Aspectos fAspectos fíísicos de las imsicos de las imáágenes genes de procesos molecularesde procesos moleculares

Gary D. Fullerton, Ph.D.Malcolm Jones Distinguished Professor of Radiology

Vice-Chair for Research DivisionUniversity of Texas Health Science Center at San Antonio

7703 Floyd Curl DriveSan Antonio, Texas 78229-3900

USA

AbstractoAbstractoLos métodos de imagen tradicionales de la anatomía interna evolucionan lentamente a imágenes n-dimensionales de procesos moleculares con presentaciones de información en maneras no tradicionales para aplicaciones diagnósticas, terapéuticas y ciencias básicas. Esta presentación empieza con los aspectos físicos de las imágenes moleculares usando técnicas normales de medicina nuclear (γ-cameras, SPECT y PET) y se extiende a las aplicaciones mas recientes usando CT, MRI y US. La extensión desde seres humanos hacia modelos animales para las investigaciones farmacéuticas cambia el diseño de los instrumentos con demandas para datos más cuantitativos.

Tengo buenas y mala noticias para Tengo buenas y mala noticias para los estudiantes de flos estudiantes de fíísica msica méédicadica

Su profesión cambia mucho y con acelerada rapidez.Las imágenes de procesos moleculares tienen valor muy elevado.Por esa realidad hay una demanda para el conocimiento de la técnica y los procesos.Vamos a ver una demanda creciente sobre su profesión y su carrera. Será necesario continuar actualizándose y estudiando toda la vida.

CuCuáál es la fuente de expansil es la fuente de expansióón en el n en el siglo 21 para imsiglo 21 para imáágenes molecularesgenes moleculares

Primero discutiremos ejemplos de la creciente expansión del uso e importancia de importancia de las imágenes moleculares en la práctica clínica actual.Vemos que las imágenes moleculares proveen información sobre la fisiología de órganos del cuerpo humano, de importancia en decisiones terapéuticas.El valor de la información justifica la elevación de costos de las herramientas radiológicas modernas.Las imágenes biomoleculares mejoran la probabilidad de que el médico pueda resolver y curar enfermedades por medio de intervenciones como cirugía, drogas, radiación y otros métodos.

ImagenesImagenes moleculares: moleculares: ¿¿Que son?Que son?

La Comisión de Imagen Moleculares del American College of Radiology dice: “Molecular Imaging may be defined as the spatially localized and/or temporally resolved sensing of molecular or cellular processes”.“Las imágenes moleculares se pueden definir como la detección en espacio y/o tiempo de procesos moleculares o celulares .”Imágenes de PET con FDG son un ejemplo de imágenes moleculares de función

La introducciLa introduccióón de imn de imáágenes genes moleculares requiere nuevos moleculares requiere nuevos paradigmas en Radiologparadigmas en Radiologííaa

Requiere contribuciones intelectuales de científicos básicos y clínicos de otras especialidadesLas colaboraciones científicas son críticas para el desarrollo de métodos en el uso de imágenes funcionalesEl futuro de la medicina se enlaza con el

desarrollo de interpretaciones clínicas de este nuevo tipo de información molecular

MMéétodos para cambiar el paradigma todos para cambiar el paradigma radiolradiolóógico gico –– Quien va a hacerlo?Quien va a hacerlo?

Hay creciente convicción en la comunidad que las imágenes moleculares

tendrán importancia

crítica para el futuro de la radiología.

FundaciFundacióón de la importancia de n de la importancia de imimáágenes moleculares en medicinagenes moleculares en medicina

Las imágenes moleculares van a extender el rango de la radiología para incluir mediciones del funcionamiento de órganos.La expansión de capacidades va a ser similar a la introducción de medios de contraste con rayos X.Posibilidad de imágenes diagnósticas de enfermedades funcionales en adición a la detección de los cambios anatómicos.

Reconocimiento de la creciente Reconocimiento de la creciente importancia con el uso de PETimportancia con el uso de PET

Cada aniquilación crea un par de fotones que viajan en una línea en direcciones opuestas.

