„Ráktörténelem” Legrégebbi leírás: egyiptomi papirusz, 3000-1500 Kr. e. Leletek: Homo erectus, Burkitt limfóma? Bronzkori koponya 2400 éves perui inka, melanóma gyanú - Hippokrátesz: - jóindulatú – rosszindulatú daganat különbség - rák elnevezés - Galenus (129-199) onkológia könyv - Adrian Helveticus, XVII. sz. műtét - Giovanni Morgagni, Padua, 1761: posztmortem biopszia - Röntgen, 1896.
Tumordiagnosztika - „Ha már fáj”
- Észlelés (látvány, tapintás) -
Biopszia, szövettan Röntgen (mellkasröntgen, mammográfia, stb) Scintigráfia CT - SPECT (Single photon emission computed tomography) a véráramban marad a jelzett anyag - PET (Positron emission tomography) a szövetek adszorbeál(hat)ják a jelzett anyagot - Immundiagnosztika – tumormarkerek - DNS chip/DNS array
Melanóma
Emlőrák túlélési esélye a stádium függvényében Stádium
Ötéves relatív túlélési arány
0
100%
I
98%
IIA
88%
IIB
76%
IIIA
56%
IIIB
49%
IV
16%
Forrás: American Cancer Society
Tumordiagnosztika -
„Ha már fáj” Észlelés (látvány, tapintás)
Biopszia, szövettan
Röntgen (mellkasröntgen, mammográfia, stb) Scintigráfia CT - SPECT (Single photon emission computed tomography) a véráramban marad a jelzett anyag - PET (Positron emission tomography) a szövetek adszorbeál(hat)ják a jelzett anyagot - Immundiagnosztika – tumormarkerek - DNS chip/DNS array
Biopszia, szövettan - Atípusos szöveti struktúra - Pleiomorfizmus: daganaton belül is különböző szöveti struktúra - Magas sejtosztódási arány, gócok - Infiltratív növekedés
Tumordiagnosztika -
„Ha már fáj” Észlelés (látvány, tapintás) Biopszia, szövettan
Röntgen (mellkasröntgen, mammográfia, stb)
Scintigráfia CT - SPECT (Single photon emission computed tomography) a véráramban marad a jelzett anyag - PET (Positron emission tomography) a szövetek adszorbeál(hat)ják a jelzett anyagot - Immundiagnosztika – tumormarkerek - DNS chip/DNS array
1896 Wilhelm Conrad Röntgen: katódsugárzás biológiai képalkotásra (Nobel díj, 1901) .... Antoine Henri Becquerel, M. Sklodowska-Curie, P.Curie: természetes radioaktivitás, természetes izotópok (Nobel díj, 1903) 1910-es évek, Hevesy György: izotópok, mint biológiai jelzőanyagok (Nobel díj, 1943) Részecskegyorsítók mesterséges izotópok előállítására, Szilárd Leó elképzelése alapján Ernest O. Lawrence valósítja meg (Nobel díj, 1939) 1932 Carl D. Anderson, pozitron (új elemi részecske) felfedezése (Nobel díj, 1936) 1934 Frederic Joliot és Irene Joliot-Curie, első mesterségess izotóp, amelyik pozitront bocsát ki (Nobel díj, 1935)
1970-es évek Godfrey N. Hounsfield: első számítógépes tomográf, CT, MRI, PET technikák megalapozása (Nobel díj, 1980) 1975 Michael Ter-Pogossian et al.: első PET kamera, 18F-fluoro-dezoxi-glükóz (www.teppet.org)
Tüdőtumor diagnosztika - összevetés
Normal mammogram
