Hiukkasfysiikka lääketieteessä Riikka Kähkönen ja Anni Immonen

Johdanto Hiukkasfysiikan sovelluksia lääketieteessä ei vielä tunneta monia Tällä hetkellä sitä käytetään lähinnä kuvantamisessa (PET), mutta myös erilaisina hoitomuotoina (hiukkasterapia)

PET-kuvaus

Yleisesti Radioaktiivisia isotooppeja hyödyntävä kuvausmenetelmä, jonka avulla tutkitaan elimistön ja kudosten  aineenvaihduntaa Potilaan verenkiertoon ruiskutetaan radioaktiivista merkkiainetta ja kamera seuraa sen jakautumista kehossa PET-kamerat ovat yleistyneet ja niiden käyttö on suhteellisen helppoa. Suomessa PET-kameroita on Turussa, Helsingissä ja Tampereella. Lisäksi tutkimuksia voidaan tehdä pienemmissä sairaaloissa kiertävällä rekka-PET-laitteella

Toiminta PET-kuvaus perustuu lievästi radioaktiivisten merkkiaineiden käyttöön, jotka potilaan elimistössä hakeutuvat haluttuun kohteeseen, esimerkiksi syöpäkudokseen. Kuvattavalle henkilölle annetaan radioaktiivisella isotoopilla leimattu merkkiaine joko injektiona tai inhalaationa. Isotoopilla leimattu merkkiaine käyttäytyy elimistössä kuten kyseessä oleva yhdiste yleensäkin käyttäytyy. Radioaktiivisen isotoopin positiivisessa betahajoamisessa vapautuvat positronit törmäävät elimistössä elektroneihin, tapahtuu annihilaatio (massa häviää ja muuttuu kahdeksi vastakkaisiin suuntiin eteneväksi 511keV:n gammakvantiksi), jonka seurauksena syntynyttä gammasäteilyä voidaan havaita kehon ulkopuolelta. Esimerkiksi merkkiaineena käytetty FDG eli fluorodeoksiglukoosi (glukoosin kaltainen aine, sokeri) hakeutuu elimistössä elimeen jossa on kasvain, sillä kasvaimellinen elin käyttää kiihtyneen aineenvaihduntansa vuoksi normaalia huomattavasti enemmän sokeria. Radioaktiivisen merkkiaineen lähettämä gammasäteily havaitaan kuvantamislaitteella, ja kasvain voidaan paikantaa.

Kuvauslaitteet Positronikamera on kallis laite, joka on optimoitu annihilaatiosäteilyn mittaamiseen Detektorit ovat rengasmaisesti potilaan ympärillä, yhdessä laitteessa detektorirenkaita on 8 tai 16. Säteilyn tulee tulla havaituksi potilaan molemmilta puolilta lähes samanaikaisesti, jotta säteilytapahtuma tulisi rekisteröidyksi Säteilytapahtumat kerätään esimerkiksi 1-2 sekunnin summakuviksi, ja näistä poikkileikkauskuvista tietokone yhdistää luettavissa olevan kolmiulotteisen kuvan kuvattavasta kohteesta Kuvauslaite on  suurikokoinen       ja se muistuttaa TT- ja MRI-laitteita Laitteessa pyöreä       suuaukko johon potilas asetetaan makaamaan Lääkärillä/hoitajalla on suora näköyhteys potilaaseen, lisäksi potilaalla on korvillaan kuulokkeet joiden kautta häntä voidaan ohjeistaa

