Center for Radiopharmaceutical Science of ETH, PSI and USZ

Sichtbarmachung physiologischer Vorgänge mit

Positronenemissionstomographie (PET)

Beispiele mit [18F]-Fluordesoxyglukose und [18F]-FDOPA

P. A. Schubiger Professor für Radiopharmazie ETH/PSI

Prinzip der Positronenemissionstomographie (PET)

+-Zerfall: p+ n + + +

• Das Positron ist ein Antimaterieteilchen. Es vereinigt sich mit einem Elektron und es entsteht aus Masse Energie nach der Gleichung E=mc2.

• Diese Energie wird als Annihilationsstrahlung ausgesendet und zwar entstehen zwei -Strahlen mit der Energie von 2*511keV, welche in einem exakten 180°-Winkel ausgesendet werden.

• Das Neutrino hat die Ladung 0, die Masse ist wahrscheinlich auch 0 und es besitzt kein magnetischen Moment, aber hat einen Spin von 1/2 h

Center for Radiopharmaceutical Science of ETH, PSI and USZ

+ (97%)

EC (3%)

18 8

O

18O (stabil)

18F (110 min)

Zerfall von 18F

18 9

F

ElektronischeKoinzidenz

Prinzip PET:Koinzidenzmessung und Rekonstruktion

Physiology

Structure

Metabolism

Drug Distribution

Molecular Pathways

Molecular Targets/Receptors/ Binding Sites

Sensitivity versus

Specificity

X-Ray-CTMRI

UltrasoundPET

MRS, PET

PET

MRI

Spectrum of Medical Imaging Spectrum of Medical Imaging ModalitiesModalities

PET

T.Jones, Eur. J Nucl Med (1996)T.Jones, Eur. J Nucl Med (1996)

Medical Imaging ModalitiesMedical Imaging Modalities

Imaging Method

Spatial resolution

Temporal

resolution

Sensitivity

Ultrasound > 1 mm >10 ms 10-3 Mol

CT > 0.3 mm >300 ms 10-3 Mol

MRI > 0.8 mm >50 ms 10-5 Mol

MRS > 10 mm >60 ms 10-5 Mol

PET (animal)

> 5 mm (1mm) >5 s (6 s) 10-9-10-12 Mol

Zyklotron Produktion von 18F

Reaktion Target Aktivität Teilchen Träger- material

18O(p,n)18F Wasser up to 450 GBq F- nein

18O(p,n)18F Gas > 40 GBq F2 ja

20Ne(d,a)18F Gas > 20 GBq F2 ja

Zyklotron

                                                                                                                                                                

                                 

Zyklotron I.

Zyklotron-Raum

Zyklotron III.

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Small Animal HIDAC PET Camera

Specifications

•HIDAC detectors (high density avalanche chambers)

• spatial resolution: 1 mm fwhm

• field of view: 28 cm axially, 17 cm in diameter

• data recorded “on the fly” (180° rotation)

• scatter-corrected sensitivity: 1% (10cps/kBq)

• scatter fraction: 30-40 %

Glukose und Fluordesoxyglukose (18F-FDG)

Glukose 18F-FDG

Hexokinase

Glukose-6-Phosphat

18F-FDG-6-Phosphat

Glucosetransporter

Lactat

Ribose

Pyruvat

Glykogen

Pentose-phosphatweg

Glycolyse

• Eigenschaften von Glukose und 18F-FDG

18F-FDG wird vom Glukosetransporter ins Zellinnere befördert und vom Enzym Hexokinase zu 18F-FDG-6-Phosphat phosphoryliert. Im Unterschied zu Glucose wird 18F-FDG aber weder glycolysiert, noch zu Pentose oder zu Glycogen um- oder aufgebaut und bleibt somit im Zellinneren gefangen.

p

18O-H2O

He

18O-H2O

Na2CO3 (16O-H2O)

16O-H2O (18F-)

Anionen-austauscher

18F-

18F-

Eindampfen

18F-NaF

Kationen-austauscher

TBA+

TBA+

Acetonitril, TBA+,Triflat

18F-FDGmit Schutz-

gruppen

Eindampfen

18F-FDG

Reinigungs-kolonnen,

Steril-filtration

Herstellung von 2-[18F]Fluor-2-desoxy-D-glucopyranose

18FDG-Modul

18FDG-Modul

Mit Blei abgeschirmter Schrank, für die 18FDG-Verteilanlage

18FDG-Verteilerschrank

Herz Darm

Harnblase

Sichtbarmachung physiologischer Vorgänge mit PET

Koronare Schnittbilder einer lebenden Ratte, welcher radioaktive (14 MBq)Glukose injiziert wurde. Die Aufnahme wurde mit einer speziellen Kleintier PET Kamera gemacht (HIDAC-animal scanner: Auflösung 1mm3)

Lymphdrüsenkrebs

Normale PET Untersuchung nach Therapie• nach Chemotherapie:• normale Untersuchung• (gleiche Patientin wie 1)

Alzheimer FDG-Bild des Gehirns

GesundesGehirn

Alzheimer Erkrankung

Normales FDG-Herz

Hibernating myocardium

[18F]-FDG(Metabolism)

[13N]-NH3(Perfusion)

SA HLA VLA

• Ischämie in Perfusion (oben), Hibernating myocard (unten)

Dopaminsynapse

Chemische Struktur von 6-DOPA

Garnett ES, Nature, 1983

6-[18F]-Fluoro-L-DOPA (6-FDOPA)

18F

NH2

COOH

HO

HO

18F

NH2

COOH

HO

HO

18F

NH2

COOH

HO

HO

18F

NH2

COOH

HO

HO

18F

NH2

COOH

HO

HO

18F

NH2

COOH

HO

HO

18F

NH2

COOH

HO

HO

18F

NH2

COOH

HO

HO

Fluorierung des Stannylvorläufers:-20oC, 10 min; 30oC, 4 min

COORH

Sn(CH3)3

COORH

18F

[18F]F2

CFCl3

BocO

BocOBocO

BocO

HCOHNHCOHN

2. Entschützung: 130oC, 10 min

COORH

18F

BocO

BocO

HCOHN COORH

18F

BocO

BocO

HCOHN H

18F

H

18FHO

HO

H2N

HBr

COOH

Synthesemodul für 18F-Präparate

Aufnahme von [18F]-FDOPA

Gesundes Gehirn

Parkinson Patient

Referenzen:• P.A.Schubiger,G.Westera; Abbildung biochemischer

Prozesse im Körper,BioWord 3-2002,S.6.

• P.A.Schubiger; Spezifische Diagnostik durch Abbildung der biochemischen Prozesse im menschlichen Körper: PET; Forschung fürs Leben,Febr. 2002 (62).

• S.M.Ametamey et al; Functional Brain Receptor Imaging with Positron Emission Tomography,Chimia 2000,54(11),S.622.

• G.Stöcklin and V.Pike (Ed.); Radiopharmaceuticals for Positron EmissionsTomography-Methodological Aspects, Kluwer Academic Publishers 1993.