Mammogram showing carcinoma Oncology in Practice p.4, 3/1994
Tumordiagnosztika -
„Ha már fáj” Észlelés (látvány, tapintás) Biopszia, szövettan Röntgen (mellkasröntgen, mammográfia, stb)
Scintigráfia CT
- SPECT (Single photon emission computed tomography) a véráramban marad a jelzett anyag - PET (Positron emission tomography) a szövetek adszorbeál(hat)ják a jelzett anyagot - Immundiagnosztika – tumormarkerek - DNS chip/DNS array
Csont scintigráfia Megnövekedett foszforanyagcsere a tumoros csontszövetben Foszforsavszármazékok nagyobb mértékű beépülése 99MTc-jelzett
99
42Mo
foszforsavszármazékok alkalmazása
66.7 H e-99M
43Tc
6.03 H γ1
0.1427 0.1405
γ3
γ2 0.0
99 Tc 43
2.12X105 Y
eStabil 99 Ru 44
Tc99-jelzett foszforsavszármazékok csont scintigráfiára
PO3H2
CH2
CH2
PO3H2
AsO3H2
CH2
AsO3H2
Methane-diphosphonic acid (MDP) Szintézis: J.Chem.Soc.1465 (1947) Alkalmazás: J.Nucl.Med. 14, 640 (1973)
SO3H SO3H
1980
Michaelis-Arbusov reakció ( R = etil) O o
P(OR)3
+
trietilfoszfit
ClCH2P(OR)2
O
O
180
-RCl
klórmetán foszforsav dietil észter
O
O
HCl
(RO)2P-CH2 - P(OR)2 metán difoszforsav dietil észter
(HO)2P-CH2 - P(OH)2 metán difoszforsav
Tc99-jelzett foszforsavszármazékok csont scintigráfiára CH2
R1
PO3H2
C
PO3H2
R2
HOOC - H2C
PO3H2
H2C C
HOOC - H2C
PO3H2
H2C
PO3H2 PO3H2
MDP H
H C H2C
PO3H2
PO3H2
C
HOOC
HC
PO3H2
PO3H2
HOOC - H2C
HOOC
3,3-difoszfono-1,2-propándikarbonsav, DPD
Szintézis (R = etil) O
O
(RO)2P-CH2 - P(OR)2
MDP-tetraalkil észter
O
O
(RO)2P-CH - P(OR)2
CH 2 - COOR RONa
+
O
CH 2 - COOR
maleinsav-dialkil észter
O
(HO)2P-CH - P(OH)2 HCl
CH - COOR
CH - COOH
CH2- COOR
CH2- COOH
Z.Anorg.Alig.Chem. 457, 219 (1979)
Femur-to-blood uptake ratio (Q) of Tc99m carboxyphosphonates as function of time after i.v. in the rat.
Csontmetasztázis (emlőtumor) kimutatása
Csontmetasztázis (karcinoma)
Csonthártya gyulladás
Tc99m-3,3-difoszfono-1,2-propándikarbonsav
Tumordiagnosztika -
„Ha már fáj” Észlelés (látvány, tapintás) Biopszia, szövettan Röntgen (mellkasröntgen, mammográfia, stb) Scintigráfia CT - SPECT (Single photon emission computed tomography) a véráramban marad a jelzett anyag - PET (Positron emission tomography) a szövetek adszorbeál(hat)ják a jelzett anyagot - Immundiagnosztika – tumormarkerek - DNS chip/DNS array
Tomográfiás képalkotó eljárások összevetése MRI Fizikai alap Atommagok mágneses rezonenciája Gyakori izotópok Ga Mit vizsgál? struktura
CT
SPECT
röntgensugárzás transzmisszió
foton emisszió
I2 (kontraszt)
PET pozitron emisszió koincidencia detektálás
l
struktura
funkció
funkcó
1 mm
4-5 mm
2,8 mm
2 perc
15 perc
20 perc
6-10
2-10
Felbontás < 1 mm Adatgyűjtési idő 20 perc
Átlagos biológiai sugárterhelés (mSv) 2-8
Gulyás B. Magyar Tudomány, 1999
PET – Positron emission tomography Foton-pár detektálás
