Członkowie Polskiego Towarzystwa Fizyki Medycznej opublikowali artykuł
w czasopiśmie Science Advances zatytułowany
„Positronium image of the human brain in vivo” https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp2840
Pierwszy obraz pozytonium mózgu człowieka został wykonany przez Zespół naukowców kierowany przez profesora Pawła Moskala członka Polskiego Towarzystwa Fizyki Medycznej.
Obrazowanie pozytonium to nowa metoda diagnostyczna wynaleziona i opatentowana przez Prof. Pawła Moskala z Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Polega ona na obrazowaniu właściwości atomów pozytonium (atomów z elektronu i anty-elektronu) wytwarzanych w komórkach człowieka
w trakcie diagnozowania tomografem PET.
Zdjęcie z obrazowania pacjenta i schemat atomów pozytonium w przestrzeniach międzyatomowych.
Szczegółowy opis rysunków znajduje się w artykule: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp2840
Sposób na wykonanie pierwszego obrazowanie pozytonium opracował prof. Paweł Moskal wraz
z Prof. Ewą Stępień z UJ. Badania wykonano w trakcie nowatorskiej terapii nowotworów glejaka prowadzonej przez Prof. Leszka Królickiego i Prof. Jolantę Kunikowską na Warszawskim Uniwersytecie Medycznym. Celem tego badania było kliniczne zastosowanie „biomarkera pozytonium” do obrazowania zmian chorobowych, oceny jakości obrazu i oceny ilościowej poprzez zmierzenie czasu życia atomu pozytonium w tkankach zdrowego mózgu i glejaka (https://clinicaltrials.gov/study/NCT06211803). Wynikiem badania jest pokazanie po raz pierwszy na świecie, że średni czas życia orto-pozytonium (o-Ps) w glejaku jest krótszy niż w zdrowym mózgu i wynosi 1,77 ns ± 0,58 ns. Dla zdrowej tkanki mózgowej średni czas życia o-Ps wynosi 2,72 ns ± 0,72 ns, co sugeruje potencjał wykorzystania obrazowania pozytonium w celu zwiększenia swoistości diagnostyki PET w patologii tkanek in vivo.
Glejak to najbardziej agresywny i złośliwy guz mózgu. Wczesna diagnostyka glejaka jest wyzwaniem dla klinicystów. Objawy neurologiczne jakie towarzysze rozwojowi tego guza zależą głównie od jego lokalizacji w mózgu, co oznacza, że nie są typowe dla tej choroby. Nie ma też swoistego markera diagnostycznego dla glejaka, wykorzystanie biomarkera PSMA – specyficznego antygenu ulegającego ekspresji w naczyniach tkanki nowotworowej, który jest pomocny
w diagnostyce m.in. raka prostaty, w tym badaniu pozwoliło na lokalizację guza u obrazowanego pacjenta.
W skanerze J-PET zastosowano obrazowanie pozytonium. Różni się ono tym od tradycyjnej pozytonowej emisyjnej tomografii (PET), w której wykorzystuje się zjawisko anihilacji elektronu
(e-) pochodzącego z cząsteczek z jakich zbudowane jest ciało pacjenta i pozytonu (e+) pochodzącego od radioizotopu emitującego promieniowanie pozytonowe (beta+), że w skanerze J-PET mierzony jest dodatkowo czasu życia atomu pozytonium. Ten egzotyczny atom powstaje
w około 30-40% wszystkich anihilacji zachodzących w ciele pacjenta diagnozowanego za pomocą PET. Tradycyjne skanery PET obrazują tylko rozkład miejsc anihilacji elektronu i pozytonu.
Wcześniejsze artykuły opublikowane przez profesora Moskala wraz z profesor Stępień ich grupę pokazały jak można wykorzystać średni czas życia pozytonium do badania tkanek prawidłowych
i nowotworowych ex-vivo i in vitro wykorzystując technikę spektroskopii czasu życia pozytonium (PALS) (Scientific Reports, 13(1), 7648. https://doi.org/10.1038/s41598-023-34571-4) oraz technikę obrazowania pozytonium (EJNMMI physics, 10(1), 22. https://doi.org/10.1186/s40658-023-00543-w; Science Advances, 7(42), eabh4394. https://doi.org/10.1126/sciadv.abh4394 ).
