Des experts au Japon ont mis au point un moyen simple de glaner des informations plus détaillées à partir d'analyses d'imagerie médicale standard. Une équipe de recherche composée de physiciens atomiques et d'experts en médecine nucléaire de l'Université de Tokyo et de l'Institut national des sciences radiologiques (NIRS) a conçu une minuterie qui peut permettre aux scanners de tomographie par émission de positons (TEP) de détecter la concentration en oxygène des tissus chez les patients ' corps. Cette mise à niveau des scanners TEP pourrait conduire à un avenir meilleur traitement du cancer en identifiant rapidement les parties des tumeurs présentant une croissance cellulaire plus agressive.

"L'expérience des patients dans ce futur PET scan sera la même qu'aujourd'hui. L'expérience des équipes médicales pour réaliser le scan sera également la même, juste avec des informations plus utiles à la fin, " a déclaré le docteur en médecine nucléaire Dr Miwako Takahashi du NIRS, un co-auteur de la publication de recherche dans Physique des communications .

"C'était un projet rapide pour nous, et je pense que cela devrait également devenir une avancée médicale très rapide pour de vrais patients au cours de la prochaine décennie. Les entreprises de dispositifs médicaux peuvent appliquer cette méthode de manière très économique, J'espère, " a déclaré le professeur adjoint Kengo Shibuya de l'École supérieure des arts et des sciences de l'Université de Tokyo, premier auteur de la publication.

TEP scans

Les positons pour lesquels les scans TEP sont nommés sont les formes d'antimatière chargées positivement des électrons. En raison de leur petite taille et de leur masse extrêmement faible, les positons ne présentent aucun danger dans les applications médicales. Les positons produisent des rayons gamma, qui sont des ondes électromagnétiques similaires aux rayons X, mais avec des longueurs d'onde plus courtes.

Lors de la réception d'un PET scan, un patient reçoit une petite quantité de liquide très faiblement radioactif, souvent composé de molécules de sucre modifiées, généralement injecté dans leur sang. Le liquide circule pendant une courte période. Les différences de flux sanguin ou de métabolisme affectent la répartition de la radioactivité. Le patient est alors allongé dans un grand scanner PET en forme de tube. Comme le liquide radioactif émet des positons qui se désintègrent ensuite en rayons gamma, des anneaux de détecteurs de rayons gamma cartographient les emplacements des rayons gamma émis par le corps du patient.

Les médecins demandent des TEP lorsqu'ils ont besoin d'informations non seulement sur la structure, mais aussi la fonction métabolique des tissus à l'intérieur du corps. La détection de la concentration d'oxygène à l'aide du même PET scan ajouterait une autre couche d'informations utiles sur la fonction du corps.

Concentration d'oxygène mesurée en nanosecondes

La vie d'un positron est un choix de deux chemins très courts, les deux commencent lorsqu'un positron est "né" lorsqu'il est libéré du liquide radioactif de TEP. Sur le chemin le plus court, le positon entre immédiatement en collision avec un électron et produit des rayons gamma. Sur le chemin un peu plus long, le positon se transforme initialement en un autre type de particule appelé positronium, qui se désintègre ensuite en rayons gamma. Dans les deux cas, la durée de vie d'un positron à l'intérieur d'un corps humain ne dépasse pas 20 nanosecondes, ou un cinquante millionième de seconde.

"Le résultat est le même, mais la vie ne l'est pas. Notre proposition est de distinguer les durées de vie des positons à l'aide d'un PET scan avec une minuterie afin que nous puissions cartographier les concentrations d'oxygène à l'intérieur du corps des patients, " dit Shibuya.

Shibuya et ses collègues ont développé un tableau d'espérance de vie des positons à l'aide d'un scanner PET miniaturisé pour chronométrer la formation et la désintégration des positons dans des liquides avec des concentrations connues d'oxygène.

Les nouveaux résultats de l'équipe de recherche révèlent que lorsque la concentration en oxygène est élevée, le chemin le plus court est plus probable. Les chercheurs prédisent que leur technique sera capable de détecter la concentration absolue d'oxygène dans n'importe quel tissu du corps d'un patient sur la base de la durée de vie des positrons lors d'un TEP.

La détection de la durée de vie des positons est possible en utilisant les mêmes détecteurs de rayons gamma que les scans TEP utilisent déjà. L'équipe de recherche prédit que la majorité du travail pour transférer cette recherche du laboratoire au chevet du patient consistera à mettre à niveau les détecteurs de rayons gamma et les logiciels afin que les détecteurs de rayons gamma puissent enregistrer non seulement l'emplacement, mais aussi des données temporelles précises.

« Cela ne devrait pas représenter une augmentation importante des coûts pour le développement d'instruments, " a déclaré le professeur Taiga Yamaya, co-auteur de la publication de recherche et chef du groupe de physique d'imagerie au NIRS.

TEP amélioré pour un traitement plus efficace du cancer

Les experts médicaux ont compris depuis longtemps que de faibles concentrations d'oxygène dans les tumeurs peuvent entraver le traitement du cancer pour deux raisons :un faible niveau d'oxygène dans une tumeur est souvent causé par un flux sanguin insuffisant, ce qui est plus fréquent dans les zones à croissance rapide, tumeurs agressives plus difficiles à traiter. Seconde, les faibles niveaux d'oxygène rendent le rayonnement moins efficace parce que les effets désirés de destruction des cellules cancéreuses du traitement par rayonnement sont obtenus en partie par l'énergie du rayonnement convertissant l'oxygène présent dans les cellules en radicaux libres endommageant l'ADN.

Ainsi, la détection de la concentration d'oxygène dans les tissus corporels indiquerait aux experts médicaux comment attaquer plus efficacement les tumeurs à l'intérieur des patients.

"Nous imaginons cibler une radiothérapie plus intense sur les agressifs, les zones à faible concentration en oxygène d'une tumeur et en ciblant le traitement de moindre intensité vers d'autres zones de la même tumeur pour donner aux patients de meilleurs résultats et moins d'effets secondaires, " dit Takahashi.

Shibuya dit que l'équipe de chercheurs a été inspirée pour mettre en pratique un modèle théorique sur la capacité des positrons à révéler la concentration en oxygène publié l'année dernière par des chercheurs en Pologne. Le projet est passé du concept à la publication en quelques mois seulement, même avec les restrictions liées à la pandémie de COVID-19.

Shibuya et ses collègues visent maintenant à étendre leur travail pour trouver d'autres détails médicaux qui pourraient être révélés par la durée de vie d'un positron.