2017.03.01.
„Drug design” Hatóanyag tervezés molekuláris mechanizmusok alapján • eljut-e a gyógyszer a célszervig? • felszívódik-e? • mennyi idő alatt? • milyen a szöveti eloszlása?
Képalkotó eljárások a gyógyszerkutatásban Dr. Kengyel András Gyógyszerész előadás 2017. febr. 27.
Biofizikai Intézet
Kérdések a módszer kiválasztása előtt
Funkcionális (GK, SPECT, PET, fMRI,
Morfológiai (UH, CT, MRI)
Doppler UH)
Molekuláris képalkotás módszerei
• térbeli felbontás • érzékenység • dinamikus információ • egész test / régió • időbeli felbontás • behatolás mélysége • kvantitatív adatok • többszörös megismételt vizsgálatok • cél-e a klinikai transzláció Michelle L. James, and Sanjiv S. Gambhir Physiol Rev 2012;92:897-965
MRI
NMR Nuclear Magnetic Resonance
(N)MRI p+
(Nuclear) Magnetic Resonance Imaging
MRI
NMR spektrum
MRI kép
1
2017.03.01.
Elemi mágnesesség
Elemi mágnesesség
Mozgó elektromos töltés mágneses mezőt kelt
Homogén mágneses tér Külső mágneses mező (B0)
Páratlan spinnű atommag: elemi mágnes Mágneses momentum: precesszáló mozgás Kvantált értéket vehet fel Larmor-frekvencia
p+
B0 Random elrendeződés
γ = giromágneses faktor
Orientált elemi mágnesek
B0 = mágneses térerő
Földmágnesesség: 0,1 mT (Tesla) Hűtőmágnes: 25 mT MRI: 1,5 - 3 T
Elemi mágnesesség
MRI szkenner felépítése
E
B0 Antiparallel (magas energiájú állapot)
B0
Grádiens
Bz
Grádiens
M
RF vevő
y
Parallel (alacsony energiájú állapot)
Mágnes
z
Nettó mágnesezettség
Felhasadt energiaszintek
(spin többlet: 6/100.000)
x transzverzális
Philips http://www.hybrid-pet-mr.eu
MRI jel: 1. Erős mágneses tér
MRI jel: 2. Rezonancia
Mz
Longitudinális jel:
spin – rács relaxáció
Mz
spin – rács relaxáció
Idő (s)
Eredő mágneses vektor
Transzverzális jel:
Precesszió
spin – spin relaxáció
H+
Bz
spin – spin relaxáció
Mx
Mágneses tér
Detektor
H+ H+
Transzverzális jel:
Precesszió
Mx
Mágneses tér
Idő (s)
Eredő mágneses vektor
Detektor
Longitudinális jel:
longitudinális
H+ H+
Idő (ms)
Rádiófrekvenciás gerjesztés (RF)
H+
Bz
Idő (ms)
2
2017.03.01.
MRI jel: 3. Relaxáció Longitudinális jel:
T1 – T2 idő
Mz
spin – rács relaxáció
T2 idő
Longitudinális mágnesezettség felépülése
Transzverzális mágnesezettség csökkenése
spin – rács relaxáció
T1 idő
spin – spin relaxáció
Oka: 1H (víz) és a környezet kapcsolata (mennyire szabad v. kötött), energiatranszfer
Idő (s)
Eredő mágneses vektor
T1 idő
Transzverzális jel:
Precesszió
fázisvesztés Oka: 1H egymás közötti kapcsolata
Pl. fehérje hidrátburok T1 < szabad víz T1
spin – spin relaxáció
H+
T2
szövetre jellemző
T1 idő 0,5 1
T2 idő 20 40
Idő (s)
Idő (ms)
Idő (ms)
Bz
Rádiófrekvenciás gerjesztés (RF)
Mx
T1
T2 idő
Detektor
H+ H+
Mz
Mx
Mágneses tér
Mindig transzverzális irányban detektálunk!
3D képalkotás - szeletválasztás
Rádiófrekvenciás gerjesztés
By fázis kódoló grádiens (2.)
z
Bz
(Adott szeletre specifikus Larmorfrekvencia)
Bx frekvencia kódoló grádiens (3.)
Bz szelet választó grádiens (1.)
Larmor-frekvencia
3D képalkotás
y By
x Bx
leolvasás
z
Minden pixel: eltérő fázis és frekvencia információ
3D képalkotás 1. (z) Mágneses grádiens – szeletválasztás (be/ki) 2. Rádiófrekvenciás gerjesztés (90° impulzus) 3. (y) Mágneses grádiens – fázis kódolás (be/ki) 4. (x) Mágneses grádiens – frekvencia kódolás (be) 5. Spin echo (180° impulzus) – „zajszűrés” 6. Adatgyűjtés Furier transzformáció
Grádiens (x)
Grád
(Összetett jel felbontása elemi szinuszfüggvényekké)
k-tér (k-space)
Gamma kamera, SPECT
Philips http://www.hybrid-pet-mr.eu
3
2017.03.01.
