Center for Radiopharmaceutical Science of ETH, PSI and USZ
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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
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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
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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
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ElektronischeKoinzidenz
Prinzip PET:Koinzidenzmessung und Rekonstruktion
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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)
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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
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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
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Zyklotron
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Zyklotron I.
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Zyklotron-Raum
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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 %
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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.
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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
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18FDG-Modul
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18FDG-Modul
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Mit Blei abgeschirmter Schrank, für die 18FDG-Verteilanlage
18FDG-Verteilerschrank
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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)
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Lymphdrüsenkrebs
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Normale PET Untersuchung nach Therapie• nach Chemotherapie:• normale Untersuchung• (gleiche Patientin wie 1)
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Alzheimer FDG-Bild des Gehirns
GesundesGehirn
Alzheimer Erkrankung
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Normales FDG-Herz
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Hibernating myocardium
[18F]-FDG(Metabolism)
[13N]-NH3(Perfusion)
SA HLA VLA
• Ischämie in Perfusion (oben), Hibernating myocard (unten)
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Dopaminsynapse
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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
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Fluorierung des Stannylvorläufers:-20oC, 10 min; 30oC, 4 min
COORH
Sn(CH3)3
COORH
18F
[18F]F2
CFCl3
BocO
BocOBocO
BocO
HCOHNHCOHN
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2. Entschützung: 130oC, 10 min
COORH
18F
BocO
BocO
HCOHN COORH
18F
BocO
BocO
HCOHN H
18F
H
18FHO
HO
H2N
HBr
COOH
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Synthesemodul für 18F-Präparate
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Aufnahme von [18F]-FDOPA
Gesundes Gehirn
Parkinson Patient
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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.