Cours 8: Tomographie par émission de positrons Flashcards
La tomographie par émission de positrons
C’est une technique d’imagerie qui permet de cibler de nombreuses caractéristiques du cerveau, aussi bien au niveau structurel que fonctionnel. Couplée avec un radiotraceur de Fluorodésoxyglucose (FDG), la TEP est couramment utilisée pour cartographier l’activité du cerveau au travers de différentes conditions expérimentales. Avec d’autres traceurs, elle permet de cartographier les dépôts de protéines anormales, ou bien encore la présence de différents récepteurs de neurotransmetteurs.
Principes physiques et physiologiques: Radiotraceurs
Un radiotraceur est un produit radioactif qui est injecté au participant de recherche (a). Les molécules de ce traceur comportent deux parties: un isotope qui émet des rayons radioactifs, et un précurseur qui va s’accrocher à une cible dans le cerveau (b). Cette cible peut être par exemple les récepteurs dopaminergiques (c).
Principes physiques et physiologiques: Radiotraceurs
L’idée de base de la TEP est d’injecter un produit radioactif, appelé radiotraceur, qui va s’accumuler dans une partie bien définie du cerveau, comme par exemple les récepteurs dopaminergiques de type D2. On réalise une image des parties du cerveau qui émettent de la radioactivité, et cela nous permet de quantifier la concentration de la cible du radiotraceur, soit par exemple la présence de récepteurs D2. Le radiotraceur est composé de deux parties: un radioisotope médical, qui est un atome radioactif, qui est lié à un composé non-radioactif nommé précurseur (ou ligand), qui va s’accrocher ou s’accumuler dans une cible (comme les récepteurs D2). Le précurseur est sélectionné pour son affinité avec la cible, et représente un choix clé de la conception d’un radiotraceur, et nous permet de capturer une caractéristique particulière du cerveau. Nous verrons dans la prochaine section comment l’accumulation d’isotopes est détectée par le scanner TEP. Nous allons discuté maintenant plus en détails des différents radioisotopes, précurseurs, et ce qui fait un bon radiotraceur.
Mini-glossaire
Isotope (ou radioisotope) : Un atome qui suit un processus de désintégration radioactif en émettant des radiations détectables* en dehors du corps.
Précurseur (ou ligand) : Un composant non-radioactif qui contient un segment actif se liant à la cible, et pouvant être facilement fusionné au radioisotope.
cible (ou biomarqueur) : La cible est un biomarqueur du phénomène qu’on cherche à mesurer.
Radiotraceur (ou radioligand) : Une molécule marquée délivrant le radioisotope jusqu’au biomarqueur cible; tout ça in vivo. Autrement dit, c’est la combinaison de l’isotope et du précurseur.
Principes physiques et physiologiques: Isotopes et radioactivité
Un isotope radioactif est un atome dont le ratio entre le nombre de protons et de neutrons est instable (a). Cette structure instable amène à l’émission d’un positron, qui s’annihile en percutant un électron, ce qui produit l’émission de rayons gamma opposés (b). Les rayons gamma sont des photons à très haute énergie, qui peuvent traverser les tissus biologiques, mais sont arrêtés par le plomb (c)
Principes physiques et physiologiques: Isotopes et radioactivité
L’imagerie par TEP était possible grâce à l’accumulation d’isotopes radioactifs dans l’organisme, qui sont détectés par l’appareil TEP et permettent de construire une image. Mais comment cette accumulation peut-elle être mesuré? Les isotopes sont conçus spécifiquement pour qu’ils se désintègrent dans le corps, c’est-à-dire pour que le noyau atomique soit instable. Un isotope stable a un noyau constitué d’un nombre de protons et de neutrons équilibrées. Un noyau instable aura soit trop de protons, soit trop de neutrons. À un moment, cette structure instable va se stabiliser en émettant un positron et un neutrino électronique. Lorsque le positron émis en dehors du noyau rencontre un électron, les deux se désintègrent, ce qui génère deux photons partant en direction diamétralement opposée. Ces photons à haute énergie sont appelés rayons gamma.
