J-PET, czyli o krok do polskiej rewolucji w diagnostyce nowotworów

Katarzyna Pinkosz, Wprost: PET: pozytonowa tomografia emisyjna to nowoczesna metoda diagnozowania, polegająca na badaniu emisji pozytonów: cząstek które powstają po rozpadzie izotopów radioaktywnych. Gdy badanie pokazuje podwyższony metabolizm i nagromadzenie się znakowanych izotopem cząsteczek w komórkach, może to świadczyć np. o chorobie nowotworowej. Diagnozowanie PET to wciąż nowość w medycynie, ale Pani współpracuje od lat z zespołem prof. Pawła Moskala, który opracował nowy rodzaj PET. Jego prototyp kilka miesięcy temu był już testowany w Szpitalu Uniwersyteckim UJ. Jagielloński PET (J-PET) to rewolucja w medycynie?

Prof. Ewa Stępień: To rewolucyjne rozwiązanie z kilku powodów. Po pierwsze – jest on zbudowany z plastiku, z polimerów: to nowy materiał, który nie był wcześniej wykorzystywany do budowy tomografów. Tradycyjne tomografy są zbudowane z materiałów krystalicznych. Tomograf zbudowany z plastikowych scyntylatorów znacząco obniży koszt tomografu, a to przyczyni się do większej dostępności pacjentów do tego typu badań. Będzie on też znacznie lżejszy.

Drugą rewolucyjną zmianą w medycynie jest to, że można przy pomocy tej tomografii analizować inne parametry, które do tej pory w tomografii PET nie były wykrywane i analizowane: tym innym parametrem jest parametr czasu życia pozytonium.

Co to jest pozytonium i czas życia pozytonium?

Zacznijmy od tego, jak działa „tradycyjny” PET: zjawisko wykrywane przy pomocy tomografii emisyjnej pozytonowej (PET) jest to zjawisko anihilacji pozytonu i elektronu: wykrywane jest miejsce, w którym dochodzi do ich połączenia i rozpadu, w wyniku czego powstają fotony, które są wykrywane przez PET. Można zlokalizować, skąd to promieniowanie jest emitowane, czyli gdzie może zachodzić np. proces nowotworowy. Wystarcza to do obrazowania metabolicznego, które najczęściej jest wykorzystywane do diagnostyki chorób nowotworowych. Pacjentowi podaje się np. glukozę znakowaną radioaktywnym fluorem; w tkankach, w których zgromadzi się więcej glukozy znakowanej radioaktywnym fluorem, sygnał jest silniejszy, czyli można zlokalizować zmianę np. nowotwotworową, której towarzyszy zjawisko nagromadzenia się radiofarmaceutyku.

Nowy parametr, który możemy zbadać dzięki J-PET, to czas życia pozytonium. Pozwala on określić, jak długo zachodzi proces anihilacji pozytonu i elektronu, czyli jak długo „żyje” atom powstały w wyniku połączenia się pozytonu i elektronu. Fizycy nazywają go „egzotycznym atomem”; a inaczej – pozytonium. Może on "żyć” krócej lub dłużej, czas jest tu mierzony w nano- i pikosekundach. Jak długo żyje pozytonium zależy od środowiska, w jakim on powstaje. Może na to wpłynąć metabolizm, stężenie tlenu, a przede wszystkim struktura tkanki na poziomie nano-, czyli rozmiaru molekuł; czego tej pory nie badaliśmy.

Ten dodatkowy parametr – czas życia pozytonium – do tej pory nie był badany, bo nie było takich możliwości – odpowiedniego sprzętu, ale też odpowiednich izotopów, które pozwalałyby na badanie czasu życia pozytonium. Badania nad tym zjawiskiem prof. Paweł Moskal zapoczątkował 15 lat temu na Wydziale Fizyki UJ; a od ponad dwóch lat prowadzimy badania kliniczne. Pierwsze zostało przeprowadzone w marcu 2022 roku na Warszawskim Uniwersytecie Medycznym, gdzie zmierzyliśmy czas życia pozytonium u pacjenta. To był pacjent z glejakiem mózgu. Niedługo ukaże się nasz artykuł prestiżowym czasopiśmie Science Advances, gdzie opisujemy to badanie.

