Cho, 18FCH, 18FEC aff. strutt assorbimento simile precurs. di molte molecole fosforilcolina acetilcolina fosfolipidi alimentazione vitamina J (B) Recet. Colin chinasi fosforilcolina sint. de novo FCH R.aut % m [ 18 F]fluorocholine 1997 FEC R.aut % m [ 18 F]fluoroethylcholine 18 F N + OH deregolazione colin chinasi (CK) prolif. necess. compon. memb. cell. livel. colina cellula (fond. fisiopatolog.) sintesi de novo lenta uptake prolif. Recet. polmoni colon esofago cervello prostata FPC [ 18 F]fluoropropylcholine [ 18 F]fluoromethylcholine FMEC [ 18 F]fluoroethylmethylcholine 16

17 [ 18 F]fluoromisonidazole R% 1995 H 2 O 2 O 2 OH normossia ipossia % tracer uptake % radiosensibilità 64 Cu ATMS/ATSE/DTSM 18 F MISO cellule più resistenti* ai trattamenti radioterapici modello compartimentale binario import. valut.estensione e grad. definire piano tratt. prevedere risultati po 2 (mmhg) R% pochi studi > FMISO >r:t/b e T/M 1997 [ 18 F]fluoroeritroimidazolo [ 18 F]fluoroetanidazolo FMISO fegato tr.urin ago Eppendorf HIF 1α pimonidazolo riduttasi usato HIC corr.hic e Eppend non uomo * [ 18 F]fluoronitroimidazolo acetamide e analogo pentafluorurato [ 18 F]fluoropropylnitroimidazole (FNP) 18 F FAZA 17

18 METABOLISMO OSTEOBLASTI [ 18 F] NaF idrossiapatite fluorossiapatite 18 F [ 99m Tc] risultati simili SPECT costi METABOLISMO NUCLEOTIDI 1950 FU analogo pirimidinico proposto come chemioterapico (antimetabolita) [ 18 F] FU 5 [ 18 F]flurouracile 5 FU F nucleotide correlazione con risp. trattam. 5 FU uptake metastasi fegato FUH 2 inattivo poco adatto per diagnosi reni biodistrib. non ottim. 18

19 Il panorama attuale dei radiofarmaci fluorurati sta rapidamente diventando una "giungla" di nuove molecole dalle potenzialità ancora poco conosciute Il confronto con un radiotracciante dalle ottime caratteristiche quale l'fdg ed esperienze del passato e del presente ci suggeriscono che molte di tali molecole non raggiungeranno mai l'applicazione clinica...sebbene gli studi in vivo potrebbero mostrare caratteristiche inattese. Con la definizione di sintesi autumatiche robuste alcuni radiofarmaci più promettenti come FHC, FEC e FMC, FES, FLT troveranno un impiego sempre maggiore Ciò sarà probabilmente reso possibile da kit di sintesi in chip per dispensazione di monodosi...in un futuro non troppo lontano probabilmente produrremo mono dosi di molti radiofarmaci diversi in diversi momenti della giornata. Ciò stimolerà anche una ricerca più approfondita dei loro meccanismi di imaging molecolare 19

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22 CICLOTRONE 22

23 Meccanismi di blocco Fosforilazione Esterificazione Ingresso in patway metabolici (sintesi di proteine, acidi nucleici) CELLULA X Meccanismi di ingresso Recettore Diffusione Trasp. facilitato (pompe e/o canali) Adesione superficiale Fagocitosi 23

24 Perché PET/TC? La tomografia ad emissione di protoni accoppiata con TAC è una metodica diagnostica che si avvale dell utilizzo di radionuclidi emittenti positroni TASSO CRESCITA ESAMI PET IN ITALIA % specificità (pochi falsi positivi) sensibilità (pochi falsi negativi) risoluzione spaz. tempi ridotti diagnosi (NETs)* numerose applicazioni (oncologia, neurologia...) ruolo scelta della terapia (re) staging 24