Merkkiaineet PET-kuvauksessa käytetyt radionuklidit (positroneja emissoivat isotoopit) valmistetaan hiukkaskiihdyttimellä (syklotroni). Käytettyjen isotooppien puoliintumisaika lyhyt joten valmistuksen täytyy tapahtua lähellä käyttäjää Käytetyt isotoopit ovat fluori-18 (puoliintumisaika 120min), hiili-11 (p.a. 20min), happi-15 (p.a. 2min) ja typpi-13 (p.a. 10min), näillä leimataan käytetty merkkiaine (esim. glukoosi, rasvahappo, vesi, veren sokeri, aivotoiminnan välittäjäaineet ) Tutkimuksessa käytetään yleensä merkkiaineena fluori-18:lla leimattua fluorideoksiglukoosia eli FDG:tä, joka kuvastaa glukoosiaineenvaihdunnan vilkkautta kuvattavassa kohteessa Neurologisissa tutkimuksissa yleisimmin käytetty merkkiaine on hiili-11-metioniini (aminohappoaineenvaihdunnan kuvantaminen)

Käyttökohteet PET-kuvausta käytetään yksistään tai tietokonetomografian kanssa: Kartoittamaan aivojen ja sydämen toimintaa Syöpien jäljittämiseen ja niiden levinneisyyden selvittämiseen sekä syöpähoidon seurantaan Kuvaamaan verenkiertoa sydämessä ja arvioimaan sydämen elinkykyisyyttä Tutkimaan aivojen toimintahäiriöitä mm. epilepsia, skitsofrenia, dementia, Parkinsonin tauti Selvittämään  lääkeaineen vaikutusta kohde-elimen toimintaan tai aineenvaihduntaan

Kuvauksen kulku PET-kuvaus kestää valmisteluineen 2-5h (itse kuvaus 0,5-2h), riippuen kuvauskohteesta ja käytetystä merkkiaineesta. Ennen tutkimusta: Kuvausta ennen tulee olla syömättä vähintään 6 tuntia. Juoda saa vain vettä, lääkkeet otetaan normaalisti. Kevyttäkin ruumiillista rasitusta tulee välttää tutkimuspäivänä Metalliesineet häiritsevät kuvausta, joten päälle tulee valita vaatteet joissa on mahdollisimman vähän vetoketjuja, nappeja yms. Tarvittaessa sairaalalta saa kaavun kuvauksen ajaksi. Tutkimuksen aikana: Lihasten tulee olla rentona radiolääkettä annettaessa. Tämän vuoksi potilaan tulee maata paikoillaan vähintään tunnin ajan ennen lääkkeen antamista. Kuvauksen ajan potilas makaa selällään liikkumatta, tarvittaessa annetaan rentouttavaa lääkettä. Potilas saa pitää vaatteet päällään lukuunottamatta metalliesineitä sisältäviä vaatteita (esim. kaarituelliset rintaliivit, korut) Tutkimuksen jälkeen: Radiolääke ei vaikuta potilaan vointiin, ja se häviää elimistöstä vuorokauden kuluessa kokonaan. Kuvauksen jälkeen on hyvä juoda runsaasti vettä radioaktiivisuuden vähenemisen nopeuttamiseksi.

Potilaan näkökulma PET-kuvaus on potilaalle yleensä kivuton, se koetaan harvoin epämukavaksi, eikä sivuvaikutuksia juurikaan esiinny Merkkiainetta annettaessa: Pistoksena neula saattaa aiheuttaa kipua ja aine epämukavaa kylmyyden tunnetta pistoskohtaan Niellessä lähes tai kokonaan mauton Hengitettynä ei eroa tavallisen ilman hengittämiseen Joskus potilaan virtsarakkoon asetetaan katedri joka saattaa aiheuttaa epämukavuutta Kuvauksen aikana potilaan tulee maata paikoillaan liikkumatta pienessä tilassa, ahtaanpaikankammosta kärsivä saattaa kokea ahditusta Kuvauksen jälkeen potilas saa yleensä jatkaa elämäänsä normaaliin tapaan sillä radioaktiivisuus poistu kehosta nopeasti, vettä kannattaa juoda runsaasti prosessin nopeuttamiseksi

