Obraz opublikowany został w prestiżowym czasopiśmie „Science Advances”. Obrazowanie przeprowadzono za pomocą skonstruowanego na UJ pierwszego na świecie przenośnego wielofotonowego tomografu J-PET. Obrazowanie pozytonium to nowa metoda diagnostyczna wynaleziona i opatentowana przez prof. Pawła Moskala z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ.
Polega ona na obrazowaniu właściwości atomów pozytonium (atomów z elektronu i anty-elektronu) wytwarzanych w komórkach człowieka w trakcie diagnozowania tomografem PET. Metodę wykonania pierwszego obrazowania pozytonium opracowali naukowcy z Instytutu Fizyki UJ im. Mariana Smoluchowskiego: prof. Paweł Moskal (Zakład Doświadczalnej Fizyki Cząstek i jej Zastosowań) oraz prof. Ewa Stępień (Zakład Fizyki Medycznej). Badania przeprowadzono w trakcie nowatorskiej terapii nowotworów glejaka prowadzonej przez prof. Leszka Królickiego i prof. Jolantę Kunikowską w Warszawskim Uniwersytecie Medycznym.
Pozytonium to atom zbudowany z elektronu i pozytonu. Pozyton (elektron o ładunku dodatnim będący antycząstką elektronu) jest emitowany przez niektóre pierwiastki promieniotwórcze, takie jak np. promieniotwórczy fluor. Atom pozytonium wytwarzany jest w pustych przestrzeniach molekularnych ciała pacjenta podczas pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). W badaniu PET pacjentowi wstrzykiwany jest farmaceutyk znakowany pierwiastkiem promieniotwórczym, który emituje pozytony. Pozytony w wyniku anihilacji z elektronami w ciele pacjenta tworzą fotony, których energia jest ponad 100 tysięcy razy większa niż energia fotonów widzialnych. Tak wysokoenergetyczne fotony przelatują przez ciało pacjenta i wytwarzają sygnały w tomografie. W oparciu o te sygnały tworzy się obraz miejsc anihilacji, który pozwala na zobrazowanie, jak szybko metabolizowany jest farmaceutyk w tkankach pacjenta. Czasem zanim dojedzie do anihilacji elektronu z pozytonem powstaje atom pozytonium. Właściwości atomów pozytonium wytwarzanych w ciele pacjenta (takie np. jak ich czas życia od powstania do anihilacji na fotony) zależą od struktury molekularnej tkanki i stężenia molekuł tlenu. Dlatego pomiar właściowści atomów pozytonium w tkankach może dostarczyć diagnostycznie użytecznych informacji. Obecne systemy PET rejestrują tylko dwa fotony z anihilacji elektronu z pozytonem i nie są w stanie dostarczyć informacji o czasie życia pozytonium.
W artykule „Positronium image of the human brain in vivo”, który został opublikowany w „Sience Advences” przedstawiono pierwsze na świecie obrazy in vivo czasu życia pozytonium w ludzkim ciele, u pacjenta z glejakiem wielopostaciowym, przy użyciu tomografu J-PET zbudowanego na Uniwersytecie Jagiellońskim. Tomograf ten, jako obecnie jedyny na świecie, umożliwia jednoczesną detekcję fotonów anihilacyjnych i kwantów gamma emitowanych przez atom promieniotwórczy przyłączony do farmaceutyku. Kwant gamma dostarcza informacji o czasie tworzenia się pozytonium w tkance, natomiast fotony powstałe w wyniku anihilacji pozytonium służą do rekonstrukcji miejsca i czasu jego rozpadu. W opublikowanych badaniu wyznaczono, że czasy życia pozytonium w komórkach glejaka wielopostaciowego są krótsze niż w gruczołach ślinowych i zdrowych tkankach mózgu, co wskazuje, że obrazowanie pozytonium może znaleźć zastosowanie w diagnostyce chorób nowotworowych.
Prof. Paweł Moskal opracował metodę i zgłosił patent na obrazowanie pozytonium w 2013 roku. W tym samym roku dr Grzegorz Korcyl z Instytutu Informatyki UJ zgłosił patent na metodę akwizycji sygnałów skanerów PET pozwalającą na wielofotonowe obrazowanie.
W 2016 roku grupa badawcza Jagielloński-PET (J-PET) założona i kierowana przez prof. Moskala uruchomiła pierwszy na świecie wielofotonowy tomograf PET, czyli taki, który umożliwia rejestrowanie dowolnej liczby kwantów promieniowania emitowanych z człowieka po podaniu radiofarmaceutyku. Używając tomografu J-PET wykonano pierwsze na świecie obrazy wielofotonowe PET opublikowane w „Nature Communications”, oraz otrzymano pierwsze ex-vivo (poza organizmem) obrazy pozytonium tkanek zdrowych i nowotworowych opublikowane w „Science Advances”.
Eksperyment do pierwszego obrazowania ex-vivo pozytonium zaprojektował prof. Paweł Moskal, a prof. Ewa Stępień opracowała protokół medyczny i dobór tkanek pacjentów tak, aby zmaksymalizować szanse zaobserwowania różnic w czasach życia pozytonium. Operacje pacjentów przeprowadził dr Grzegorz Grudzień ze Szpitala Jana Pawła II w Krakowie, a pomiary tomografem J-PET przeprowadził dr Kamil Dulski.
Plan eksperymentu i dobór tkanek okazał się strzałem w dziesiątkę. Wyniki tego eksperymentu były przełomem na drodze do dzisiejszego obrazu klinicznego i przekonały środowisko fizyków medycznych i medyków, że warto rozwijać badania z pozytonium, aby opracować nowy wskaźnik diagnostyczny.