Jakie znaczenie kliniczne dla pacjenta może mieć badanie tego nowego parametru? Co dzięki temu można więcej zobaczyć?

O znaczeniu klinicznym dopiero się przekonamy, do tego konieczne są badania kliniczne. Drugie badanie kliniczne przeprowadziliśmy w Szpitalu Uniwersyteckim w Krakowie w tym roku – obecnie są analizowane dane.

Dzięki tradycyjnemu obrazowaniu PET możemy określić tylko nagromadzenie się radiofarmaceutyku w danym miejscu. Dzięki tomografowi J-PET i badaniu czasu życia pozytonium będziemy mogli też powiedzieć, jaka jest struktura molekularna tkanki. W przypadku guza nowotworowego tkanka jest inna, guz produkuje inne białka, jest tam inny metabolizm.

Będzie można lepiej zobaczyć tkankę nowotworową?

Lepiej ją zróżnicować od zdrowej tkanki. Spodziewamy się, że będziemy mogli np. ocenić stopień utlenienia, czyli stężenia tlenu: dzięki temu wiemy, jaki jest metabolizm guza nowotworowego. Ma to duże znaczenie kliniczne, gdyż np. nowotwory znajdujące się w hipoksji (niedotlenieniu) nie poddają się aż tak dobrze leczeniu; są bardziej oporne na terapie przeciwnowotworowe. Będziemy mogli lepiej zobaczyć stopnień zaawansowania guza, skąd on się wywodzi, a także ocenić odpowiedź pacjenta na leczenie.

J-PET może być wykorzystywany także w innych chorobach niż nowotworowe. Przykład: choroby neurodegeneracyjne, które wiążą się ze zmianą strukturalną tkanki mózgowej. Są one widoczne na poziomie obrazowania w rezonansie, ale my chcielibyśmy zobaczyć je wcześniej, kiedy są już widoczne na poziomie molekularnym – do tego mogłoby przyczynić się możliwość wykorzystania czasu życia pozytonium.

Byłby to więc dodatkowy parametr mówiący o tym, jaki jest stopień zaawansowania np. choroby nowotworowej albo mówiący, jak bardzo zmienione są strukturalnie tkanki: do tej pory nie można było tego zobrazować. Na podstawie czasu życia pozytonium można rozszerzyć diagnostykę PET o inne choroby, lepiej zróżnicować stadium ich zaawansowania.

Dzięki wykonaniu J-PET z plastikowych materiałów urządzenie będzie tańsze, a więc bardziej dostępne?

Tomograf będzie zbudowany z plastikowych scyntylatorów – to znacząco obniża koszt. Będzie można też zbudować duży tomograf, dzięki czemu możliwe będzie zobrazowanie całego pacjenta. Obecnie, gdy wykonuje się badanie tomograficzne – niezależnie, czy jest to TK, czyli tzw. tomografia rentgenowska, rezonans, czy PET – skanowana jest tylko część ciała. Jeśli chcielibyśmy zobrazować całego pacjenta, musielibyśmy wykonać kilka skanów. J-PET z plastiku może być „dużym łóżkiem” – przypominającym nieco łóżko solarium – gdzie będzie można „przeskanować” od razu całego pacjenta. Ma to ogromne znaczenie: do tej pory nie można było szybko zobrazować, jak rozprowadzony jest radiofarmaceutyk po całym ciele, mogliśmy zobaczyć to tylko w wybranej części ciała. Dzięki J-PET znacząco zwiększa się czułość obrazowania, dzięki czemu będzie można „zobaczyć” całego pacjenta, w dodatku podając mu niższe dawki radiofarmaceutyku.

Niższe dawki radiofarmaceutyku oznacza też większe bezpieczeństwo pacjenta?

Tak, choć od razu muszę zaznaczyć, że podawanie radiofarmaceutyków w przypadku badania PET jest bezpieczne, inaczej przecież to badanie nie byłoby wykonywane. Jednorazowo jest to dość duża dawka, szybko jednak dochodzi do rozpadu radiofarmaceutyku.

Czytaj też:
Polscy fizycy na tropie przyczyn powstawania raka. Krok do skuteczniejszego leczenia

Sam radiofarmaceutyk jest jednak kosztowny, obniżenie dawki obniża też koszt badania. Dzięki J-PET i jego budowie z plastiku koszt produkcji samego urządzenia jest niższy, również koszt zużycia radiofarmaceutyku jest niższy.

