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.
Questa siringa contiene una forma radioattiva di glucosio chiamata FDG. La dottoressa presto ne inietterà il contenuto nel braccio del paziente che sta esaminando per un tumore usando uno scanner PET. Il FDG entrerà subito in circolo nel corpo e se c’è un tumore le cellule tumorali presenti assorbiranno una porzione significativa di FDG, che agirà da segnale luminoso per lo scanner. I traccianti per la PET come il FDG sono tra gli strumenti più straordinari della diagnostica medica e la loro vita inizia in un acceleratore di particelle solo qualche ora prima.
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.
L’acceleratore di particelle in questione si chiama ciclotrone ed è spesso situato in un bunker all’interno degli ospedali. Esso usa i campi elettromagnetici per spingere particelle dotate di carica, come i protoni, sempre più velocemente in un percorso a spirale. Quando i protoni raggiungono la loro velocità massima, vengono sparati fuori contro un bersaglio contenente pochi millilitri di acqua composta da una forma pesante di ossigeno chiamata ossigeno-18. Quando un protone si schianta contro un atomo di ossigeno pesante, rimuove un’altra particella subatomica chiamata neutrone. Tale impatto converte l’ossigeno-18 in fluoro-18, un isotopo radioattivo che può essere rilevato da uno scanner PET. In poco meno di due ore, circa la metà del fluoro sarà svanito a causa del decadimento radioattivo, perciò il tempo per completare la scansione è limitato.
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.
Ma come si può usare il fluoro-18 per individuare delle malattie? I radiochimici ospedalieri possono usare una serie di reazioni chimiche per legare il fluoro radioattivo a diverse molecole, creando così dei radiotraccianti. La natura di tali traccianti dipende da ciò che i dottori vogliono osservare. Il FDG è una scelta comune perché la velocità a cui una cellula consuma il glucosio può segnalare la presenza di un tumore, il sito di un’infezione o la ridotta attività cerebrale tipica della demenza.
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.
Il FDG ora è pronto per la scansione del paziente. Quando un tracciante radioattivo entra nel corpo, viaggia nel sistema circolatorio e si lega al suo bersaglio, che sia una proteina nel cervello, una cellula tumorale o altro. In pochi minuti, un’elevata quantità del tracciante si dirige verso l’area bersaglio e il resto viene rimosso dalla circolazione. Ora i dottori possono vedere il bersaglio usando uno scanner PET, o tomografia a emissione di positroni.
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.
Le radiazioni che il tracciante emette sono ciò che rende il tutto possibile. Gli isotopi usati nella PET decadono emettendo positroni. I positroni sono essenzialmente elettroni con una carica positiva. Quando viene emesso, un positrone si scontra con un elettrone presente in un’altra molecola nelle vicinanze. Ciò causa una piccola reazione nucleare nella quale la massa delle due particelle è convertita in due fotoni ad alta energia simili a raggi-X, che vengono scagliati in direzioni opposte. Questi fotoni colpiranno poi una matrice di rilevatori di radiazioni accoppiati nelle pareti dello scanner. Il software nello scanner usa tali rilevatori per stimare dove la collisione abbia avuto luogo all’interno del corpo e per creare una mappa 3D della distribuzione del tracciante. La PET può rilevare la diffusione del tumore prima che possa essere identificato da altri metodi di diagnostica. Stanno anche rivoluzionando la diagnosi della malattia di Alzheimer permettendo ai medici di vedere le placche amiloidi, tipici accumuli di proteine che non si potrebbero confermare altrimenti senza un’autopsia. Intanto, i ricercatori stanno lavorando per sviluppare nuovi traccianti e per espandere le possibilità di utilizzo delle scansioni PET.
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.
Ma con tutto questo parlare di radiazioni e reazioni nucleari all’interno del corpo, queste scansioni sono sicure? Nonostante nessuna quantità di radiazioni ionizzanti sia completamente sicura, la quantità di radiazioni che il corpo riceve durante una PET è piuttosto bassa. Una scansione è paragonabile all’esposizione di due o tre anni a fonti di radiazioni naturali, come il gas radon; o alla dose di radiazioni cosmiche che un pilota accumulerebbe dopo venti o trenta viaggi transatlantici. La maggior parte dei pazienti ritiene che tali rischi siano accettabili rispetto alla possibilità di diagnosticare e curare le loro malattie.