تحتوي هذه الحقنة على الغلوكوز المشع والذي يعرف بفلورالغلوكوز منزوع الأوكسجين. وبعدئذٍ ستقوم الطبيبة بحقن محتوياتها في ذراع مريضها، الذي تفحصه للكشف عن السرطان بالتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. سيبدأ الغلوكوز المشع بالتحرك سريعًا في الجسم. فإذا كان عند المريض ورم، ستمتص الخلايا السرطانية جزءًا كبيرًا من الغلوكوز المشع، والذي سيرشد بدوره الأشعّة المقطعيّة. تُعتبَر كاشفات التصوير المقطعي مثل الغلوكوز المشع من بين أكثر الأدوات التشخيصيّة الطبّيّة الجدير بالذكر، التي كانت بدايتها بمسرعٍ للجزيئات، قبل ساعاتٍ فقط.
This syringe contains a radioactive form of glucose known as FDG. The doctor will soon inject its contents into her patient’s arm, whom she’s testing for cancer using a PET scanner. The FDG will quickly circulate through his body. If he has a tumor, cancer cells within it will take up a significant portion of the FDG, which will act as a beacon for the scanner. PET tracers such as FDG are among the most remarkable tools in medical diagnostics, and their life begins in a particle accelerator, just hours earlier.
إنّ مسرع الجزيئات المقصود يدعى السايكلوترون، والذي يكون موجودًا أحيانًا داخل مستودعٍ تحت الأرض في المستشفيات. يستخدم المسرّع حقولاً كهرومغناطيسيّة لدفع الجزيئات المشحونة كالبروتونات بشكلٍ أسرع وأسرع على طريقٍ حلزونيّ الشكل. وعندما تبلغ هذه البروتونات سرعتها القصوى، يتم قذفها باتجاه هدفٍ يحتوي بضع الميليلترات من الماء المكون من الأوكسجين الثقيل الذي يُعرف بالأوكسجين-18. عندما يصطدم البروتون بإحدى ذرّات الأوكسجين الثقيلة، فإنّه يحرّر بذلك جزيئة أخرى تحت ذرّيّة تدعى بالنيوترون. هذا التصادم يحوّل الأوكسجين-18 إلى الفلور-18، وهو نظير مشعّ يمكن الكشف عنه باستخدام الأشعّة المقطعيّة. في وقتٍ أقل من ساعتين، فإنّ نصف كميّة الفلور الناتج ستختفي بسبب الانحلال الإشعاعي، لذا فالساعة تدق للقيام بالفحص بسرعة.
The particle accelerator in question is called a cyclotron, and it’s often housed in a bunker within hospitals. It uses electromagnetic fields to propel charged particles like protons faster and faster along a spiraling path. When the protons reach their maximum speed, they shoot out onto a target that contains a few milliliters of a type of water with a heavy form of oxygen called oxygen-18. When a proton slams into one of these heavier oxygen atoms, it kicks out another subatomic particle called a neutron. This impact turns oxygen-18 into fluorine-18, a radioactive isotope that can be detected on a PET scan. In a little under two hours, about half the fluorine will be gone due to radioactive decay, so the clock is ticking to get the scan done.
لذا فكيف يستطيع الفلور-18 الكشف عن الأمراض؟ يستخدم الكيميائيون المختصون بالإشعاع في المشفى سلسلة من التفاعلات الكيميائيّة لربط الفلور المشعّ بمختلف الجسيمات، لصُنع الكاشفات المشعّة. يعتمد نوع الكاشف على ما يريد الأطباء رؤيته. يُعدّ الغلوكوز المشعّ شائعًا لأنّ معدل استهلاك الخلايا للغلوكوز يمكن أن يشير إلى وجود السرطان أو مكان وجود تعفن أو تباطؤ وظائف الدماغ في الخرف.
So how can fluorine-18 be used to detect diseases? Radiochemists at the hospital can use a series of chemical reactions to attach the radioactive fluorine to different molecules, creating radiotracers. The identity of the tracer depends on what doctors want to observe. FDG is a common one because the rate at which cells consume glucose can signal the presence of cancer; the location of an infection; or the slowing brain function of dementia.
أصبح الغلوكوز المشعّ جاهزًا لاستخدامه في فحص المريض. عندما يدخل الكاشف المشعّ الجسم، فإنّه يتنقّل عبر جهاز الدوران إلى أن يتلقّاه الجزء المستهدف ــ الذي يكون إمّا بروتين داخل الدماغ، أو خلايا سرطانيّة، أو غير ذلك. خلال بضع دقائق، يستطيع جزءٌ كبيرٌ من الكاشف أن يصل إلى هدفه، ويتم إخلاء الدورة الدموية من الجزء المتبقّي. فيستطيع الأطباء عندئذٍ الكشف عن مقصدهم بالأشعّة المقطعيّة، أو ما يسمّى بالتصوير المقطعي البوزيتروني.
