possibilità di monitorare funzioni cellulari, normali o alterate, e processi molecolari in sistemi viventipossibilità di monitorare funzioni cellulari, normali o alterate, e processi molecolari in sistemi viventi

non perturbazione

non perturbazione

biomarkerbiomarker

target specifici

pathwaybiochimici

biologia molecolare

tecnicheimaging

interazionemolecolare con sistema

(lesione, organismo)

18FDG

18F‐FES

caratteristiche chimico‐fisiche(carica, φ, δ, μ...)

perturbazione (eventuale) del sistema 

β+

2

imagingeffetti

imagingcause

SPECT PET/CT

TC

3

Ultrasuoni

MRI

Imag. ottico

4

5

6

radionuclide β+ sempre

carrier quasi sempre

legante

emissione β+

farmacocinetica attività biologica*

permette legame radionuclide‐carrier

spesso

[18F]NaF

non nei fluorurati

CELLULACELLULA

7

8

9

adatti  ad  individuare  vari  tipi  di tumore  (indicazione generale) perchéseguono  meccanismi  metaboloci  o cellulare  alterati  per  la  sola  presenza della potologia (es.: 18FDG)

adatti  ad  individuare  vari  tipi  di tumore  (indicazione generale) perchéseguono  meccanismi  metaboloci  o cellulare  alterati  per  la  sola  presenza della potologia (es.: 18FDG)

individuano  fenomeni  peculiari  di  un certo  tipo  di  tumore/patologia  (es.: ipossia con 18FMISO)

individuano  fenomeni  peculiari  di  un certo  tipo  di  tumore/patologia  (es.: ipossia con 18FMISO)

18FDG18FDG

1976

2010

oncologia

oncologia

10

CELLULACELLULA

OH

glucosioglucosio

esochinasi

glicolisi

piruvato

ciclo acidocitrico

fosforilazioneossidativa

EE

EEsintesi nucleotidi

GLUT‐1

resp.anaer.

11

ribosomi (sintesi proteica de novo)

ciclo di Krebbs e produzione di energia/(glucosio)

precursori di varie biomolecole; ‐CH3

proteine

sangue

EE

oncogeni deregolati:   trasportatori

sintesi proteica per cellula neoplastica

produzione inefficiente di E

12

2‐[18F]fluoro‐L‐tyrosine

O‐(2‐[18F]fluoroethyl)‐L‐tyrosine

L‐3‐[18F]fluoro‐α‐methyl‐tyrosine

[18F]fluoro‐L‐dihydroxyphenylalanine

cervello, linfomitopi espres.nuove prot.uomo mecc. pred. è trasp. AA.≠mecc. di FDG per stesse lesioni.ingresso cellulare simile DOPA

NSCLC,  carcinoidi,  t.  muscolo‐schel., sens.<FDG; spec. > FDG miglior differenz.  les. ben.‐mal. perché più correlata  con neoang. e prolif. (HIC)poco  studiata,  stereois.  d‐ ++ eff.

iPSRR% 

1997 

iPSR *R% media 

1989

1999

iPSRR% alta

poco stud.: melanoma, brain, ca. cell. squam.; non  sost.  FDG;  utile  in paz  selez.  per  differ.  >tum.  infiamm.,  (import. gliomi  per  assorb. FDG) iPSR *

1989 metabolita della Tyr, disord. sist.dopaminergico

decarb FDOPA e fuoriusc. bloccata da carbidopa (inibit. decarbossill)

oncol.: melan., mamm. Recent.:carc., midoll. tiroide, feocrom. (altern. a 11C‐MET per t. cerebr. prim.)

topi anche espress nuove prot.; uomo >>iPSR

FDOPA<sens FDG, ma >spec. sia perché trac. fenom. div. e < assorb basale; tum.uptake veloce

promett. radiotrac. onco.

R%  6‐>> ‐2

Riferimenti: MET = [11C‐metil]‐metionina ; ILT L‐3‐[123I]iodo‐α‐metiltirosina

2002

13

somatostatinasomatostatina

68Ga‐DOTA‐TOC/NOC/TATE; 123I‐Tyr3‐octreotide; 111‐In‐DTPA‐d‐Phe1‐octreotide (111‐In‐pentetreotide)

analoghi

1994

biodistrib. miglioresolub. accumulo epatico elimin. renale ratio T/B >

pessimi tracciantiratio T/B:  ‐ accumul. epatico 

14

FBAUFMAU FAU 

3'‐deoxy‐3'‐[18F]fluorothymidine

tasso prolifer.  caratteriz. neoplasiarelaz. FDG uptake:prolif. = complessa! sintesi proteica:prolif. (correlati indiret.)SINTESI NUOVO DNA  correlato

tasso prolifer.  caratteriz. neoplasiarelaz. FDG uptake:prolif. = complessa! sintesi proteica:prolif. (correlati indiret.)SINTESI NUOVO DNA  correlato

1991

R% 

Timidin chinasi TK1 (attività ciclo cell‐ dipend.)TK1 dereg. in tumori  15x  (pRb, E2F, DNA indip.)