Les radioisotopes sont produits dans un cyclotron, et vont commencer à se désintégrer immédiatement. La demi-vie du radiotraceur correspond au temps nécessaire pour que la moitié des atomes radioactifs contenus dans le traceur se soient transformés en atomes stables. Chaque désintégration atomique est aléatoire, mais à cause du grand nombre d’atomes contenus dans une dose de radiotraceurs, la demi-vie est un phénomène très stable. L’imagerie TEP utilise un certain nombre d’isotopes bien connus. Certains, comme celui fabriqué à partir de fluor (ou
F), ont une demi-vie assez longue. Cela nous permet de les produire sur un site spécialisé, puis de les transporter sur le lieu de l’étude. D’autres radioisotopes, comme celui fabriqué à partir d’oxygène (ou
O) ont une demi-vie très courte. Au niveau logistique, ceci nécessite que le cyclotron se trouve à proximité du site ou l’expérimentation se déroule, car le radiotraceur doit immédiatement être utilisé après sa production. Référons nous au tableau d’isotopes pour comprendre de combien de temps nous disposons pour effectuer un scan TEP en fonction de l’isotope utilisé.
Tableau d’isotopes TEP
Principes physiques et physiologiques: Précurseurs et biomarqueurs
Molécule de Fluorodeoxyglucose. Chaque sphère représente un atome (noir: carbone, rouge: oxygène, blanc: hydrogène, vert:
F).
Principes physiques et physiologiques: Précurseurs et biomarqueurs
Le précurseur peut être une molécule endogène (déjà présente dans l’organisme, soit l’oxygène ou le glucose) dont la concentration est altérée en présence de l’activité cérébrale ou bien d’une pathologie. Le précurseur peut aussi être une molécule qui va s’accrocher à une partie spécifique du cerveau (par exemple les récepteurs d’un certain neurotransmetteur). Une réaction chimique est utilisée pour synthétiser une molécule qui regroupe le radioisotope et le précurseur. Dans l’exemple du FDG, une molécule de glucose standard va perdre un oxygène et un hydrogène, qui vont être remplacés par du
F synthétisé par un cyclotron, voir Fig. 90. Comme nous le verrons plus tard dans ce chapitre, le glucose va s’accumuler dans les parties du cerveau où les neurones sont les plus actifs. La FDG va ainsi agir comme un biomarqueur de l’activité cérébrale.
Principes physiques et physiologiques: Qualités d’un radiotraceur
Pour être utile en neuroimagerie, un radiotraceur doit posséder les qualités suivantes:
Perméabilité à la barrière hémato-encéphalique : le traceur injecté dans le sang doit pouvoir se rendre au cerveau.
Spécificité d’arrimage: le traceur doit se fixer seulement sur la bonne cible.
Affinité d’arrimage : même avec une basse concentration de la cible, le traceur doit pouvoir s’y arrimer.
Rapidité d’arrimage : la désintégration de l’isotope contraint temporellement le processus d’arrimage. La désintégration doit nécessairement être plus lente que le processus métabolique d’arrimage.
Stabilité métabolique : le traceur ne doit pas se désagréger avant d’atteindre sa cible. Ici, on ne parle pas de la désintégration de l’isotope, mais plutôt du processus de métabolisation du précurseur. Par exemple la consommation du glucose par l’organisme, en dehors de l’activité cérébrale.
Génération d’images en TEP:
Nous avons couvert les principes physiologiques et physiques des radiotraceurs. nous permettant de traduire l’activité métabolique du cerveau en image. Maintenant, il s’agit de préciser comment l’activité des radiotraceurs peut être utilisée pour générer une image. Pour cela, nous avons besoin de deux pièces d’infrastructure: le cyclotron et le scanner TEP. Nous aurons aussi besoin de méthodes d’analyses d’image.