P(béta+)ET radionuclides commonly used in oncology Radionuclide
Half-life
Used to measure
15O 2
2 min
Blood flow Oxygen metabolism
10 min 20 min
Blood flow Amino acid uptake Glucose utilisation Proliferation Somatostatin receptor Blood-brain barrier Glucose utilisation Pyridine uptake Drug uptake
13N 11C
68Ga 18F
124I
C15O2, H2O, O2 butanol 13NH 3 11C-Met, 11C-Tyr 11C-glucose 11C-thymidine 11C-somatostatin 68Ga-EDTA 18F-deoxyglucose (FDG) 18F-deoxyuridine 18F-fluorouracil 18F-estradiol 18F-DOPA
68 min 110 min
4 days
Estrogen receptors Monoclonal antibodies Wells, P. et al. Clin.Oncol, 1996
P(béta+)ET izotópok előállítása és jellemzése
Izotóp 15O 13N 11C 18F
Hatótávolság
Felezési idő
Maximális energia
Magfizikai reakció
8 mm
2 min
1,74 MeV
14N(d,n) - 15O
5 mm
10 min
1,20 MeV
12C(d,n) – 13N
4 mm
20 min
0,97 MeV
14N(p,a) - 11C
2 mm
110 min
0,64 MeV
18O(p,n) – 18F
A pozitron keletkezési helyéről kb. 1 mm-re eltávolodva ütközik elektronnal és annihilálája egymást. Ekkor két 511 keV-os gamma foton keletkezik. E két foton egy tengely mentén két ellentéstes irányba szétsugárzódik. A fotonokat szcintillációs detektorokban (PET kamera) regisztrálják. Ezek általában NaI vagy Bi4Ge3O12 kristályt tartalmaznak, amelyek nagy hatékonysággal alakítják át látható fény tartományába eső fotonná.
Radiolabelled drugs for use in PET Radiolabelled drugs
Use
13N-cisplatin
kinetic studies
13N
kinetics in normal brain and glioma
or 11C-carmustine
(11C-N-methyl)temozolomide
in vivo mechanism of action
11C-adriamycin
in vivo quantify MDR
57Co-bleomycin
tumour and normal tissue kinetics
16-α-(18F)-fluoroestradiol-17-β
measurements of receptor concentration
18F-5-fluorouracil
kinetics, predicting response
Radiolabelled drugs for use in PET hexokináz
2-18F-2-dezoxi-D-glükóz (FDG)
2-18F-2-dezoxi-D-glükóz-6-foszfát
(- a glükózhoz hasonló a metabolizmusa, sejtbejutása, de ki is ürül -emelkedett tumorfelvétel)
(felhalmozódik a sejtben és nem ürül ki)
glükóz
glükóz-6-foszfát
Review: Conti PS et al. Nucl.Med.Biol. 23, 717, 1996
Tüdőtumor kimutatása: 18F-dezoxiglükóz - PET Nyirokcsomó metasztázis – agy/hólyag (normális)
C.S.Brock et al. Eur.J.Nucl.Med. 24: 691 (1997)
Radioaktív izotóp konjugátumok
Bioszintetikus módszer 15C, 3H, 14C, 32P, 35S
Kémiai szintézis Közvetlen pl. Tyr, His módosításával
Közvetett a) Kovalens kötés b) Komplex kötés
Radioaktív izotópok közvetlen beépítése Példa: 125I,
131I
(17 jód-, 13 bróm-, 6 klór-, 2 fluorizotóp t½ > 3 perc)
• In vitro – Hosszú féléletidő – Alacsony energiájú foton kibocsátás (nincs részecske)
• In vivo „IMAGING” – – – –
X-ray vagy γ-sugárzó SPECT, PET γ-kamera Viszonylag magas energia, rövid féléletidő
• In vivo TERÁPIA – Nem optimális (nagy energia: veszélyforrás) – Alacsony energia, hosszú féléletidő