Artykuł jaki ukazał się w najnowszym numerze czasopisma Science Advances opisuje pierwsze kliniczna zastosowanie czasu życia pozytonium do obrazowania tkanek. Badanie to wykonano
u pacjenta z glejakiem wielopostaciowym mózgu, leczonego radioterapią cząstek α, za pomocą radiofarmaceutyku zawierającego radioaktywny izotop aktynu ([225]Ac) podawany bezpośrednio go guza. Jest to nie tylko przykład zastosowania obrazowania pozytonium w klinice, ale także przykład nowego podejścia do diagnostyki i leczenia teranostyki nowotworów.
Przebieg obrazowania:
szczegółowy opis rysunków znajduje się w artykule: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp2840
Poniższe obrazy pokazują główny wynik przeprowadzonych badan. Standardowy obraz PET (górny rząd); obraz anihilacji elektronu z pozytonem stowarzyszonych z emisją kwantu gamma z rozpadu 68Ga (środkowy rząd); obraz czasów życia pozytonium (dolny rząd).
Szczegółowy opis rysunków znajduje się w artykule: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp2840
OPIS METODY:
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 100000 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 obrazowanie 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 właściwości 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 opublikowanym w Science Advances przedstawiono pierwsze na świecie obrazy in vivo czasu życia pozytonium w człowieku, 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.
Droga do pierwszego obrazu klinicznego:
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 pozwalającej 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 [https://doi.org/10.1038/s41467-021-25905-9], oraz otrzymano pierwsze ex-vivo (poza organizmem) obrazy pozytonium tkanek zdrowych i nowotworowych opublikowane w Science Advances [ https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh4394 ]. Eksperyment do pierwszego obrazowania ex-vivo pozytonium zaprojektował Prof. Moskal, a Prof. Stępień opracowała protokół medyczny i dobór tkanek pacjentów tak by zmaksymalizować szanse zaobserwowania różnic
w czasach życia pozytonium. Operacje pacjentów wykonywał Dr. Grzegorz Grudzień ze Szpitala Jana Pawła II, 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 żeby 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” https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh4394
W 2019 roku w czasopiśmie Physics in Medicine and Biology
[ https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6560/aafe20 ]
i w 2020 w European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging Physics
[ https://ejnmmiphys.springeropen.com/articles/10.1186/s40658-020-00307-w ]
ukazały się prace, w której 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, by 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 artykuł w Science Advances
[ https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp2840 ] przedstawia pierwsze wyniki z tych badań. W 2024 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 mechanicze), inż. Wojciech Migdał (budowa tomografu, walidacja mechaniki i elektroniki), Krzysztof Kacprzak i Aleksander Gajos (algorytmy tworzenia sygnałów).
Opisane badania zaowocowały także wieloma pracami doktorskimi wykonanymi w grupie kierowanej przez prof. Moskala i Prof. Ewę Stępień. Prace te były kluczowe na drodze do skonstruowania tomografu i wykonania obrazów. W tym obronione prace następujących badaczy: Szymon Niedźwiecki (budowa tomografu), Tomasz Bednarski (budowa tomografu), Neha Gupta-Sharma (budowa tomografu), Shivani Shivani (budowa tomografu), Anna Wieczorek (detektory scyntylacyjne), Łukasz Kapłon (detektory scyntylacyjne), Faranak Tayefi (budowa tomografu), Monika Pawlik-Niedźwiecka (budowa tomografu), Aleksander Gajos (obrazy trójfotonowe), Daria Kisielewska (symulacje komputerowe), Meysam Dadgar (symulacje komputerowe), Kamil Dulski (rekonstrukcja obrazów pozytonium), Ewelina Kubicz (badania pozytonium w tkankach); Hanieh Karimi (badania pozytonium w komórkach). Kilkanaście kolejnych prac jest w trakcie realizacji https://koza.if.uj.edu.pl/staff/
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 metabolizowania farmaceutyków w całym ciele pacjenta i będzie pierwszym tomografem umożliwiającym jednoczasowe obrazowanie PET, obrazowanie pozytonium i obrazowania 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 Uniwersytety Badawcze 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.