El uso de PET demanda la introducciEl uso de PET demanda la introduccióón n de ciclotrones de tipo mde ciclotrones de tipo méédicodico

Emisores de positrones TEmisores de positrones T1/21/2son átomos biológicos

18F 11C 13N 15O 82Rb 110 min

20 min

10 min

123 seg

75 seg

Mas largo T1/2 >> Mas fácil distribución.Menos largo T1/2 >> Menos dosis de radiación

ImImáágenes de glucosa con Fgenes de glucosa con F18 18 muestra el muestra el uso de azuso de azúúcar en tumorescar en tumores

““TrazadoresTrazadores”” de Oncologde OncologííaaTrazador Función

18F-FDG Metabolismo de Glucosa

18F- Metabolismo óseo.

11C-Methionine Síntesis de Proteínas

18F-uracil Entrega de Drogas

15O-CO Capacidad de Drogas (Angiogénesis)

18F-CEA Receptor + Detección de Tumor

11C-Estradiol Receptor + Detección de Tumor

1818FF--DeoxiglucosaDeoxiglucosa: : Entrega normal /Tiempo de esperaEntrega normal /Tiempo de espera• Inyección intravenosa IV.

• Transportado por el plasma a todo del cuerpo.

• Entrega máxima en 90 minutos…en tejido normal.

• Eliminado por la orina en mayor parte en menos de 40 minutos.

• Adquisición de imágenes luego de 40 minutos cuando la sangre no tiene actividad

Imágenes moleculares del cáncer

El número de tumores primarios y la capacidad de localizar metástasis para evaluación de la

progresión del cáncer hace del PET muy útil para el

pronóstico y para la selección de los métodos

terapéuticos mas productivos para el paciente individual.

CCááncer de prncer de próóstata: Imstata: Imáágenes genes moleculares de RMmoleculares de RM

Es el cáncer mas común después del cáncer de piel con incidencia similar al carcinoma del seno.Es el cáncer en secundo lugar con consecuencias fatales para los hombres.“Estadiaje” o conocimiento del nivel de progresión es crítico en la selección del mejor tratamiento. Resonancia magnética con imágenes anatómicas y espectroscópicas tiene resultados prometedores.American Cancer Society Surveillance Statistics, 2002.

Espectroscopia RM del PrEspectroscopia RM del Próóstata stata

Que es espectroscopia RM?– Un método para detectar concentraciones de

compuestos biológicos deiferentes de agua y lípidos.

– Protones de citrato, colina, creatina, y poli-aminas son detectados con relación a la anatomía en voxeles de ~0.3cc

– Cada voxel recibe una calificación desde uno hasta cinco 1-5 (benigno hasta cáncer maligno).

Cambios MetabCambios Metabóólicos licos Elevación de colina– Proliferación de células, elevación de la densidad de

células, compuestos de fosfolípidos, y metabolismo de membranas celulares.

Disminución de citrato– Metabolismo excepcional de zinc y citrato indica cambios

en la morfología de los conductos [colina+creatina]/[citrato] crea una medida de cambiosDisminución de poli-aminas– Menos entendido, tiene relación a proliferación y función

secretoria.

Cambios MetabCambios Metabóólicoslicos

Voxel sano: Voxel canceroso:

MRI/MRSI vs. MRI/MRSI vs. histopatologhistopatologííaa

Cáncer tiene baja intensidad de señal T2 en la zona periférica

InterpretaciInterpretacióón de Espectroscopian de Espectroscopia

X

X

XX X

Próstata

Sano

Canceroso

MRI y MRS MRI y MRS

erMRI (endorectal MRI) tiene alta sensibilidad y baja especificidaderMRS por otro lado tiene baja sensibilidad y alta especificidadLa fuerza del examen es justo cuando hay concordancia entre MRI y MRS

-JMRI 2002; 16: 461-463

El papel de la El papel de la espectroscopespectroscopííaa

Elevar la especificad del diagnóstico cuando es usada con erMRIMejorar la exactitud del exámenAumentar la seguridad del radiólogoAumentar el valor del diagnóstico en selección del método de tratamientoMejorar la probabilidad de curar al paciente y promover el retorno a una vida sana y productiva