25 β + β + γ n γ 1 p 1 n + β + + ν 25

26 92 elementi chimici 1300 nuclidi differenti 80% è instabile DECADIMENTO: processo spontaneo di raggiungimento di una condizione energetica (più) stabile attraverso l'emissione di radiazione corpuscolata e/o elettromagnetica 26

27 analoghi di amminoacidi Na + dipendenti A Gly Asc specifici non ubiquitari Na + indipendenti L y+ B0,+ Riferimenti: MET = [11C metil] metionina + conosciuto ILT L 3 [123I]iodo α metiltirosina

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31 FONDAMENTO USO FDG 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (FDG) is currently the only positron emission tomography (PET) trac for routine cancer imaging. Its synthesis was published in 1975 and the first human images were obta 1976 [1]. The initial clinical indications were limited to the assessment of myocardial viability and the e of suspected recurrent brain tumours. Thanks to the development of scanners with the capability to ra obtain high-quality images, PET has become a major player in the field of oncological imaging. FDG-P oncology relies on research published by Warburg decades ago [2, 3] that showed increased glycolys tumour cells, with an increase in glucose metabolism and lactate production and a decrease in oxidat pathways. The simplified mechanism of uptake of FDG by tumour cells is now well understood: as a g analogue, FDG enters the cell membrane using the same transporters as glucose (GLUT); it is then phosphorylated into 18F-FDG-6-phosphate by the hexokinase. This metabolite is not a substrate for f enzymes and thus accumulates inside the cell, in proportion to the metabolism of glucose. Such accu of phosphorylated radiotracer creates a gradient between the tumour and surrounding tissues, highly favourable to the detection of cancer lesions.

32 Proliferazione cellulare: [ 18 F]- FAC e sintesi di membrane Acetato L acetato entra nel metabolismo delle cellule sotto forma di Acetil -CoA

33 Proliferazione cellulare: [ 18 F]- FAC e sintesi di membrane Nelle cellule tumorali, l enzima acido grasso sintasi è sovraespresso. La maggior parte dell acetato è incorporato nelle membrane sotto forma di fosfatidilcolina. H 2 C 18 F C O O 18 F-FACFAC Il 18 F-FAC FAC è un analogo dell acetato, in cui un idrogeno è sostituito con l atomo radiattivo 18 F si suppone segua il metabolismo dell acetato.

34 Radiofarmaci ad uso oncologico Metabolismo glucidico: 18 F FDG (2-fluoro-2-desossiglucosio Trasporto aminoacidi, sintesi proteica: 11 C metil-metionina (MET), 18 F-fenilalanina, 11 C e 18 F-colina, 11 C-tirosina e 18 F-Fluoroetiltirosina (FET) Sintesi lipidica: 11 C acetato Sintesi DNA: ¹¹C o 18 F timidina (FLT) Captazione specifica (NIS): 124 I Espressione recettoriale: 68 Ga-DOTATOC ed analoghi, 18 F-FES Espressione antigenica: 18 F monoclonali Sensibilità a chemioterapici: 18 F fluorouracile Marcatori di ipossia: 18 F-MISO, 18 F-FAZA o 64 Cu-ATSM Flusso sanguigno: H 2 15 O

35 Conclusioni 1 La PET, attraverso i numerosi radiofarmaci utilizzabili, offre la possibilità di studiare tutti gli aspetti funzionali della neoplasia; in Radioterapia il loro uso può servire a meglio definire il BTV e a modulare l irradiazione, incrementando la dose nei punti a maggior rischio. La PET consente infine di valutare correttamente la risposta alla terapia.

36 Ma nella pratica Conclusioni 2 (con qualche problema ) solo il 18 F-FDG ha la monografia in Farmacopea ed è registrato per la vendita; per tutti gli altri radiofarmaci PET, in attesa della monografia (!!!), occorre operare all interno di protocolli sperimentali (D.Lgs.200/2007), di difficile gestione su indagini diagnostiche routinarie, e soprattutto senza prospettive di normalizzarne l uso.