La tomografia ad emissione di positroni · •determinarne il grado di anaplasia ( anaplasia ... •Selezionare le caratteristiche di genere (maschi o femmine), età (giovani o anziani),

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La tomografia ad

emissione di positroni

Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

Presupposti fisici:

Radionuclidi a breve emivita (es. 18Fluoro, 15Ossigeno) che

decadono ed emettono positroni

Positroni ed elettroni (stessa massa, carica opposta) annichilano e

danno origine a due raggi in direzione diametralmente opposta,

rilevabili da appositi detettori (Tomografo PET)

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Lo Studio in vivo del Metabolismo del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

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Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

• 18FDG per misurare il metabolismo glucidico

• H215O per misurare il

flusso ematico

misurano l'attività sinaptica neuronale di un determinato

distretto cerebrale

Caratteristiche distintive

• emivita (min) • tempo di osservazione (min) • durata singolo studio (min) • numero di studi possibili

nella stessa sessione PET

18FDG H215O

110

45

65

1-2

2

1 - 4

1 - 4

> 10

Sostanze di interesse biologico, quali substrati metabolici, possono essere marcati usando questi radionuclidi positrone-emittenti

Per lo studio in vivo del metabolismo cerebrale possiamo utilizzare:

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H O

HO-CH2

OH

H

H

OH

HO

H

OH

H

( 18F )

[18F]deossi-

glicogeno

[18F]glicolipidi

[18F]glico-

proteine [18F]UDPDG

[18F]deossiglucosio-1-P

[18F]deossiglucosio-6-P

glucosio-6-P

fruttosio-6-P

CO2 + H2O

Tessuto cerebrale Plasma

[18F]deossiglucosio

Bar

rier

a em

ato-e

nce

fali

ca

[18F]deossi-

glucosio

glucosio glucosio

Il modello del 18Fluoro-2-deossi-D-glucosio nello Studio in vivo del Metabolismo Glucidico Cerebrale

precursori prodotti metabolici

K*2

K*1

K1

K2

K*3

K3

esochinasi fosfoglucosio

isomerasi

esochinasi

glucosio 2-deossi-D-glucosio

H O

HO-CH2

OH

H

H

H

HO

H

OH

H

G-6-Pasi

Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

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Studio del Metabolismo Cerebrale del Glucosio in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche

• Condizione di riposo

• Effetti della stimolazione

sensoriale visiva

occhi chiusi 1 occhio 2 occhi scena complessa

0

10

20

30

40

50

60

Corteccia Visiva

aum

ento

% d

el m

eta

bolis

mo

del glu

cosi

o

Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche

18FDG -glucosio

18F-fluorodopa

18F-fluoroetilspiperone

Anziano

Sano

Malato

AD

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Adapted from Gusnard & Raichle (2001)

Studio del Metabolismo Cerebrale in vivo nell’Uomo in Condizioni Fisiologiche

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Perché la PET??

• Può usufruire di un numero illimitato di traccianti

• È un metodo quantitativo

• Ha alta sensibilità

• Ha un’elevata “risoluzione chimica”

• Ha una risoluzione spaziale discreta (2 mm)

PET: Metodologia

La raccolta dei dati e i metodi di analisi dipendono dallo studio in questione

• Immagine semiqualitativa singola (immagine statica clinica)

• Analisi più dettagliate richiedono un’acquisizione dinamica (elaborazione di un modello, campionamento ematico, ecc.

– Confronto tra gruppi a riposo

– Attivazione vs condizione di riposo

– Confronto tra attivazioni di gruppi diversi

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PET statica semiqualitativa singola

La tomografia ad

emissione di positroni

tra applicazioni

cliniche…

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• Patologie neurodegenerative

– caratterizzazione clinica

– diagnosi differenziale

– tipizzazione

– evoluzione

• Tumori

– grading

– post-operatorio

– follow-up

• Epilessia

• Dolore cronico

• Disturbi del movimento

• Trauma

• Patologia ischemica e cerebrovascolare

• Patologie Infettive

• Mapping funzionale prechirurgico

Utilità studi PET cerebrali

Il ruolo della PET nelle patologie neurologiche

Epilessia

Parkinson

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Studio in vivo nell’Uomo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle Formazioni

Neoplastiche Cerebrali Diagnostica Molecolare in Vivo

• La misurazione del metabolismo cerebrale del glucosio consente di:

• determinare la natura (benigna/maligna) della neoformazione

• determinarne il grado di anaplasia ( anaplasia consumo glucosio)

• valutare nel tempo gli effetti della terapia e la presenza di eventuali

recidive

• Cellule neoplastiche:

replicazione cellulare attività metabolica di sintesi

attività glicolitica

Il ruolo della PET nelle patologie neurologiche

Traumi Cranici

Corea di Hungtinton

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Alterazioni del Metabolismo Cerebrale del Glucosio nelle

Malattie Neurodegenerative: la Demenza di Alzheimer

• Progressivo e globale decadimento delle funzioni cognitive (memoria linguaggio,

ragionamento, pensiero astratto, ecc.)