Gamma sugárzás
Szcintillációs detektor
Izomer magátalakulás
K-befogás
(131I, 99mTc)
(121I, 201Tl)
kristály
gamma foton
fotodioda
elektron
Fotoelektronsokszorozók
fény dinoda
Fotoelektron-sokszorozó
GEOMETRIAI HATÉKONYSÁG:
Kristály
a detektálás hasznos térszöge
Kollimátor
Effektivitás (fényerő) Térbeli felbontás (élesség) (fordítottan arányos) Kollimátorok effektivitása: 1/5000
https://www.euronuclear.org
Gamma Kamera
Gamma Kamera Pajzsmirigy scan (131I) „forró göb”
y jel
x jel Pozíció detektor Erősítő Fotoelektronsokszorozó NaI(Tl) kristály
γ - sugár
Kollimátor Páciens
Tumorkeresés Immunszcintigráfia Csont szcintigráfia (99mTc-DMSA, foszfátanalóg)
Ventillációs (133Xe - inhaláció) / Perfúziós (201Tl - iv) szcintigráfia
SPECT SPECT: Single Photon Emission Computer Tomography - forgó gamma kamera, 3D képrekonstrukció - egész test, nem szeletelés (gyors)
PET
4
2017.03.01.
Pozitron keletkezés
Pozitron-elektron annihiláció
Beta+
Párkeltés
bomlás Detektor
γ e-
γ foton (0.51 MeV) 18F
e+
(pozitron emitter)
Töltés megmaradás
e+= positron pozitron (e+)
Energia megmaradás Tömeg megmaradás
„könnyű” PET izotópok magfizikai jellemzői Izotóp
Felezési idő (min)
Hatótávolság vízben
18F
109,7
1,0 mm
11C
20,4
1,1 mm
13N
9,96
1,4 mm
15O
2,07
1,5 mm
elektron (e-)
γ foton (0.51 MeV)
Impulzusmegmaradás
Detektor
PET szkenner
Elektronikus kollimálás Annihilációs sugárzás: • két foton • egyidőben emittált (koincidens) • ko-lineáris • ellenkező irányú • 511 keV energiájú
Gyűrűszerűen elrendezett detektorok DOTE: 512 detektor, 8 gyűrű (=15 szelet)
Koincidencia áramkörök: • két detektorból, egyidejű, jelet kap • időfelbontás: 10-20 ns • gyűrűn belüli, szomszédos gyűrűk közötti (kb 750.000 koincidencia kapcsolat)
Energia diszkriminátor:
http://www.cc.nih.gov/about/news/newsletter/1997/apr97/aprccnews97.html
511 keV
West, Nature Reviews Cancer 4, 457-469 (2004) doi:10.1038/nrc1368
Képrekonstrukció
PET izotópok L-[S-metil- 11C] Metionin szöveti aminósav anyagcsere: fehérje szintézis, transzmetiláció, metabolizmus (agyi és egésztest vizsgálatok, onkológia) [ 15O] Oxigén miokardiális oxigén fogyasztás, tumor nekrózis [15O] Víz szöveti perfúzió, tüdő extravazális folyadék [15O] Szén-dioxid
FDG-6-P:
lokális agyi véráramlás [18F] Fluorodeoxyglucose (FDG)
Koincidencia egyenesek metszéspontja: farmakon felhalmozódása
- glükolitikus enzimek nem fogadják el szubsztrátként - lipid membránon nem képes áthaladni (poláros)
Sugárforrás térbeli eloszlása: számítógépes rekonstrukció
- akkumulálódik a sejtekben
Impulzusszámhoz színskála rendelhető Szöveti abszorpciós együtthatóval korrigálni
- glükózanalóg
hexokináz
- akkumuláció mértéke szorosan korrelál a sejtek glükóz felvételével
5
2017.03.01.
PET diagnosztika Normál agyi (18F)FDG-scan
PET alkalmazhatósága
Alacsony grádusú astrocytoma • Nagy érzékenységű, funkcionális vizsgáló módszer • Informatív olyan funkcionális változásokról, amelyekről más módszerek csak korlátozottan, vagy egyáltalán nem adnak tájékoztatást. • Molekuláris nyomjelzők alkalmazhatóak • Többletinformáció nyerhető a gyógyítási stratégia elkészítéséhez
(18F)FDG-PET FDG (fluoro-dezoxiglükóz): felhalmozódó glükóz analóg
(11C)Metionin-PET
Glükóz anyagcsere
Fehérjeszintézis
PET hátrányai
Sugárterhelés
• Sugárterhelés
Rtg diagnosztika
• Eszközigényes (ciklotron szükséges) • Önmagában nem eléggé informatív
mSv 20
• Képfelbontási korlát (2-3 mm) • Hosszadalmas betegelőkészítés, bonyolult vizsgálat • Klausztrofóbiás, nem kooperáló betegnél korlátozottan használható • Artefakt: gyulladás, elnyelés, szóródás (álpozitív eredmények)
Izotóp diagnosztika
Hasi CT
PET
Mellkas CT
Agyi SPECT
Foglalkozási dóziskorlát: 20 mSv/év
10 6 Hasi Rtg
1
Kismedence Rtg
Csontszcintigráfia Tüdőperfúzió
Természetes háttér (2-3 mSv/év)
Renográfia
• Költséges
Pajzsmirigy scan
0,1 0,05
Mellkas Rtg
Felhasznált irodalom
Suzanne A. Kane: Introduction to physics in modern medicine, T&F 2003 Bradley et al. Magnetic Resonance Imaging, Aspen 1985 Reimer et al. Clinical MR Imaging, Springer 1999 Hornak, The Basics of MRI http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm http://www.radiologia.hu/szakma/mro/cikk/3.html
6