α-bomlás [biológiai közegben: mm] A Y A-4 4 Z Z-2X + 2He β-bomlás – e- emisszió 3 H 3 He + e- + n 1 2 2 e neutron proton + elektron + antineutrínó – e- befogás 40 K 40 Ar 19 18 elektron + proton neutron – e+ emisszió 11 C 11 B + e+ + n 6 5 5 6 e proton pozitron + neutrínó γ-bomlás AY* AY + γ
A radioaktív mag kiválasztását befolyásoló tényezők
Radioaktív mag
Elérhetőség
Ár
Fizikai félélet
Legfontosabb gamma energia (keV)
123I
Kicsi
Magas
13 óra
159
131I
Jó
Alacsony
8 nap
364
111In
Jó
Közepes
67 óra
173 247
67Ga
Jó
Közepes
78 óra
185 300
99mTc
Jó
Alacsony
6 óra
141
Jódizotóp bejuttatása fehérjébe 1. Klóramin-T módszer Greewood, FC et al. Biochem J 89 114 (1963) Wilbur, DS Bioconjugate Chem 3 433 (1992)
O H3C
O
S N O
Cl
H3C
+ 125I + 2 H+
S NH2 O
(Na125I)
N-Cl-p-toluol szulfonsav His
Tyr O
O N 125
I N
+
N
H
• 30 s – 30 perc • vízoldékony • pH 7 foszfátpuffer 0.05 M
N
HO 125
I
+
125ICl
2. Immobilizált klóramin-T (IODO-BEADS) U.S. Patent 4448764 és 4436718 3 mm
• 2 – 5 perc • jó protein visszanyerés • enyhébb körülmények • pH 7.2 – 8.4
polisztirol mátrix O CH
S
-
N
Cl
O
3. IODO-GEN Fraker, PJ és Speck, JC BBRC 80 849 (1978) O
O Cl
N
N
Cl
Cl
+ Cl
N
N
Cl
O 1,3,5,6-tetraklór-3a,6a-difenilglicouril
125 -
I
(Na125I)
+
N
N
H
+
+
H
Cl
N
• vízben nem oldódik • felszínre kell felvinni • gyors • leállítás az oldószer megvonással
N O
Cl
125
ICl
Enzim katalízis Marcholonis JJ Biochem J 113 299 (1969)
a) H2O 2
H2O 125
125 -
I2
I
H2O I
+
laktoperoxidáz laktoperoxidáz H
• pH függő (pH 6 – 7) • H2O2 tisztasága!
+ Tyr His
+
I
-
Enzim katalízis
HO O
b) In situ H2O2 előállítás: immobilizált enzimek
HO
OH HO
OH glükóz
glükóz oxidáz HO O HO
O HO
oldhatatlan gyöngy immobilizált glükóz oxidázzal és laktoperoxidázzal
OH
δ-glükonolakton H2O 2 hidrogén peroxid
125 -
I
laktoperoxidáz
I2 reaktív jód
az eredeti immunológiai aktivitás maradéka %
A növekvő mértékű jelölés hatása a fehérje immunológiai aktivitására
2 antiszérum
1 antiszérum
szubsztituált jód atomok száma fehérjemolekulánként
N-szukcinimidil 3-(4-hidroxi 5-[125I]jódfenil) propionát (Bolton és Hunter reagens) OH
OH 125
O
O
+
Na
125
I
Klóramin-T
I
O
jódozási reakció
O N
O N
O N-szukcinimidil 3-(4-hidroxifenil) propionát
O Bolton és Hunter reagens
+
OH 125
I
konjugációs O
H N
H2N
O
reakció
N H
125I-dal
O
O
H N
jelölt fehérje
O
fehérjében levõ lizin ε-amino csoportja jelölendõ O
N H
N H
Radioaktívan jelölt emberi növekedési hormon gélszűrése, a nyert frakciók immunológiai aktivitása 2 csúcs összes beütés
beütés/perc (ezer)
beütések az antiszérummal számolva
1 csúcs 3 csúcs
frakciószám
Radioaktívan jelölt inzulin elválasztása fordított fázisú HPLC-vel jelöletlen inzulin elúciós helye
B eluens %
Radioaktivitás
Abszorbancia
minta injektálás
A eluens: 0.2M ammónium acetát B eluens: acetonitril