Génération d’images en TEP: Cyclotron
Comme nous l’avons vu, le cyclotron nous permet de fabriquer des noyaux atomiques instables de façon contrôlée. Cette production fait partie du processus de génération d’images TEP, car les radioisotopes sont instables et doivent être préparés dans un temps court avant l’expérience. La vidéo ci dessus présente le fonctionnement d’un cyclotron. Brièvement, un cyclotron est un accélérateur de particules compact, qui permet de bombarder des molécules avec des protons à haute énergie pour générer des isotopes radioactifs.
Une fois l’isotope produit, il peut être nécessaire d’effectuer des réactions chimiques pour fusionner l’isotope avec le précurseur, et synthétiser le radiotraceur. C’est le cas par exemple pour le FDG, où le
F va être intégré à une molécule de glucose. Comme les réactions chimiques font intervenir des composés radioactifs, cette étape est réalisée dans un laboratoire automatisée qui protège les opérateurs des radiations Une fois produite, la dose de radiotraceur doit être acheminée rapidement pour être injectée au participant de recherche. La demi-vie du FDG est d’environ deux heures, ce qui permet de produire le radiotraceur et de l’utiliser sur des sites différents, si nécessaire. Durant le transport, la dose de radiotraceurs émet continuellement des radiations, et il est nécessaire d’utiliser des équipements de protection (Fig. 92).
Génération d’images en TEP: Cyclotron
Injecteur plombé permettant de protéger l’opérateur TEP des radiations émises par le radiotraceur.
Génération d’images en TEP: Cyclotron
Une fois produite, la dose de radiotraceur doit être acheminée rapidement pour être injectée au participant de recherche. La demi-vie du FDG est d’environ deux heures, ce qui permet de produire le radiotraceur et de l’utiliser sur des sites différents, si nécessaire. Durant le transport, la dose de radiotraceurs émet continuellement des radiations, et il est nécessaire d’utiliser des équipements de protection
Génération d’images en TEP: Détection de coincidences
Une fois le radiotraceur injecté et accumulé sur la cible, la radioactivité est émise par les parties du cerveau que l’on souhaite étudier. Pour chaque évènement radiactif, les deux rayons gamma sortent de la boîte crânienne dans des directions diamétralement opposées. Le scanner TEP est muni de capteurs (ou de caméras, car ces capteurs mesurent des photons) disposés en cercle autour de la tête du participant (Fig. 93). Comme les rayons gamma se déplacent à grande vitesse, ils viennent frapper deux caméras pratiquement au même moment (à quelques nanosecondes près). Cette arrivée simultanée, appelée coincidence, est détectée par le scanneur TEP. Il est possible possible de savoir qu’un événement radioactif a eu lieu sur la droite reliant les capteurs, et il est possible de calculer l’activité accumulée au cours du temps selon l’ensemble des droites possibles. Pour le FDG, il existe plusieurs millions d’événements radioactifs par minutes, et on effectue une mesure accumulée sur plusieurs dizaines de minutes. Mais ces mesures, appelées projections, ne correspondent pas (encore) à une image du cerveau.
Génération d’images en TEP: Détection de coincidences
njecteur plombé permettant de protéger l’opérateur TEP des radiations émises par le radiotraceur.
Génération d’images en TEP: Tomographie
Illustration de la construction de projections multiples d’une image 2D.
Une image 2D ressemblant à une coupe de cerveau (image de gauche). Représentation de la même image avec une série de projections correspondant à différentes positions dans l’espace et différents angles de projection (image du centre).
TEP en neurosciences cognitives: Imagerie des récepteurs
Images de traceurs TEP pour 18 récepteurs et transporteurs de neurotransmetteurs différents, au travers de 9 systèmes de neurotransmetteurs et 1200 participants en santé.
TEP en neurosciences cognitives: Radioligands pour les plaques Béta amyloïde (Abetâ)
Comparaison d’un scan TEP [11C] PIB entre un sujet présentant une démence de type Alzheimer et un participant cognitivement sain. Les aires jaunes et rouge suggèrent l’accumulation de plaques Abêta.
