Radiofarmaci PET in radioterapia - asmn.re.it · Metabolismo glucidico Metabolismo lipidico...

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REGGIO EMILIA “ Imaging Metabolico PET per una Moderna Radioterapia ” 30 Settembre - 1 Ottobre 2007

M. AstiM. AstiM. AstiM. Asti

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RADIOFARMACI PET IN

RADIOTERAPIA


Radiofarmaci PET in radioterapia

• Cosa è un radiofarmacoradiofarmaco

• Radiofarmaci PET in radioterapiaradioterapia18F-FDG

Nuovi radiofarmaci

• Preparazione di radiofarmaci

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RadionuclideRadionuclideRadionuclideRadionuclide

Molecola Molecola Molecola Molecola VettriceVettriceVettriceVettrice

Il radiofarmaco PET

I radiofarmaci PET sono in genere piccole molecolecon una attivitàbiologica in cui un atomo (o un gruppo di atomi) è stato sostituitoartificialmente con un nuclide radioattivo emettitore di positroni.


I Radiofarmaci PET sono pertanto formati da duecomponenti:

• Una molecola vettrice:parte biologicamente attivaparte biologicamente attivaresponsabile del metabolismo del radiofarmaco

• Un radionuclide: parte radioattiva la cui emissione permette la rilevazione delle regioni di accumulorilevazione delle regioni di accumulodel radiofarmaco

Il radiofarmaco PET

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Il radiofarmaco PET

Preparare un radiofarmaco PET significa quindi:

1.1. ProdurreProdurre o avere a disposizioneavere a disposizioneil nuclide radioattivo in una forma chimica adeguata.

2. Legare in posizione specificaposizione specifica, attraverso opportune reazioni chimiche, il radionuclide ottenuto da un precursore.

3. Arrivare ad una formulazione finaleformulazione finale adatta per l’utilizzo clinico del radiofarmaco.


Radiofarmaco PET: il radionuclide

Le particelle b+ (positroni) sono destinate, dopo aver perso parte della loro energia ad essere annichiliteannichilite incontrando un elettrone. Nel processo si liberano simultaneamente, in direzioni opposte, due fotoni γγγγ con una energia di 511 KeV.

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Anche nell’ambito di un solo radionuclide esistono pertanto vari radiofarmaci che possono essere utilizzati in PET

Sintesi del DNASintesi del DNASintesi del DNASintesi del DNA

Metabolismo glucidicoMetabolismo glucidicoMetabolismo glucidicoMetabolismo glucidico

Metabolismo lipidicoMetabolismo lipidicoMetabolismo lipidicoMetabolismo lipidico

Metabolismo degli AAMetabolismo degli AAMetabolismo degli AAMetabolismo degli AA

Espressione di recettoriEspressione di recettoriEspressione di recettoriEspressione di recettori

Radiofarmaco PET: la molecola vettrice


O

CH2OH

OH

F

OH

HO

[18F]-FDG

Marcatori del metabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidico


5


[18F]-FLT

N

NOCH

2OH

F18

O

O CH3

H

[18F]-FECH

N+

F18 CH

3

CH3

OH

Marcatori della proliferazione cellulareproliferazione cellulareproliferazione cellulareproliferazione cellulareproliferazione cellulareproliferazione cellulareproliferazione cellulareproliferazione cellulare

N+

CH3

CH3

F18

OH

[18F]-FMCH



[18F]-MISO

N

N

NO2

F18

OH

Marcatori di ipossiaipossiaipossiaipossiaipossiaipossiaipossiaipossia cellulare

S

NN

NHCH3S

NN

CH3CH

3

NHCH3

Cu

[64Cu]-ATMS


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Il Radiofarmaco PET: criteri di scelta• Biochimici: deve essere possibile sostituire un atomo comune

della molecole biologichemolecole biologichecon un atomo radioattivo senza senza variarne sensibilmente il comportamento metabolicovariarne sensibilmente il comportamento metabolico(o comunque sfruttando la variazione per aumentare l’accumulo del tracciante nella zona di interesse)

• Chimici : deve essere possibile effettuare una marcatura marcatura quanto più semplicesemplice, rapidarapida e con una resa sufficientemente resa sufficientemente elevata elevata

• Fisici: tempo di emivita fisico compatibile con l’emivita biologica della molecola vettrice, con il tempo necessario alla marcatura, con il tempo necessario per un eventuale trasporto e con l’effettuazione dell’esame PET. Caratteristiche del decadimento ottimali per l’esame.Caratteristiche del decadimento ottimali per l’esame.