Jak wspomniałam, J-PET będzie mógł zobrazować całe ciało pacjenta. Oczywiście, nie jesteśmy jedynym ośrodkiem na świecie, który prowadzi badania nad stworzeniem tego typu tomografów PET; są prowadzone prace nad tym, by tworzyć tomografy PET umożliwiające obrazowanie całego ciała; mówimy wtedy o obrazowaniu całego ciała – total body. Jest to bardzo ważne np. przy diagnozowaniu przerzutów nowotworowych, ale też przy diagnostyce innych chorób – np. zapalnych, autoimmunologicznych, powikłań towarzyszących infekcjom. Chorób, które można byłoby diagnozować dzięki obrazowaniu total body mogłoby być więcej. Mogłaby być też większa dostępność dla pacjentów, gdyby tomografów było więcej i były tańsze.

Wszystko to pokazuje, jak ważna dla medycyny jest współpraca lekarzy klinicystów z fizykami, biologami molekularnymi?

Jako kierownik Zakładu Fizyki Medycznej muszę powiedzieć, że fizyka medyczna jest niesłychanie ważną i szybko rozwijającą się dziedziną medycyny. Mamy mało fizyków medycznych w Polsce, a są bardzo potrzebni, wręcz niezbędni.

To zawód przyszłości?

Zajmuję się obrazowaniem w medycynie od ponad 20 lat, widzę ogromny przełom technologiczny: PET, J-PET są tego przykładem. Kolejny przełom to zastosowanie sztucznej inteligencji do wspomagania analizy obrazów, które uzyskujemy w tomografii, także w PET. Fizyka medyczna jest też niezbędna do leczenia personalizowanego. Coraz częściej mówimy o podejściu holistycznym do diagnostyki i leczenia – o teranostyce. Oznacza to jednocześnie diagnozowanie i leczenie, dotyczy najczęściej chorób nowotworowych. Wykorzystuje się radioizotopy, dzięki którym można szybko zlokalizować zmianę, podczas gdy inne radioizotopy niszczą komórki nowotworowe. To przyszłościowy kierunek fizyki medycznej i medycyny. Dlatego bardzo zachęcałabym młodych ludzi, którzy zastanawiają się nad wyborem kierunku studiów, a interesuje ich medycyna i nauki ścisłe – do wybierania fizyki medycznej: to bardzo przyszłościowy zawód.

Wracając do badań klinicznych J-PET: kiedy możemy spodziewać się ich wyników, a przede wszystkim: czy ta rewolucja naukowa zmieni się w rewolucję kliniczną?

Badania kliniczne, o których mówiłam, były prowadzone w kwietniu i maju tego roku, oczywiście za zgodą komisji bioetycznej. Przebadanych zostało 25 pacjentów z różnymi chorobami nowotworowymi. Mamy już pierwsze analizy, które pozwalają na porównanie obrazów uzyskanych z tomografu tradycyjnego oraz prototypu J-PET. Pacjent po rutynowym badaniu PET przechodził na kilkanaście minut na łóżko J-PET. Nie było konieczne podawanie dodatkowego radiofarmaceutyku; wykorzystywaliśmy promieniowanie z izotopu podanego do rutynowego PET. Badanie kliniczne obecnie jest zakończone, analizujemy wyniki, są bardzo obiecujące, aktualnie przygotowujemy publikację na ten temat. Cała technologia oczywiście jest opatentowana, to patenty prof. Pawła Moskala na UJ. Oczywiście, toczą się dalsze prace na tym, by J-PET był stosowany, zajmuje się tym m.in. Centrum Transferu Technologii UJ, ale konieczne są dalsze badania kliniczne, a potem produkcja.

Nasze pierwsze obrazy pozytonium wywołały duże zainteresowanie na świecie. Jest już kilka ośrodków i firm, które pracują nad wprowadzaniem parametru czasu życia pozytonium do badań. My też współpracujemy naukowo z wieloma ośrodkami zagranicznymi. Mamy jednak nadzieję, że przede wszystkim polska technologia znajdzie zastosowanie i będzie służyć pacjentom.

Czytaj też:
Przychodzi kardiolog do fizyka i… co z tego wynika, czyli nowe spojrzenie na serce i raka