Pierwsze obrazy pozytonium ex-vivo w laboratorium pokazały, że nie tylko da się wykonywać jednocześnie obrazy PET i obrazy pozytonium (połączenie technik obrazowania PET i spektroskopii czasu życia pozytonu PALS), ale także, że pozytonium jest obiecującym markerem diagnostycznym, ponieważ zaobserwowano wyraźne różnice między zdrowymi a nowotworowymi tkankami. Pierwsze ex-vivo obrazy pozytonium opublikowało czasopismo „Science Advances” w 2021 roku w artykule „Positronium imaging with the novel multiphoton PET scanner”.
W 2019 roku w czasopiśmie „Physics in Medicine and Biology” i w 2020 w „European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging Physics” ukazały się prace, w których prof. Moskal wraz z zespołem J-PET wykazali, że obrazowanie pozytonium jest możliwe do zrealizowania nie tylko w laboratorium, ale także w praktyce klinicznej.
W latach 2016-2021 budowano przenośny i modularny tomograf J-PET. Cały tomograf ważący tylko 60 kg został zaprojektowany tak, aby można go było łatwo instalować w szpitalu. Pierwsze obrazowania pozytonium wykonano w 2022 roku na Uniwersytecie Medycznym w Warszawie w Zakładzie Medycyny Nuklearnej kierowanym wtedy przez konsultanta krajowego medycyny nuklearnej prof. Leszka Królickiego.
Opublikowany w wrześniu 2024 r. artykuł w „Science Advances” przedstawia pierwsze wyniki z tych badań. W bieżącym roku w Szpitalu Uniwersyteckim w Krakowie, rozpoczęto kolejną serię badań tomografem J-PET. Tym razem w Zakładzie Medycyny Nuklearnej kierowanym przez prof. Annę Sowę-Staszczak wchodzącym w skład Oddziału Neuroendokrynologii kierowanego przez prof. Alicję Hubalewską-Dydejczyk. Celem badań jest sprawdzenie, w jakim stopniu obrazowanie pozytonium może być wykorzystywane w diagnozowaniu nowotworów neuroendokrynnych.
Budowa nowatorskiego tomografu wymagała opracowania wielu nowych metod koniecznych do skonstruowania i wycechowaniu systemu tomograficznego (w sumie ponad 40 patentów). Prace badawcze wykonywał zespół w składzie: dr Grzegorz Korcyl (system akwizycji programowalnej), dr Szymon Niedźwiecki (budowa i cechowanie detektora), dr Sushil Sharma (cechowanie energetyczne), dr Łukasz Kapłon (polimeryzacja scyntylatorów), dr Eryk Czerwiński (serwery komputerowe i stacje danych), dr Piotr Kapusta (elektronika), mgr inż. Marcin Kajetanowicz (elektronika), mgr inż. Andrzej Heczko (projekty mechaniczne), inż. Wojciech Migdał (budowa tomografu, walidacja mechaniki i elektroniki), Krzysztof Kacprzak i Aleksander Gajos (algorytmy tworzenia sygnałów).
Zbudowane wersje tomografów J-PET, laboratoryjny i przenośny, posłużyły do zaprojektowania tomografu PET na całe ciało, który jest obecnie budowany przez krakowską grupę J-PET. Prace potrwają do 2028 roku. Budowę finansuje Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Uniwersytet Jagielloński. Tomograf J-PET na całe ciało, będzie unikalnym urządzeniem badawczym na skalę światową. Będzie zainstalowany w założonym przez prof. Stępień i prof. Moskala Centrum Teranostyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Tomograf ten umożliwi wykonywanie nie tylko obrazów, ale także filmów ukazujących metabolizowanie farmaceutyków w całym ciele pacjenta i będzie pierwszym tomografem umożliwiającym jednoczasowe obrazowanie PET, obrazowanie pozytonium i obrazowanie splatania kwantowego fotonów opracowywane właśnie przez Zespół J-PET [https://arxiv.org/abs/2409.07963].
Budowa tomografów była możliwa dzięki grantom przyznanym prof. Moskalowi przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Ministerstwo Szkolnictwa Wyższego i Nauki oraz Ministerstwo Edukacji i Nauki. Natomiast prowadzenie badań i rozwój grupy badawczej był możliwy dzięki grantom MPD oraz TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i grantom OPUS-18, OPUS-22 i MAESTRO kierowanym przez prof. Moskala oraz grantom OPUS-17 i OPUS-23 kierowanym przez prof. Stępień, jak również wsparciu Uniwersytetu Jagiellońskiego poprzez Projekt Flagowy Centrum Teranostyki kierowany przez prof. Stępień i prof. Moskala w ramach programu Inicjatywa Doskonałości Uniwersytet Badawczy IDUB programy SciMat i qLife Priorytetowe Obszary Badawcze (POB) Uniwersytetu Jagiellońskiego.
W tym roku prof. Stepień i prof. Kuanguy Shi z Uniwersytetu w Bern w Szwajcarii rozpoczęli projekt badawczy OPUS-LAP na rozwinięcie obrazowania pozytonium w praktyce klinicznej za pomocą klinicznego tomografu Biograph Quadra, który firma Siemens udoskonaliła tak, by umożliwić obrazowanie pozytonium.
Źródło: materiały Uniwersytetu Jagiellońskiego, zdjęcia w tekście: Uniwersytet Jagielloński
Zostaw komentarz
You must be logged in to post a comment.