Timidin chinasi TK1 (attività ciclo cell‐ dipend.)TK1 dereg. in tumori  15x  (pRb, E2F, DNA indip.)

diff.

trasp.med.

TK1 TK1  TK1 TK1 

UPTAKE NUCLEOSIDIUPTAKE 

NUCLEOSIDI

FLT correla  con Ki‐67 e [3H]Timidina rispetto FDG.specificiità sensibilità

uptake midollo, fegato, reni ‐ cervello (metastasi??)no uptake infiammazioni (?)FLT per diagnosi/staging ?FLT per valut. risposta precoce trattam specificità FLT  tracciante ancora da studiare meglio

FLT correla  con Ki‐67 e [3H]Timidina rispetto FDG.specificiità sensibilità

uptake midollo, fegato, reni ‐ cervello (metastasi??)no uptake infiammazioni (?)FLT per diagnosi/staging ?FLT per valut. risposta precoce trattam specificità FLT  tracciante ancora da studiare meglio

FLT:FDGFLT:FDG

tracciante HIVtracciante HIV

linfomi, pancreas, colon‐ retto, t. toracici, polmonelinfomi, pancreas, colon‐ retto, t. toracici, polmone

15

gonadi (test., ovai), mid.surr.placenta

maturaz. e funz. sessuale, car.second.

asse ipotalamico‐ipofisario

gonadi (test., ovai), mid.surr.placenta

maturaz. e funz. sessuale, car.second.

asse ipotalamico‐ipofisario

plasma

citopl.

lipoproteine

ormoni sessuali ► ruolo in tumori (seno, prostata, ovaio)ormoni sessuali ► ruolo in tumori (seno, prostata, ovaio)estrogeni► tumore seno

60‐70% ER+; 50% ER+ risp. tamoxifeneER+ HIC, no metastasi

estrogeni► tumore seno60‐70% ER+; 50% ER+ risp. tamoxifene

ER+ HIC, no metastasi

+ 20 anal.

ANALOGHI

ALTA AFFINITA' PER RECET.(=SPECIFICITA')

ALTA AFFINITA' PER SBG

ELEVATO UPTAKE

NON METABOL. PLASMA

F poco stud.

analoghi norprogesterone

analoghi testosterone

ES‐solfati►tumore95 % alb.

SBG ERs

SBG

16β‐[18F]fluoromoxestrolo

1984.

R% 

16α‐[18F]fluoroestradiolo‐17β 16α‐[18F]fluorestradiol‐3,17βdisulphamate

inibitore ES‐solfatasi

2001

R.aut% 

aff. per CA!

molto promettentinon ancora uso clinico

risult. scoraggiantibiodistrib non effic

non ancora uso clinico

buono su paz.seleznon  sempre >FDG

colesterolocolesterolo

16

amminoalcol derivato da ammina quaternariaamminoalcol derivato da ammina quaternaria

precurs. di molte molecolefosforilcolinaacetilcolina fosfolipidi

precurs. di molte molecolefosforilcolinaacetilcolina fosfolipidi

colina colina 

[18F]fluoropropylcholine

[18F]fluoroethylcholine

FPCFMEC

FECFCH

[18F]fluorocholine

1997

polmoni

colon

esofago

cervello

prostata

polmoni

colon

esofago

cervello

prostata

11C‐Cho11C‐Cho

deregolazione colin chinasi (CK) prolif.  necess. compon. memb. cell.

deregolazione colin chinasi (CK) prolif.  necess. compon. memb. cell.

livel.  colina  cellula  (fond. fisiopatolog.)

livel.  colina  cellula  (fond. fisiopatolog.)sintesi de novo lenta  uptake  prolif.sintesi de novo lenta  uptake  prolif.

1997

trasmissione colinergicatrasduzione del segnale 

sintesi fosfolipidisupera barriera EE(fond. nel cervello)

trasmissione colinergicatrasduzione del segnale 

sintesi fosfolipidisupera barriera EE(fond. nel cervello)

fosforil‐colinafosforil‐colina

alimentazione

vitamina J (B)

sint. de novoRecet.

