Especialistas no Japão desenvolveram uma maneira simples de obter informações mais detalhadas de exames de imagens médicas padrão. Uma equipe de pesquisa composta por físicos atômicos e especialistas em medicina nuclear da Universidade de Tóquio e do Instituto Nacional de Ciências Radiológicas (NIRS) projetou um cronômetro que pode permitir que scanners de tomografia por emissão de pósitrons (PET) detectem a concentração de oxigênio nos tecidos dos pacientes 'corpos. Esta atualização para scanners PET pode levar a um futuro de melhor tratamento do câncer, identificando rapidamente partes de tumores com crescimento celular mais agressivo.

"A experiência dos pacientes neste futuro PET será a mesma de agora. A experiência das equipes médicas na realização do exame também será a mesma, apenas com informações mais úteis no final, "disse o médico de medicina nuclear Dr. Miwako Takahashi do NIRS, um co-autor da publicação de pesquisa em Física da Comunicação .

"Este foi um projeto rápido para nós, e acho que também deve se tornar um avanço médico muito rápido para pacientes reais na próxima década. As empresas de dispositivos médicos podem aplicar este método de forma muito econômica, Espero, "disse o professor assistente Kengo Shibuya da Escola de Graduação em Artes e Ciências da Universidade de Tóquio, primeiro autor da publicação.

PET scans

Os pósitrons que dão nome às varreduras de PET são as formas de elétrons de antimatéria carregadas positivamente. Devido ao seu tamanho minúsculo e massa extremamente baixa, pósitrons não representam perigo em aplicações médicas. Os pósitrons produzem raios gama, que são ondas eletromagnéticas semelhantes aos raios X, mas com comprimentos de onda mais curtos.

Ao receber um PET scan, um paciente recebe uma pequena quantidade de líquido radioativo muito fraco, frequentemente composto de moléculas de açúcar modificadas, geralmente injetado em seu sangue. O líquido circula por um curto período de tempo. As diferenças no fluxo sanguíneo ou metabolismo afetam como a radioatividade é distribuída. O paciente, então, deita-se em uma grande, scanner PET em forma de tubo. À medida que o líquido radioativo emite pósitrons que decaem em raios gama, anéis de detectores de raios gama mapeiam a localização dos raios gama emitidos pelo corpo do paciente.

Os médicos solicitam exames PET quando precisam de informações não apenas sobre a estrutura, mas também a função metabólica dos tecidos dentro do corpo. Detectar a concentração de oxigênio usando o mesmo PET scan acrescentaria outra camada de informações úteis sobre a função do corpo.

Concentração de oxigênio medida em nanossegundos

A vida de um pósitron é uma escolha de dois caminhos muito curtos, ambos começam quando um pósitron "nasce" ao ser liberado do líquido radioativo de varredura PET. No caminho mais curto, o pósitron imediatamente colide com um elétron e produz raios gama. No caminho um pouco mais longo, o pósitron inicialmente se transforma em outro tipo de partícula chamada positrônio, que então decai em raios gama. De qualquer jeito, a vida útil de um pósitron dentro de um corpo humano não é superior a 20 nanossegundos, ou um cinquenta milionésimo de segundo.

"O resultado é o mesmo, mas a vida não é. Nossa proposta é distinguir o tempo de vida dos pósitrons usando um PET scan com um cronômetro para que possamos mapear as concentrações de oxigênio dentro do corpo dos pacientes, "disse Shibuya.

Shibuya e seus colegas desenvolveram um gráfico de expectativa de vida para pósitrons usando um scanner PET miniaturizado para cronometrar a formação e decadência de pósitrons em líquidos com concentrações conhecidas de oxigênio.

Os novos resultados da equipe de pesquisa revelam que, quando a concentração de oxigênio é alta, o caminho mais curto é mais provável. Os pesquisadores prevêem que sua técnica será capaz de detectar a concentração absoluta de oxigênio em qualquer tecido do corpo de um paciente com base no tempo de vida dos pósitrons durante uma varredura PET.

Detectar a vida útil dos pósitrons é possível usando os mesmos detectores de raios gama que as varreduras PET já usam. A equipe de pesquisa prevê que a maior parte do trabalho para transferir essa pesquisa do laboratório para o leito será na atualização dos detectores de raios gama e do software para que os detectores de raios gama possam registrar não apenas a localização, mas também dados de tempo precisos.

“Não deve ser muito um aumento de custo para o desenvolvimento de instrumentos, "disse a Professora Taiga Yamaya, co-autor da publicação de pesquisa e líder do Grupo de Física de Imagens do NIRS.

Varreduras PET aprimoradas para um tratamento mais eficaz do câncer

Os especialistas médicos há muito tempo entenderam que as baixas concentrações de oxigênio nos tumores podem impedir o tratamento do câncer por duas razões:primeiro, um baixo nível de oxigênio em um tumor é frequentemente causado por fluxo sanguíneo insuficiente, que é mais comum em crescimento rápido, tumores agressivos que são mais difíceis de tratar. Segundo, baixos níveis de oxigênio tornam a radiação menos eficaz porque os efeitos desejados de matar as células cancerosas do tratamento com radiação são alcançados em parte pela energia da radiação que converte o oxigênio presente nas células em radicais livres que danificam o DNA.

Assim, detectar a concentração de oxigênio nos tecidos do corpo informaria os especialistas médicos sobre como atacar com mais eficácia os tumores dentro dos pacientes.

"Imaginamos direcionar um tratamento de radiação mais intenso para os agressivos, áreas de baixa concentração de oxigênio de um tumor e direcionamento de tratamento de baixa intensidade para outras áreas do mesmo tumor para dar aos pacientes melhores resultados e menos efeitos colaterais, "disse Takahashi.

Shibuya diz que a equipe de pesquisadores se inspirou a colocar em prática um modelo teórico sobre a capacidade dos pósitrons de revelar a concentração de oxigênio publicado no ano passado por pesquisadores na Polônia. O projeto passou do conceito à publicação em apenas alguns meses, mesmo com as restrições relacionadas à pandemia COVID-19.

Shibuya e seus colegas agora pretendem expandir seu trabalho para encontrar quaisquer outros detalhes médicos que possam ser revelados durante o tempo de vida de um pósitron.