Radioaktív izotópok beépítése kelátorokkal Lineáris kelátorok O
O
O R
O
O
O
N
NH
O
O
N
+
O NH
O
O
-
O
O
-
Dietilén triamin pentaecetsav S NH
S
C
C
N O
R
NH
-
O R
O
N
N
N
N O
-
N
O O
O O
-
DTTA
-
NH2
O N
O
-
O
-
-
NH
amint tartalmazó molekula R
DTPA O
O
N
+
O
NH2
O N
-
O O
O -
O
-
O tiourea kötés képzõdés
-
Lineáris kelátor H3C
OH N
O NH O O N OH N O H2N
O DFA deferoxamin
OH
Ciklikus kelátorok
O
O
O
-
O
-
O N
N
N
O
O O
-
N
NOTA 1,4,7-triazaciklononánN,N',N''-triecetsav
O
O O
O
-
N
O DOTA 1,4,7,10-tetraazaciklododekán- O N,N',N'',N'''-tetraecetsav
O
O
O N
-
N
O
-
O
N
N
N
N
O
-
-
O
TETA 1,4,8,11-tetraazaciklotetradekánN,N',N'',N'''-tetraecetsav
-
O
-
-
Tumordiagnosztika -
„Ha már fáj” Észlelés (látvány, tapintás) Biopszia, szövettan Röntgen (mellkasröntgen, mammográfia, stb) Scintigráfia CT - SPECT (Single photon emission computed tomography) a véráramban marad a jelzett anyag - PET (Positron emission tomography) a szövetek adszorbeál(hat)ják a jelzett anyagot
- Immundiagnosztika – tumormarkerek - DNS chip/DNS array
Tumorantigének Tumorhoz asszociált antigének Normálisan fejlődő szövetben is
Tumorspecifikus antigének Kizárólag tumorsejteken előforduló szerkezetek
Embrionális antigének (CEA) Normális sejteken kevesebb antigén
Kémiai, fizikai karcinogének vagy vírusok okozta tumor
Tumormarkerek a klinikai gyakorlatban Hólyag Emlő Méhnyak Vastagbél Gyomor Leukémia Limfóma Tüdő (kissejtes) Petefészek Pajzsmirigy Vese Here
CEA CEA, CA 15-3, ferritin CEA CEA, CA 19-9, tejsav-dehidrogenáz CEA, CA 19-9, CA 72-4 ferritin, tejsav-dehidrogenáz β-2-mikroglobulin, ferritin, tejsav-dehidrogenáz CEA, bombezin, kalcitonin CA 125, CEA tireoglobulin, kalcitonin eritropoetin, renin α-fetoprotein, tejsav-dehidrogenáz
Egészséges populáció szűrésére nem alkalmas Műtét/kezelés utáni szűrés: kiújulás észlelése „Fingerprint” Mucinok
Tumordiagnosztika -
„Ha már fáj” Észlelés (látvány, tapintás) Biopszia, szövettan Röntgen (mellkasröntgen, mammográfia, stb) Scintigráfia CT - SPECT (Single photon emission computed tomography) a véráramban marad a jelzett anyag - PET (Positron emission tomography) a szövetek adszorbeál(hat)ják a jelzett anyagot - Immundiagnosztika – tumormarkerek - DNS chip/DNS array
DNS (oligonukleotid) chip
Expression levels of 50 genes most highly correlated with the acute lymphoblastic leukemia (ALL) and acute myeloid leukemia (AML).
Expressed in ALL
Expressed in AML
Expression levels greater than the mean: red, below the mean: blue. TR Golub et al Science 286: 531 (1999)
Expression levels of predictive 50 genes most highly correlated with the ALL-AML in independent dataset.
Expressed in ALL 35 patients
Expressed in AML
Expression levels greater than the mean: red, below the mean: blue. TR Golub et al Science 286: 531 (1999)
