La tomografia ad emissione di positroni

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1 La tomografia ad emissione di positroni Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni Presupposti fisici: Radionuclidi a breve emivita (es. 18 Fluoro, 15 Ossigeno) che decadono ed emettono positroni Positroni ed elettroni (stessa massa, carica opposta) annichilano e danno origine a due raggi in direzione diametralmente opposta, rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET) 1

2 Lo Studio in vivo del Metabolismo del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni 2

3 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni 18 FDG per misurare il metabolismo glucidico H 2 15 O per misurare il flusso ematico emivita (min) tempo di osservazione (min) durata singolo studio (min) numero di studi possibili nella stessa sessione PET Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positroneemittenti Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare: misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato distretto cerebrale Caratteristiche distintive 18 FDG H 15 2 O > 10 3

4 Barriera emato-encefalica 23/04/2012 Il modello del 18 Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale Plasma precursori Tessuto cerebrale prodotti metabolici [ 18 F]glicolipidi [ 18 F]deossiglicogeno [ 18 F]UDPDG [ 18 F]glicoproteine [ 18 F]deossiglucosio-1-P [ 18 F]deossiglucosio K* 1 K* 2 [ 18 F]deossiglucosio K* 3 esochinasi [ 18 F]deossiglucosio-6-P glucosio K 1 K 2 glucosio K 3 esochinasi G-6-Pasi glucosio-6-p fruttosio-6-p fosfoglucosio isomerasi CO 2 + H 2 O HO-CH 2 H H HO OH O H H OH HO-CH 2 H H HO OH O H H OH H glucosio OH H H 2-deossi-D-glucosio ( 18 F ) Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni 4

5 aumento % del metabolismo del glucosio 23/04/2012 Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche Condizione di riposo Effetti della stimolazione sensoriale visiva Corteccia Visiva occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scena complessa Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche 18 FDG -glucosio 18 F-fluorodopa Anziano Sano Malato AD 18 F-fluoroetilspiperone 5

6 Adapted from Gusnard & Raichle (2001) Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell Uomo in Condizioni Fisiologiche 6

7 Perché la PET?? Può usufruire di un numero illimitato di traccianti È un metodo quantitativo Ha alta sensibilità Ha un elevata risoluzione chimica Ha una risoluzione spaziale discreta (2 mm) PET: Metodologia La raccolta dei dati e i metodi di analisi dipendono dallo studio in questione Immagine semiqualitativa singola (immagine statica clinica) Analisi più dettagliate richiedono un acquisizione dinamica (elaborazione di un modello, campionamento ematico, ecc. Confronto tra gruppi a riposo Attivazione vs condizione di riposo Confronto tra attivazioni di gruppi diversi 7

8 PET statica semiqualitativa singola La tomografia ad emissione di positroni tra applicazioni cliniche 8

9 Utilità studi PET cerebrali Patologie neurodegenerative caratterizzazione clinica diagnosi differenziale tipizzazione evoluzione Tumori grading post-operatorio follow-up Epilessia Dolore cronico Disturbi del movimento Trauma Patologia ischemica e cerebrovascolare Patologie Infettive Mapping funzionale prechirurgico Il ruolo della PET nelle patologie neurologiche Parkinson Epilessia 9

10 Studio in vivo nell Uomo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Formazioni Neoplastiche Cerebrali Diagnostica Molecolare in Vivo Cellule neoplastiche: replicazione cellulare attività metabolica di sintesi attività glicolitica La misurazione del metabolismo cerebrale del glucosio consente di: determinare la natura (benigna/maligna) della neoformazione determinarne il grado di anaplasia ( anaplasia consumo glucosio) valutare nel tempo gli effetti della terapia e la presenza di eventuali recidive Il ruolo della PET nelle patologie neurologiche Corea di Hungtinton Traumi Cranici 10

11 Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Malattie Neurodegenerative: la Demenza di Alzheimer Progressivo e globale decadimento delle funzioni cognitive (memoria linguaggio, ragionamento, pensiero astratto, ecc.) Le riduzioni dei valori di SOGGETTO NORMALE DEMENZA INIZIALE DEMENZA MODERATA DEMENZA GRAVE metabolismo glucidico in pazienti con malattia di Alzheimer: prevalenti nelle regioni della neocorteccia associativa dei lobi parietale, temporale e frontale si aggravano con il progredire della malattia correlano con il quadro di disfunzione cognitiva e, in alcuni casi, possono precedere e predirre il successivo sviluppo dei deficit neuropsicologici Alzheimer s Disease: Diagnosi M 65 yrs 11

12 Alzheimer s Disease: Evoluzione Alzheimer s Disease: Correlazione con la clinica 12

13 La PET nella valutazione della demenza: Predire l evoluzione Silverman DHS et al., JAMA, 2001 La PET nella valutazione della demenza: Quale tipo di decadimento cognitivo? 13

14 Demenza Fronto-temporale F 70 yrs Visual Variant 14

15 PET quali frontiere per la neuropatologia? ß-amiloide Recettori nicotinici HC Healthy olders AD MCI AD MCI/AD Nordberg A., The Lancet Neurology, 2004 Sabri O., Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2008 Utilità studi PET cerebrali Patologie neurodegenerative caratterizzazione clinica diagnosi differenziale tipizzazione evoluzione Tumori grading post-operatorio follow-up Epilessia Dolore cronico Disturbi del movimento Trauma Patologia ischemica e cerebrovascolare Patologie Infettive Mapping funzionale prechirurgico 15