Radionuclidi emettittori di positroni attualmente utilizzati in Medicina Nucleare:

Nuclide T 1/2 % decadimento β+

18 F ca.110 min. 96.9

11 C ca.20 min. 99.8

13 N ca. 10 min. 100

15 O ca. 2 min. 99.9

68 Ga ca. 68 min. 89

64 Cu ca. 13 h 19

61 Cu ca. 3.3 h 62

Radiofarmaco PET: il radionuclide

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Marcatori del metabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidicometabolismo glucidico


O

F

OH

OH

CH2OH

OH

22--[[1818F]F]--22--desossidesossi--DD--glucosioglucosio


[18F]-FDG e metabolismo glucidico

• Il radiofarmaco più utilizzatoradiofarmaco più utilizzato in Medicina Nucleare PET (95% degli esami) è il [18F]-FDG (Fluorodesossiglucosio).

• Il [ 18F]-FDG è un analogo del glucosioanalogo del glucosioa cui è stato sostituito un gruppo ossidrile (- OH) con il fluoro radioattivo.

• La sintesisintesidel [18F]-FDG è ormai perfettamente ottimizzataottimizzata e il radiofarmaco può essere acquistato anche da centri esternicentri esterniin quantità sufficienti ad un numeroelevatoelevatodi esami PET.

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Metabolismo dei glucidi

I glucidi vengono metabolizzati dalle cellule (cioè convertitiin energia) attraverso una serie di reazioni chimiche cicliche

• La Glicolisi

• Il ciclo di Krebs

• La catena di trasporto degli elettroni


Metabolismo dei glucidi

Le reazioni avvengono all’interno di ogni cellula del nostrocorpo ma in alcuni tessuti sono più rapidepiù rapide (per ragionifisiologichefisiologicheo patologichepatologiche) in quanto la richiesta dienergia è elevata.

Cervello Cuore Tessuti Neoplastici

In queste cellule il fabbisogno ed il consumo di glucosio risultamaggiorato rispetto alla normalità

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Fattori che ragolano normalmente la glicolisi

• Carriers (GLUT)

• Enzimi glicolitici

• Enzimi gluconeogenetici

• Effetto Pasteur

• Effetto Cabtree

• Pompe ioniche alterate

• Pressione di H+

Regolatori della glicolisi Alterazione nella cellula tumorale


G

G6Pesochinasi

F6P

G6PfosfatasiG

G6Pesochinasi

F6P

G6Pfosfatasi

Cellula tumoraleCellula tumoraleCellula tumoraleCellula tumoraleCellula normaleCellula normaleCellula normaleCellula normale

Piruvato Piruvato

Carrier del glucosio

1 - Aumento dei carriers del glucosio 2 - Aumento degli enzimi glicolitici3 - Riduzione degli enzimi gluconeogenetici

1

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Fosfoglucoisomerasi

Glucosio Glucosio

F1.6DPFosfofruttochinasi F1.6difosfatasi

PEPPiruvatochinasi

F1.6P

PEP

Fosfofruttochinasi

Piruvatochinasi

Fosfoglucoisomerasi

F1.6difosfatasi

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Cellula tumoraleCellula normale

Inibizione dell’effetto Pasteur

Piruvato

Lattato

H2O+CO2

Piruvato

Lattato

O2O2LDH LDH

4



Piruvato

Lattato

Aumento dell’effetto Cabtree

G G

Piruvato

Lattato

G G

5

11



2 ATP

38 ATP

120 ATP = 3 molecole di Glucosio 120 ATP = 60 molecole di Glucosio

Piruvato

Lattato

H2O+CO2

Piruvato

Lattato

O2 O2

2 ATP

Difetto respiratorio

G G


Cellula tumorale

G

G6Pesochinasi G6Pfosfatasi

18FDG

18FDG6P

esochinasi

FDF6P

G6Pfosfatasi

[18F]-FDG

Fosfoglucoisomerasi

FDGlicogeno

Fosfoglucomutasi

Metabolismo glucidico: glucosio ed18FDG a confronto

FDG1P+UridinTP UDPFDG+PPiUDPGpirofosforilasi

Glicogenosintetasi

F6P

Fosfoglucoisomerasi

Glicogeno

Fosfoglucomutasi

G1P+UTP UDP-G+PPiUDPGpirofosforilasi

Glicogenosintetasi

G6PDh

Glucosio

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[18F]-FLT e Proliferazione cellulare

