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.
Этот шприц содержит радиоактивный аналог глюкозы, известный как ФДГ. Вскоре врач введёт препарат в руку пациенту, который сейчас обследуется на онкологию на ПЭТ-сканере. ФДГ быстро распространится по организму, и если у пациента есть опухоль, то её раковые клетки задержат в себе значительную часть препарата, что и зарегистрирует сканер. Меченые молекулы, такие как ФДГ, открывают широкие возможности для медицинской диагностики. Они создаются в ускорителе заряженных частиц всего за несколько часов до исследования.
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.
Упомянутый ускоритель частиц называется циклотрон; часто он располагается в изолированном помещении на территории больниц. С помощью электромагнитных полей он раскручивает заряженные частицы, как, например, протоны, всё быстрее и быстрее по спиралевидной траектории. Когда протоны достигают максимальной скорости, они начинают бомбардировать специальную мишень с водой которая обогащена тяжёлой формой кислорода — кислородом-18. При столкновении с одним из таких тяжёлых атомов кислорода, протон выбрасывает другую элементарную частицу — нейтрон. Эта реакция превращает кислород-18 во фтор-18 — радиоактивный изотоп, который можно обнаружить на ПЭТ-сканере. Спустя почти два часа половина радиоактивного фтора распадётся, так что нужно поторопиться с получением снимка.
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.
Так как же именно применяется фтор-18 для обнаружения болезней? Радиохимики с помощью цепочки химических реакций могут внедрять радиоактивный фтор в различные молекулы, синтезируя меченые соединения. В зависимости от целей диагностики, применяются разные соединения. ФДГ широко используется, поскольку по скорости поглощения клетками глюкозы можно судить о наличии онкологии, локализовать инфекцию или обнаружить деменцию — замедление мозговой функции.
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.
Теперь ФДГ можно вводить. Когда радиоактивный препарат попадает в организм, он перемещается по кровеносным сосудам до его поглощения на поражённых участках — например белка́ми головного мозга или раковыми клетками. Всего за несколько минут значительная часть препарата достигнет поражённых зон, а остаток покинет кровеносную систему. Теперь врачи могут увидеть затронутый болезнью орган на ПЭТ-сканере, или позитронно-эмиссионном томографе.
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.
Это возможно благодаря радиации, излучаемой изотопами. Изотопы, используемые в ПЭТ, распадаются под воздействием позитронного излучения. По своей сути позитроны — это положительно заряженные электроны. Высвобождаясь, позитрон сталкивается с электроном одного из соседних атомов. В результате на уровне частиц происходит ядерная реакция, так что их масса переходит в энергию в виде двух мощных фотонов, аналогично рентгеновским лучам, которые распространяются в разные стороны. Эти фотоны затем сталкиваются с парными детекторами, расположенными вдоль рамки сканера. Программное обеспечение считывает информацию с детекторов, чтобы оценить, где именно в организме произошло столкновение частиц, и создаёт трёхмерную карту распределения радиоактивных изотопов. ПЭТ-сканеры могут зафиксировать очаг онкологии на более ранних стадиях, чем другие методы лучевой диагностики. ПЭТ также произвели революцию в диагностике болезни Альцгеймера, позволив врачам обнаруживать бета-амилоид, характерное для болезни скопление белков, которое иначе можно выявить только при вскрытии. Тем временем исследователи активно разрабатывают новые меченые соединения и расширяют технические возможности ПЭТ-сканеров.
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.
Но коль скоро мы упомянули о радиации и ядерных реакциях внутри организма, так ли безопасны ПЭТ-сканеры? Хоть радиация и не бывает абсолютно безвредной, доза облучения при ПЭТ-обследовании в действительности довольно невысока. Одно обследование сопоставимо с радиацией, которую мы получаем за 2-3 года из естественных радиоактивных источников, как, например, от газа-радона; и соответствует фону космической радиации, который накапливают пилоты за 20–30 трансатлантических перелётов. Многие пациенты идут на такой риск ради возможностей диагностики и лечения заболеваний.