Le riduzioni dei valori di

metabolismo glucidico in

pazienti con malattia di

Alzheimer:

• prevalenti nelle regioni

della neocorteccia

associativa dei lobi

parietale, temporale e

frontale

• si aggravano con il

progredire della malattia

• correlano con il quadro di

disfunzione cognitiva e, in

alcuni casi, possono

precedere e predirre il

successivo sviluppo dei

deficit neuropsicologici

SOGGETTO

NORMALE

DEMENZA

INIZIALE

DEMENZA

MODERATA

DEMENZA

GRAVE

Alzheimer’s Disease: Diagnosi

M 65 yrs

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Alzheimer’s Disease: Evoluzione

Alzheimer’s Disease: Correlazione con la clinica

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La PET nella valutazione della demenza: Predire l’evoluzione

Silverman DHS et al., JAMA, 2001

La PET nella valutazione della demenza: Quale tipo di decadimento cognitivo?

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Demenza Fronto-temporale

F 70 yrs

Visual Variant

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Nordberg A., The Lancet Neurology, 2004

Healthy olders

AD

PET – quali frontiere per la neuropatologia?

HC

AD

MCI

MCI/AD

Sabri O., Eur J Nucl Med Mol Imaging, 2008

ß-amiloide Recettori nicotinici

• Patologie neurodegenerative

– caratterizzazione clinica

– diagnosi differenziale

– tipizzazione

– evoluzione

• Tumori

– grading

– post-operatorio

– follow-up

• Epilessia

• Dolore cronico

• Disturbi del movimento

• Trauma

• Patologia ischemica e cerebrovascolare

• Patologie Infettive

• Mapping funzionale prechirurgico

Utilità studi PET cerebrali

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La valutazione in acuto di immagini strutturali e/o metabolico-funzionali è orientata all’identificazione delle lesioni che

necessitano di una terapia chirurgica d’urgenza

Trauma - TAC e RMN

La valutazione funzionale in acuto può contribuire alla definizione dei processi patofisiologici iniziali, alla valutazione dell’intervento terapeutico e al potenziamento delle strategie d’intervento

Trauma - DTI/PET/sRMN

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• Patologie neurodegenerative

– caratterizzazione clinica

– diagnosi differenziale

– tipizzazione

– evoluzione

• Tumori

– grading

– post-operatorio

– follow-up

• Epilessia

• Dolore cronico

• Disturbi del movimento

• Trauma

• Patologia ischemica e cerebrovascolare

• Patologie Infettive

• Mapping funzionale prechirurgico

Utilità studi PET cerebrali

Stroke - PET

• Valutare la funzionalità residua di ogni paziente

• Comprendere i meccanismi d’azione delle varie

terapie riabilitative o della risposta del paziente

alle stesse al fine di una migliore scelta

individuale

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• Patologie neurodegenerative

– caratterizzazione clinica

– diagnosi differenziale

– tipizzazione

– evoluzione

• Tumori

– grading

– post-operatorio

– follow-up

• Epilessia

• Dolore cronico

• Disturbi del movimento

• Trauma

• Patologia ischemica e cerebrovascolare

• Patologie Infettive

• Mapping funzionale prechirurgico

Utilità studi PET cerebrali

PET – ruolo nelle infezioni

Toxoplasmosi

Linfoma

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La PET cerebrale

tra applicazioni cliniche

… e di ricerca

Analisi dei dati: postprocessing

reconstruction registration smoothing

Rationale: ipotesi

sperimentale

Preprocessing e sessione

sperimentale

Interpretazione dei risultati,

correlazione con dati

comportamentali e verifica

dell’ipotesi

Paradigma sperimentale

Selezione, screening,

test psicologici e

comportamentali

Esperimenti PET

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Lo Studio in vivo del Metabolismo Cerebrale del Glucosio mediante Tomografia ad Emissione di Positroni

SELEZIONE DEL CAMPIONE

• Selezionare le caratteristiche di genere (maschi o femmine), età (giovani o anziani), educazione, anamnestiche (patologie o farmaci che interferiscono col metabolismo cerebrale)

• Selezionare il campione in base al compito sperimentale (es. selezione con Betts Questionnaire per studio di visual imagery)

• Training preliminare (attenzione ai bias introdotti dalla performance)

• Feedback della performance durante il compito!