The FDG is now ready for the patient’s scan. When a radiolabeled tracer enters the body, it travels through the circulatory system and gets taken up by its target— whether that's a protein in the brain, cancer cells, or otherwise. Within a few minutes, a significant amount of the tracer has found its way to the target area and the rest has cleared from circulation. Now the doctors can see their target using a PET, or positron emission tomography, scanner.
إنّ الإشعاع الذي يصدره الكاشف يجعل ذلك كلّه ممكنًا. تتحلل النظائر المسدخدمة في التصوير المقطعي بانبعاث البوزيترون. والبوزيترونات هي في الأساس إلكترونات ذات شحنة موجبة. وعندما تنبعث، فإنّ بوزيترونًا يصطدم بإلكترونٍ، منبعثٍ من جزيئةٍ محيطةٍ به. وهذا يسبب تفاعلًا نوويًّا صغيرًا والذي تتحوّل فيه كتلة الجزيئين إلى فوتونين لهما طاقة عالية، والذي يشبه الأشعة السينيّة، التي تنبعث في الاتجاه المعاكس. تؤثر هذه الفوتونات على مجموعة من الكاشفات المشعّة المقترنة في جدران الماسح الضوئي. تستخدم بعدئذٍ برمجيّات الماسح الضوئي هذه الكاشفات لتقدير الموقع الذي حصل فيه الاصطدام داخل الجسم وتصنع بعدها خريطة ثلاثيّة الأبعاد لتوزّع الكاشف. تستطيع الأشعّة المقطعيّة تحديد مجال انتشار السرطان قبل أن ترصدها أنواع التصوير الأخرى. وهم أيضًا يطوّرون طرقًا لتشخيص مرض الزهايمر وذلك بجعل الأطباء قادرين على رؤية الأمايلويد، وهو البروتين الذي ترتفع نسبته وهو الأمر الذي لا يمكن تأكيده بدون خزعة. في تلك الأثناء، فإنّ الباحثين يقومون بتطوير كاشفات جديدة وتوسيع المجالات التي من الممكن أن تستخدم فيها ماسحات الأشعة المقطعيّة.
The radiation that the tracer emits is what makes this possible. The isotopes used in PET decay by positron emission. Positrons are essentially electrons with positive charge. When emitted, a positron collides with an electron from another molecule in its surroundings. This causes a tiny nuclear reaction in which the mass of the two particles is converted into two high-energy photons, similar to X-rays, that shoot out in opposite directions. These photons will then impact an array of paired radiation detectors in the scanner walls. The software in the scanner uses those detectors to estimate where inside the body the collision occurred and create a 3D map of the tracer’s distribution. PET scans can detect the spread of cancer before it can be spotted with other types of imaging. They’re also revolutionizing the diagnosis of Alzheimer’s disease by allowing doctors to see amyloid, the telltale protein buildup that otherwise couldn’t be confirmed without an autopsy. Meanwhile, researchers are actively working to develop new tracers and expand the possibilities of what PET scans can be used for.
ولكن بالحديث عن الإشعاع والتفاعلات النوويّة التي تحدث داخل الجسم، هل تُعتبَر هذه الماسحات آمنة؟ على الرغم من أن أيّ كميّة من الإشعاع لا تعتبَر آمنة كلّيًّا، إلّا أن كميّة الإشعاع التي يتلقّاها الجسم أثناء التصوير المقطعي ضئيلة جدًّا. إنّ تصويرًا واحدًا يعادل ما يمكن أن تتعرّض له من أشعة على مدى ثلاث سنوات من المصادر الطبيعيّة للمواد المشعّة مثل غاز الرادون أو الكميّة التي يتعرّض لها الطيارون من الإشعاع الفضائيّ بعد عشرين إلى ثلاثين رحلة جوية عبر المحيط الأطلنطي. يتقبّل أغلب المرضى هذه المخاطر في سبيل الحصول على فرصة لتشخيص ومعالجة أمراضهم.
But with all this talk of radiation and nuclear reactions inside the body, are these scans safe? Even though no amount of ionizing radiation is completely safe, the amount of radiation the body receives during a PET scan is actually quite low. One scan is comparable to what you’re exposed to over two or three years from natural radioactive sources, like radon gas; or the amount a pilot would rack up from cosmic radiation after 20 to 30 transatlantic flights. Most patients feel that those risks are acceptable for the chance to diagnose and treat their illnesses.