3-deossi-3-Fluorotimidina (FLT)

N

NOCH

2OH

F18

O

O CH3

H


Cosa sono i nucleosidi

DeossiDeossiDeossiDeossi TimidinaTimidinaTimidinaTimidina (T)(T)(T)(T) DeossiDeossiDeossiDeossi CitidinaCitidinaCitidinaCitidina (C)(C)(C)(C)

DeossiDeossiDeossiDeossi AdenosinaAdenosinaAdenosinaAdenosina (A)(A)(A)(A) DeossiDeossiDeossiDeossi GuanidinaGuanidinaGuanidinaGuanidina (G)(G)(G)(G)

I nucleosidinucleosidinucleosidinucleosidi sono i mattoni che stanno alla base della costruzione del DNA

O

O

ON

N

O

O

O

O

ON N

N

O

O

O

ON

N

N

N

N

O

O

ON

N

N

N

O

N

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Metabolismo dei Nucleotidi: Timidina e [18F]-FLT a confronto

• Un altro parametro che caratterizza le cellule cellule tumoralitumorali è la loro rapida e incontrollata proliferazioneproliferazione.

• Le cellule maligne presentano un aumentoaumentodell’utilizzo dei utilizzo dei nucleosidinucleosidiper l’accelerata sintesi accelerata sintesi del DNAdel DNA.

• Il radiofarmaco [[1818F]F]--FLTFLT può monitorare tale processo biologico in quanto è simile al nucleosidedesossitimidinadesossitimidinain cui un gruppo ossidrile (- OH) viene sostituito con un atomo di 18F.



• I nucleosidinucleosidi vengono fosforilatifosforilati da specifici enzimi per formare la doppia elica del DNA.

• Le cellule in rapida proliferazionerapida proliferazione manifestano una maggiore espressionemaggiore espressionedi questi enzimienzimi è quindi un maggior utilizzo dei maggior utilizzo dei nucleosidinucleosidi.

• Sebbene venga forforilata dall’enzima timidinachinasitimidinachinasi 11 l’FLT non viene incorporata nel DNA ma si accumula all’interno della cellula.

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Timidina(T) [18F]-FLT


TMPTMPTMPTMP

Timidinachinasi 1

Ulteriore fosforilazione e sintesi del DNA

Timidinachinasi 1

FLTMP

Ulteriore fosforilazione e sintesi del DNA

Cellula tumorale


[[[[18181818F]F]F]F]----Colina e sintesi di membranaColina e sintesi di membranaColina e sintesi di membranaColina e sintesi di membrana

[[[[18181818F]F]F]F]----FECHFECHFECHFECH N+

F18 CH

3

CH3

OH

N+

CH3

CH3

F18

OH[[[[18181818F]F]F]F]----FMCHFMCHFMCHFMCH

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Comportamento metabolico della colina ed analoghi

• La colina è uno dei precursoriprecursori della sintesi della fosfatidilcolinafosfatidilcolina uno dei fosfolipidi che compongono la membrana cellulare.

• Le cellule tumorali proliferanoproliferano rapidamente e la biosintesi delle membrane è accelerata accelerata con incrementato incrementato uptakeuptake della colinadella colina

• E’ presente, inoltre, un up-regulationdell’enzima colina chinasi.


Fosfolipidi

Fosfatidil-etanolammina

Fosfatidil-serina

Fosfatidil-colina

Sfingomielina

Membrane cellulari: componente fosfolipidica

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[18F]-Colina e sintesi di membrana

• Il primo passo nell’incorporazione della colina è la sua fosforilazione per ottenere fosforilcolinafosforilcolina.

• Un contenuto di fosforilcolinafosforilcolina abnormalmente elevato è stato trovato nelle cellule tumoralicellule tumorali.

• Il radiofarmaci [18F]-FECH e [18F]-FMCH sono molecole analoghe alla colina in cui un gruppo metilicogruppo metilico è stato sostituito con un gruppo contenente 1818FF.

• Si suppone che [18F]-FECH e [18F]-FMCH vengano metabolizzati come la colina.


Comportamento metabolico della colina e analoghi

Sintesi di fosfolipidi

Trasmissione colinergica

Trasduzione del segnale transmembrana

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Comportamento metabolico della colina e analoghi


Ipossia Cellulare

• In molti tessuti tumorali sono presenti zone ipossicheipossicheche hanno dimostrato avere una resistenza alla radioterapiaresistenza alla radioterapiatre volte superiore a quella delle cellule normalmente ossigenate.