Hyödyt ja haitat HYÖDYT HUONOT PUOLET/RISKIT Menetelmällä saadaan kehon rakenteesta ja toiminnasta tietoa, jollaista muilla menetelmillä ei saada Useille taudeille menetelmällä löydetään sopiva hoitotapa Tarkempi kuin useat muut tutkimusmenetelmät Havaitsemalla kehon muutoksia solutasolla, PET-kuvauksella huomataan tauti ennen CT- tai MRI-kuvauksia Radioaktiivisen aineen säteily (kuitenkin hyvin pieni) Allergiset reaktiot lääke- / merkkiaineista mahdollisia, mutta harvinaisia, ja mahdolliset reaktiot lieviä Kuvauksen yhteydessä saattaa potilaalla esiintyä nopeasti häviävää kipua tai ihon punotusta Tutkimus on kallis (noin 600-1400€) Kuvaus suoritettava opeasti jotta tulos olisi mahdollisimman luotettava, sillä kuvauksessa käytettävät radioaktiiviset aineet hyvin lyhytikäisiä

Tulevaisuus Käyttö erityisesti lääketeollisuudessa lisääntymässä Kehittelyssä olevat paremmat ilmaisimet mahdollistavat paremman resoluution kuville Laskennallisten menetelmien kehitys parantaa kuvan herkkyyttä

Hiukkasterapia

Hiukkasterapia yleisesti Hiukkasterapiaan kuuluvat protoni-, nopea neutroni- ja raskas ioni terapiat Hoito voidaan kohdentaa tarkemmin haluttuun kohteeseen, jolloin ylimääräiset vauriot terveeseen kudokseen vähenevät vrt. röntgen/sädehoito --> paluu normaaliin elämään hoitojen jälkeen nopeampaa ja helpompaa Käyetään vaikeasti tavoitettavien, tärkeitä elimiä lähellä olevien kasvainten ja syöpien hoitoon perustuvat pääsääntöisesti ionisaatioon suhteellisen harvinaisia, mutta yleistymään päin 

PROTONITERAPIA (PROTON THERAPY) Protoneita "ammutaan" haluttuun kohteeseen --> vähemmän vaurioita terveeseen kudokseen http://www.proton-therapy.org/howit.htm Valikoiva solujen tuhoaminen:       - ns. pahat solut (esim. syöpäsolut) eivät varautuneita muutoksille (ionisaatioon)      --> eivät palaudu Vaikuttaa solujen DNA:han n. 1/3 hoidoista USA:ssa ja n. 1/4 Japanissa syklotronien ja synkrotronien koko ja suuri hinta yleistymisen tiellä

NOPEA NEUTRONI TERAPIA (FAST NEUTRON THERAPY) Neutronisäteitä: - suuri energisiä neutroneja, > 20 MeV Epäsuora ionisaatio: -törmäys --> ns. toissijaiset elektronit --> vaikutus 

RASKAS IONI TERAPIA (HEAVY ION THERAPY) suuri järjestysluku; C, Ne, Ar 2-3 kertaa tehokkaampi lopputulos vrt. röntgen-/gammasäteilyyn vaikeasti saavutettaviin kasvaimiin ionisäde suoraan kohteeseen

Lähteet http://www.turkupetcentre.fi/index.php?option=com_content&view=frontpage&Itemid=1&lang=fi http://en.wikipedia.org/wiki/Positron_emission_tomography http://www.radiologyinfo.org http://www.ppshp.fi/instancedata/prime_product_julkaisu/npp/embeds/7bf75e573107c90e9d5e560bd66de132d 0f8a0b1.pdf http://yle.fi/vintti/yle.fi/akuutti/arkisto2009/100209_a.htm http://www.med.nyu.edu/di/images/pet1.jpg http://www.terveyskirjasto.fi/terveyskirjasto/tk.koti?p_artikkeli=ltt02688 http://www.proton-therapy.org/howit.htm http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/007281.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Proton_therapy http://en.wikipedia.org/wiki/Fast_neutron_therapy http://www.sry.fi/index.php?65 http://www.mediuutiset.fi/uutisarkisto/article148272.ece?s=l&wtm=mediuutiset/-16102008 http://www.sry.fi/index.php?66 http://heavy-ion.showa.gunma-u.ac.jp/en/facilities01.html