Recet.

Colin chinasiR.aut % m

R.aut % m

11C‐Cho, 18FCH, 18FECaff. strutt

assorbimento simile

18FOHN+

[18F]fluoromethylcholine

[18F]fluoroethylmethylcholine

F18 CH2

CO

O[18F]fluoroacetato[18F]FAC

a.grasso sintasi

17

pO2 (mmHg) 

% tracer uptake % radiosensibilità

200 100cellule più resistenti* ai trattamenti radioterapici

O2

H2O2

•OH ipossia

normossia

modello compartimentale binario

import. valut.estensione e grad.

ago EppendorfHIF‐1α

pimonidazolo

ago EppendorfHIF‐1α

pimonidazolo

definire piano tratt.prevedere risultatidefinire piano tratt.prevedere risultati

64Cu‐ATMS/ATSE/DTSM18F‐MISO

[18F]fluoromisonidazole 

1995

R%

riduttasi 

2001

R%

pochi studi> FMISO>r:T/B e T/M

[18F]fluoroeritroimidazolo  [18F]fluoroetanidazolo 1997

≡FMISOfegatotr.urin

1995 2001*[18F]fluoronitroimidazolo‐acetamide e analogo pentafluorurato

usato  HICcorr.HIC 

e Eppendnon uomo

•[18F]fluoropropylnitroimidazole (FNP) – 18F‐FAZA

[18F]‐NaF 

idrossiapatiteidrossiapatite

fluorossiapatitefluorossiapatite

18F18F [99mTc] risultati simili SPECTcosti 

1950 –FU analogo pirimidinico proposto come chemioterapico (antimetabolita)

5‐FU F‐nucleotide

fegato FUH2inattivo

reni

biodistrib. non ottim.biodistrib. non ottim.

correlazione con risp. trattam. 5‐FU

uptake metastasi

poco adatto per diagnosi

18

[18F]‐FU 

METABOLISMO OSTEOBLASTI

METABOLISMO NUCLEOTIDI

5‐[18F]flurouracile

Il confronto con un  radiotracciante dalle ottime  caratteristiche quale  l'FDG ed esperienze del passato  e  del  presente  ci  suggeriscono  che molte  di  tali molecole  non  raggiungeranno mai l'applicazione clinica...sebbene gli studi in vivo potrebbero mostrare caratteristiche inattese.

Il  panorama  attuale  dei  radiofarmaci  fluorurati  sta  rapidamente  diventando  una  "giungla"  di nuove molecole dalle potenzialità ancora poco conosciute

Con la definizione di sintesi autumatiche robuste alcuni radiofarmaci più promettenti come FHC, FEC e FMC, FES, FLT troveranno un impiego sempre maggiore

Ciò sarà probabilmente reso possibile da kit di sintesi in chip per dispensazione di monodosi

...in un futuro non troppo lontano probabilmente produrremo mono‐dosi di molti radiofarmaci diversi  in diversi momenti della giornata. Ciò stimolerà anche una ricerca più approfondita dei loro meccanismi di imaging molecolare

19

CICLOTRONE

22

CELLULA

Meccanismi di ingressoRecettoreDiffusione

Trasp. facilitato (pompe e/o canali)Adesione superficiale

Fagocitosi

Meccanismi di ingressoRecettoreDiffusione

Trasp. facilitato (pompe e/o canali)Adesione superficiale

Fagocitosi

X

Meccanismi di bloccoFosforilazioneEsterificazione

Ingresso in patway metabolici (sintesi di proteine, acidi nucleici)

Meccanismi di bloccoFosforilazioneEsterificazione

Ingresso in patway metabolici (sintesi di proteine, acidi nucleici)

23

24

La tomografia ad emissione di protoni accoppiata  con    TAC  è una metodica diagnostica che si avvale dell’utilizzo di radionuclidi emittenti positroni

sensibilità (pochi  falsi negativi)sensibilità (pochi  falsi negativi)

specificità (pochi falsi positivi)specificità (pochi falsi positivi)

tempi ridottitempi ridotti

numerose applicazioni(oncologia, neurologia...)

numerose applicazioni(oncologia, neurologia...)

ruolo  scelta  della terapiaruolo  scelta  della terapia

(re) staging(re) stagingdiagnosi (NETs)*diagnosi (NETs)*

TASSO CRESCITA ESAMI PET IN ITALIA

%

risoluzione  spaz. risoluzione  spaz. 