CuCuáál es el Futuro de l es el Futuro de EspectroscopEspectroscopííaa por RMpor RM

Hay estudios multicéntricos actuales con protocolos de ACRIN usando el metodo de GE PROSE (GE PROSE package release)Hay estudios actuales ex-vivo con la meta de identificar y desarrollar “huellas digitales” mas específicas de cáncer usando RMS de alto resoluciónHay estudios actuales evaluando MRS de pacientes con cáncer y biopsias negativas, para identificar el blanco de biopsiaNuevas tecnologías de 3T y de bobinas rígidas mejoran los resultadosEl progreso en los procesos de computación tiene un efecto positivo en los resultados

Small Animal Imaging at UTHSCSA

Imágenes de Animales Pequeños en UTHSCSA

Department of RadiologyDepartment of Radiology

University of Texas Health Science Center at San Antonio

San Antonio, Texas USA

2001 2002 2004

Desarrollo de Instrumentos para Desarrollo de Instrumentos para Estudios de Modelos Animales Estudios de Modelos Animales BreakthroughsBreakthroughs in in PrePre--ClinicalClinicalImagingImaging atat GammaGamma--Medical IdeasMedical Ideas

2006

First Pre-Clinical

SPECT

First Pre-Clinical SPECT/CT

First Pre-Clinical Tri-Modality

PET/SPECT/CT

First Solid-State

SPECT SystemTri-Modality

PET/SPECT/CT

CZT CZT Capacidad de mCapacidad de múúltiples isltiples isóótopostopos

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Energy (keV)

Nor

mal

ized

Cou

nts

Cd109Am241Co57Tc99mIn111

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Energy (keV)

Nor

mal

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Cou

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Cd109Am241Co57Tc99mIn111

0

10

20

30

40

0 50 100 150 200 250

Energy (keV)

Res

olut

ion

(% F

WH

M)

NaI_2.2NaI_1.5CZT

NaI_1.5 CZT_1.5

Micro SPECT/CT Small Animal ImagerRadiology Department

University of Texas Health Science Center at San Antonio

microSPECTmicroSPECT/CT/CTGamma camera

Gamma ca

mera

X-ray camera

Courtesy Dr. Koji Iwata Gamma Medica

FLEX FLEX TriumphTriumph™™Una mirada por dentroUna mirada por dentro

SPECT Camaras(Retraídas)NaI/PSPMT

o CZT

Tubo de Rayos-X

Detector de CTAnillo de detectores PET

Camilla parael animal

ObservacionesObservacionesCaptaciCaptacióónn de FDG en el tumor de FDG en el tumor eses evidenteevidenteCentro Centro necrnecróóticotico se se observaobserva cercacerca de la tibiade la tibiaEliminaciEliminacióónn haciahacia la la vejigavejiga y y concentraciconcentracióónn muscular muscular en el en el muslomuslo derechoderecho tambitambiéénn se se observanobservan

ParParáámetrosmetros de de adquisiciadquisicióónnRata de 260 Rata de 260 gramosgramos90 90 μμCiCi FDG en el FDG en el momentomomento de de imagenimagenTiempoTiempo de de adquisiciadquisicióónn::15 15 minutosminutos

PETPET/CT Integrado /CT Integrado FDG FDG XenograftXenograft Tumor Estudio en rataTumor Estudio en rata

Courtesy of Beth Goins, Ph.D., University of Texas at San Antionio

XX--PET: High Sensitivity PET: High Sensitivity StudyStudy

SpatialSpatial ResolutionResolutionData Data SpectrumSpectrum Micro Micro DeluxeDeluxeHot Hot RodRod PhantomPhantom

La tecnologLa tecnologíía impulsa la transicia impulsa la transicióón a n a imimáágenes funcionalesgenes funcionales

Las instituciones académicas se deben transformar para adaptarse a un nuevo paradigma de imagenología. Esto va a requerir instalaciones similares al RIC y programas de educación superior similares al de Ciencias Radiológicas para promover la colaboración y los estudios multidisciplinarios. Habrán beneficios médicos y económicos debido a estos cambios