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Metodologia PET: confronto tra gruppi

GRUPPO A GRUPPO B

IMMAGINE RISULTATO

NORMALIZZAZIONE SPAZIALE

ANATOMICA (Talairach

e Tournoux

Atlas)

#1

#2

#3

#4

#5

…n

ANALISI STATISTICA

(ANOVA, T-TEST, CORRELAZIONE)

Metodologia PET: Attivazione vs condizione di riposo

ATTIVAZIONE RIPOSO CONTROLLO

IMMAGINE MEDIA DELLE DIFFERENZE

NORMALIZZAZIONE ANATOMICA (Talairach e Tournoux Atlas)

IMMAGINI INDIVIDUALI DI DIFFERENZA

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La sottrazione cognitiva è nata con gli esperimenti di reazione motoria (F. C. Donders).

Assunzione della inserzione pura: Si può inserire una componente nel compito sperimentale senza interferire con le altre componenti (N.B. grosso limite inerpretativo!)

Esempio: T1: Premi un bottone quando appare una luce T2: Premi un bottone quando appare una luce verde ma non rossa T3: Premi il bottone sinistro quando appare una luce verde e il bottone

destro quando appare una luce rossa T2 – T1 = tempo per fare una discriminazione tra colori T3 – T2 = tempo per prendere una decisione F. C. Donders

Paradigma sperimentale

Logica della sottrazione

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PET - applicazioni cliniche

Oncologiche

Cardiache

Cerebrali

Malattie Infettive

Farmacologiche

Metaboliche

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40 minutes after injection with FDG, normal uptake in brain (Br) and in myocardium (C) and renal excretion into the urinary bladder (B) are visible. Also seen is a tumor (T) in the lungs, that takes up more FDG than the surroundings tissues

Role of PET in oncology

PET-FDG: diagnosi e caratterizzazione

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Tumore primitivo (melanoma)

Replicazioni Metastatiche

PET-FDG: stadiazione e ricerca repliche

La PET Whole-body con un precursore della serotonina marcato con 11C (5-

hydroxytriptophan-5-HTTP) usato come tracciante, dimostra un carcinoide

bronchiale a secrezione ectopica di ACTH con metastasi al polmone

PET-FDG: ricerca lesione primaria

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PET-FDG: stadiazione

PET-FDG: stadiazione

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Role of PET in oncology

Post-therapy 18F-FDG PET/CTstudy of same patient

There is no appreciable FDG uptake in mediastinum (especially in transverse and sagittal images) to suggest residual lymphoma.

Note intense 18F-FDG uptake in bone marrow in shoulder joints, sternum, and thoracic vertebrae, consistent with post-therapy reactive bone marrow changes.

Role of PET in oncology: therapeutic evaluation

A 45-y-old man with NHL (diffuse large cell) underwent 18FDG PET/CT before and after completion of chemotherapy

Pretherapy 18FFDG PET/CT images reveal intense uptake in right supraclavicular region and right anterior mediastinum. Note physiologic uptake in myocardium.

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Esame PET

Linfoma di Hodgkin

Esame PET

Post-trattamento

PET-FDG: verifica della terapia

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Role of PET in infectious diseases

A patient with fever of unknown origin

FDG PET coronal images (left) show increased FDG uptake in the large thoracic vessels and

arteria carotis communis (arrows), suggesting arteritis

The arteria temporalis could not be visualized due to the proximity of the brain (subsequently

arteria temporalis biopsy revealed giant cell arteritis)

A follow-up scan (right) 6 weeks after initiation of corticoid therapy shows a decrease in the

inflammatory process.

Role of PET in infectious diseases

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Il ruolo della PET nelle patologie cardiache:

quando il miocardio è ibernato

Confronto tra esame PET e scintigrafia perfusionale

Il ruolo della PET nelle patologie cardiache:

quando il miocardio è ibernato

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