16 Trauma - TAC e RMN La valutazione in acuto di immagini strutturali e/o metabolicofunzionali è orientata all identificazione delle lesioni che necessitano di una terapia chirurgica d urgenza Trauma - DTI/PET/sRMN La valutazione funzionale in acuto può contribuire alla definizione dei processi patofisiologici iniziali, alla valutazione dell intervento terapeutico e al potenziamento delle strategie d intervento 16

17 Utilità studi PET cerebrali Patologie neurodegenerative caratterizzazione clinica diagnosi differenziale tipizzazione evoluzione Tumori grading post-operatorio follow-up Epilessia Dolore cronico Disturbi del movimento Trauma Patologia ischemica e cerebrovascolare Patologie Infettive Mapping funzionale prechirurgico Stroke - PET Valutare la funzionalità residua di ogni paziente Comprendere i meccanismi d azione delle varie terapie riabilitative o della risposta del paziente alle stesse al fine di una migliore scelta individuale 17

18 Utilità studi PET cerebrali Patologie neurodegenerative caratterizzazione clinica diagnosi differenziale tipizzazione evoluzione Tumori grading post-operatorio follow-up Epilessia Dolore cronico Disturbi del movimento Trauma Patologia ischemica e cerebrovascolare Patologie Infettive Mapping funzionale prechirurgico PET ruolo nelle infezioni Toxoplasmosi Linfoma 18

19 La PET cerebrale tra applicazioni cliniche e di ricerca reconstruction registration smoothing Interpretazione dei risultati, correlazione con dati comportamentali e verifica dell ipotesi Analisi dei dati: postprocessing Esperimenti PET Rationale: ipotesi sperimentale Selezione, screening, test psicologici e comportamentali Preprocessing e sessione sperimentale Paradigma sperimentale 19

20 Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni SELEZIONE DEL CAMPIONE Selezionare le caratteristiche di genere (maschi o femmine), età (giovani o anziani), educazione, anamnestiche (patologie o farmaci che interferiscono col metabolismo cerebrale) Selezionare il campione in base al compito sperimentale (es. selezione con Betts Questionnaire per studio di visual imagery) Training preliminare (attenzione ai bias introdotti dalla performance) Feedback della performance durante il compito! 20

21 Metodologia PET: confronto tra gruppi GRUPPO A GRUPPO B #1 #2 #3 NORMALIZZAZIONE SPAZIALE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) #4 #5 n ANALISI STATISTICA (ANOVA, T-TEST, CORRELAZIONE) IMMAGINE RISULTATO Metodologia PET: Attivazione vs condizione di riposo ATTIVAZIONE RIPOSO CONTROLLO NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas) IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE 21

22 Logica della sottrazione La sottrazione cognitiva è nata con gli esperimenti di reazione motoria (F. C. Donders). Esempio: T1: Premi un bottone quando appare una luce T2: Premi un bottone quando appare una luce verde ma non rossa T3: Premi il bottone sinistro quando appare una luce verde e il bottone destro quando appare una luce rossa T2 T1 = tempo per fare una discriminazione tra colori T3 T2 = tempo per prendere una decisione F. C. Donders Assunzione della inserzione pura: Si può inserire una componente nel compito sperimentale senza interferire con le altre componenti (N.B. grosso limite inerpretativo!) Paradigma sperimentale 22

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30 PET - applicazioni cliniche Oncologiche Cardiache Cerebrali Malattie Infettive Farmacologiche Metaboliche 30

31 Role of PET in oncology 40 minutes after injection with FDG, normal uptake in brain (Br) and in myocardium (C) and renal excretion into the urinary bladder (B) are visible. Also seen is a tumor (T) in the lungs, that takes up more FDG than the surroundings tissues PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione 31

32 PET-FDG: stadiazione e ricerca repliche Tumore primitivo (melanoma) Replicazioni Metastatiche PET-FDG: ricerca lesione primaria La PET Whole-body con un precursore della serotonina marcato con 11 C (5- hydroxytriptophan-5-http) usato come tracciante, dimostra un carcinoide bronchiale a secrezione ectopica di ACTH con metastasi al polmone 32

33 PET-FDG: stadiazione PET-FDG: stadiazione 33

34 Role of PET in oncology Post-therapy 18F-FDG PET/CTstudy of same patient There is no appreciable FDG uptake in mediastinum (especially in transverse and sagittal images) to suggest residual lymphoma. Note intense 18F-FDG uptake in bone marrow in shoulder joints, sternum, and thoracic vertebrae, consistent with post-therapy reactive bone marrow changes. Role of PET in oncology: therapeutic evaluation A 45-y-old man with NHL (diffuse large cell) underwent 18 FDG PET/CT before and after completion of chemotherapy Pretherapy 18FFDG PET/CT images reveal intense uptake in right supraclavicular region and right anterior mediastinum. Note physiologic uptake in myocardium. 34

35 PET-FDG: verifica della terapia Esame PET Linfoma di Hodgkin Esame PET Post-trattamento 35

36 Role of PET in infectious diseases Role of PET in infectious diseases A patient with fever of unknown origin FDG PET coronal images (left) show increased FDG uptake in the large thoracic vessels and arteria carotis communis (arrows), suggesting arteritis The arteria temporalis could not be visualized due to the proximity of the brain (subsequently arteria temporalis biopsy revealed giant cell arteritis) A follow-up scan (right) 6 weeks after initiation of corticoid therapy shows a decrease in the inflammatory process. 36

37 Il ruolo della PET nelle patologie cardiache: quando il miocardio è ibernato Confronto tra esame PET e scintigrafia perfusionale Il ruolo della PET nelle patologie cardiache: quando il miocardio è ibernato 37

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