Perché

PET/TC?

Perché

PET/TC?

↓ n

β+β+

γ

γ

25

1p → 1n + β+ + ν

1300 nuclidi differenti

92 elementi chimici

80% èinstabile

DECADIMENTO:  processo  spontaneo  di  raggiungimento  di  una  condizione energetica  (più)  stabile  attraverso  l'emissione  di  radiazione  corpuscolata  e/o elettromagnetica

26

analoghi di amminoacidi

Na+ dipendenti

Na+ indipendenti

A

Asc

Gly

L

B0,+

y+

specificinon ubiquitari

Riferimenti:MET = [11C‐metil]‐metionina + conosciutoILT L‐3‐[123I]iodo‐α‐metiltirosina

FONDAMENTO USO FDG2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (FDG) is currently the only positron emission tomography (PET) tracfor routine cancer imaging. Its synthesis was published in 1975 and the first human images were obta1976 [1]. The initial clinical indications were limited to the assessment of myocardial viability and the eof suspected recurrent brain tumours. Thanks to the development of scanners with the capability to raobtain high-quality images, PET has become a major player in the field of oncological imaging. FDG-Poncology relies on research published by Warburg decades ago [2, 3] that showed increased glycolystumour cells, with an increase in glucose metabolism and lactate production and a decrease in oxidatpathways. The simplified mechanism of uptake of FDG by tumour cells is now well understood: as a ganalogue, FDG enters the cell membrane using the same transporters as glucose (GLUT); it is then phosphorylated into 18F-FDG-6-phosphate by the hexokinase. This metabolite is not a substrate for fenzymes and thus accumulates inside the cell, in proportion to the metabolism of glucose. Such accuof phosphorylated radiotracer creates a gradient between the tumour and surrounding tissues, highly favourable to the detection of cancer lesions.

Proliferazione cellulare: [18F]-FAC e sintesi di membrane

L’acetato entra nel metabolismo delle cellule sotto forma di Acetil -CoA

AcetatoAcetato

Proliferazione cellulare: [18F]-FAC e sintesi di membrane

Nelle cellule tumorali, l’ enzima acido grasso sintasi è sovraespresso.

Il Il 1818FF--FAC FAC èè un analogo dellun analogo dell’’acetato, in cui un idrogeno acetato, in cui un idrogeno èè sostituito con sostituito con ll’’atomo radiattivo atomo radiattivo 1818FF si suppone segua il metabolismo dellsi suppone segua il metabolismo dell’’acetato.acetato.

La maggior parte dellLa maggior parte dell’’acetato acetato èè incorporato nelle membrane sotto forma incorporato nelle membrane sotto forma di fosfatidilcolina.di fosfatidilcolina.

1818FF--FACFACF18 CH2

CO

O

Radiofarmaci ad uso oncologico

• Metabolismo glucidico: 18F FDG (2-fluoro-2-desossiglucosio• Trasporto aminoacidi, sintesi proteica:

11C metil-metionina (MET), 18F-fenilalanina, 11C e 18F-colina, 11C-tirosina e 18F-Fluoroetiltirosina (FET)Sintesi lipidica: 11C acetato

• Sintesi DNA: ¹¹C o 18F timidina (FLT)• Captazione specifica (NIS): 124I• Espressione recettoriale: 68Ga-DOTATOC ed analoghi, 18F-FES• Espressione antigenica: 18F monoclonali• Sensibilità a chemioterapici: 18F fluorouracile• Marcatori di ipossia: 18F-MISO, 18F-FAZA o 64Cu-ATSM• Flusso sanguigno: H2

15O

La PET, attraverso i numerosi radiofarmaci utilizzabili, offre la possibilità di studiare tutti gli aspetti “funzionali” della neoplasia;in Radioterapia il loro uso può servire a meglio definire il BTV e a modulare l’irradiazione, incrementando la dose nei punti a maggior rischio.La PET consente infine di valutare correttamente la risposta alla terapia.

Conclusioni 1

Ma nella pratica…

solo il 18F-FDG ha la monografia in Farmacopea ed è registrato per la vendita;

per tutti gli altri radiofarmaci PET, in attesa della monografia (!!!), occorre operare all’interno di protocolli sperimentali (D.Lgs.200/2007), di difficile gestione su indagini diagnostiche routinarie, e soprattutto senza prospettive di normalizzarne l’uso.

Conclusioni 2(con qualche “problema”)