• Il reperto di ipossiaipossiaprepre--trattamentotrattamento consentirebbe di individuare le zone individuare le zone ipossicheipossichee di progettare un trattamento modulatotrattamento modulato nelle varie zone della neoplasia.

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Ipossia Cellulare

• I traccianti sintetizzati a questo scopo diffondono sia nelle cellulecellulecon normale ossigenazionenormale ossigenazioneche in quelle ipossicheipossiche, ma sono trattenuti in più alte concentrazioni soprattutto in queste ultime.

• Questo dà l'opportunità di rilevare cellule ipossichecon un imaging esterno.


[18F]-MISO e Ipossia Cellulare

[18F]-MISO

N

N

NO2

F18

OH

Il [ 18F]-MISO è un radiofarmaco che si accumula selettivamente nelle cellule carenti di ossigeno.

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+ e-

NitroreductaseEnzymes

Coovalent binding

to macromolecules

+ 4e-+ O2

OH-

NN

NO2

L

L NN

NO2 - *

L

LNN

L

L

NO

NN

L

L

NH2

Il comportamento metabolico del gruppo Azomicinico

Risulta perciò possibile evidenziare le cellule ipossicheall’interno della massa neoplastica attraverso l’accumulo di [18F]-MISO

+ e-

O2-*

H2O2


[64Cu]-ATMS e Ipossia Cellulare

Una nuova generazione di radiofarmaci marcatori di ipossia si è dimostrata essere quella rappresentata da gruppi gruppi tiosemicarbazonicitiosemicarbazonicimarcati con atomi di Rame.

S

NN

NHCH3S

NN

CH3CH

3

NHCH3

Cu

[64Cu]-ATSM

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[64Cu]-ATMS e Ipossia Cellulare

• Sebbene l’ATMSATMS non sia costruito partendo dalla struttura di una molecola biologica, le proprietà proprietà ossidoriduttiveossidoriduttivedel complesso ne permettono l’accumulo nelle zone accumulo nelle zone carenti di ossigenocarenti di ossigeno.

• Il Rame Rame è un elemento importante per le cellule per la sintesi di enzimienzimi come la superossidodismutasisuperossidodismutasie gli enzimi enzimi mitocondrialimitocondriali .

• La difficoltà di produzione di questi isotopi del Rame limita al momento la diffusione di questi radiofarmaci.


Metabolismo [64Cu]-ATMS

Cu(II)-ATMS

Cu(I)-ATMS

Cu(II)-ATMS

Cu(I)

Solo in carenzaSolo in carenzaSolo in carenzaSolo in carenzadi ossigeno !di ossigeno !di ossigeno !di ossigeno !

Sintesi di enzimi della Sintesi di enzimi della Sintesi di enzimi della Sintesi di enzimi della Membrana Membrana Membrana Membrana MitocondrialeMitocondrialeMitocondrialeMitocondriale

Cu(I)

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Ipossia Cellulare

Gli agentiagentiche

individuano l’ipossiaipossia

potrebbero diventare la

prossima generazioneprossima generazionedi traccianti impiegati

nella gestione dei Pazienti

oncologici


Produzione radiofarmaci PET

• Produzione del radionuclide

• Sintesi del radiofarmaco

• Controlli di qualità sul radiofarmaco

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Produzione del radionuclide

I radionuclidiradionuclidi emettitori di positroni maggiormente utilizzati in Medicina Nucleare vengo attualmente ottenuticolpendo colpendo con delle particelle accelerateparticelle accelerate(protoni) degli opportuni targettarget.

L’ urto delle particelle accelerateurto delle particelle acceleratesui materiali bersagliobersaglio, causa delle reazioni a livello del nucleo atomico che generano dei nuclidi radioattivinuclidi radioattivi .

I ciclotroniciclotroni sono acceleratori circolariacceleratori circolari in grado di fornire alle particelle lavelocitàvelocitàe quindi l’energia necessaria necessaria per causare queste trasformazioni nuclearitrasformazioni nucleari.



Ciclotrone come funziona:Ciclotrone come funziona:Ciclotrone come funziona:Ciclotrone come funziona:I ciclotroni si servono della presenza di un campo elettrico che fornisce le spinte per l’accelerazione e di un campo magnetico che fornisce la direzione alle particelle.

Il campo magneticocampo magneticocampo magneticocampo magneticocampo magneticocampo magneticocampo magneticocampo magnetico incanalaincanalaincanalaincanalaincanalaincanalaincanalaincanala il fascio in una traiettoria a spirale che parte dal centro della camera di accelerazione.

Il campo elettricocampo elettricocampo elettricocampo elettricocampo elettricocampo elettricocampo elettricocampo elettrico aumenta la velocità delle particelle e il raggio della loro traiettoria fino ad arrivare all’energia necessaria per le reazioni richieste.

Le particelleparticelleparticelleparticelleparticelleparticelleparticelleparticelle vengono quindi estratteestratteestratteestratteestratteestratteestratteestratte e indirizzate su un targetindirizzate su un targetindirizzate su un targetindirizzate su un targetindirizzate su un targetindirizzate su un targetindirizzate su un targetindirizzate su un target.

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CiclotroniCiclotroniCiclotroniCiclotroniCiclotroniCiclotroniCiclotroniCiclotroni



Il target

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La successione di operazioni che viene effettuata per la produzione del radionuclide sono le seguenti:

• Il Caricamento del target

• Bombardamento

• Delivery ai moduli di sintesi

• Lavaggio delle linee di trasferimento

Tutte le operazioni vengono effettuate tramite computer in una sala comandi.

L’operatore non deve effettuare nessun intervento manuale.


Produzione di Produzione di Produzione di Produzione di 18181818FFFF---- ::::


Produzione radiofarmaci PET




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La sintesi del radiofarmaco

Il laboratorio di Radiochimica

Nel laboratorio di radiochimica avviene la sintesi sintesi e la manipolazionemanipolazionedel radiofarmaco.

Tutte le operazioni devono essere programmate ed eseguite considerando la radioattività dei materiali con cui si sta lavorando.

Ogni operazione manuale deve essere pertanto ridotta al minimo.

• Ripetibilità dell’operazione

• Radioprotezione degli operatori




I laboratori di radiochimica sono equipaggiatiequipaggiaticon speciali cellespeciali cellecommercializzate da ditte specializzate:

• Celle contenenti moduli di sintesi

• Celle di Manipolazione

• Celle di Frazionamento

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La sintesi del radiofarmacoCelle di Manipolazione e Sintesi


La serie di reazioni chimiche utile per legare il radionuclide ad un precursore non radioattivo viene detta procedura di marcaturaprocedura di marcatura.

Alla fine della marcatura otteniamo il radiofarmaco.

RADIONUCLIDE 18F-(dal Ciclotrone)

PRECURSORE (nel modulo di sintesi)

RADIOFARMACO


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La marcatura viene effettuata da moduli di sintesi automatici :

• Serie di reazioni chimichereazioni chimiche(SN, idrolisi…)

• PurificazionePurificazione del prodotto (filtrazione, SPE, HPLC…)

• Formulazione finaleFormulazione finale del prodotto ( pH, aggiunta di soluzione salina…)





Moduli di sintesi

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Trasferimento in cella di Manipolazione

•• Trasferimento automaticoTrasferimento automaticodella soluzione di radiofarmaco tramite tramite flusso di gas inerteflusso di gas inerte

• Sterilizzazione finaleSterilizzazione finaletramite:

o Passaggio attraverso filtro 0.22 mm

o Autoclavaggio della soluzione

o Misura della dose prodotta in un calibratore


Produzione radiofarmaci PETProduzione radiofarmaci PETProduzione radiofarmaci PETProduzione radiofarmaci PET




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Controlli di qualità

Alla fine della sintesi un campione di prodotto viene prelevato dal batch di produzione per verificare la qualità del radiofarmaco.

Soprattutto in questo momento dobbiamo ricordare che stiamo manipolando sostanze radioattive. Quindi le quantità necessarie per l’analisi, i tempi di analisi e le necessarie manipolazioni devono essere ridotte al minimo .


Controlli di qualità

� Purezza chimica� Purezza Radiochimica� Acidità e isotonicità

� Apirogenia� Saggi di sterilità� Purezza Radionuclidica� Stabilità del preparato

Prima del rilascio del Radiofarmaco

Dopo il rilascio del radiofarmaco( a campione )

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Sistemi H.P.L.C.

Rivelatori radio – T.L.C.

Controlli di qualità sul radiofarmaco

Strumentazione


Sistemi G.C.

Spettrometri gamma

Controlli di qualità sul radiofarmaco

Strumentazione

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ConclusioniConclusioniConclusioniConclusioni

• La preparazione di questi radiofarmaci richiede l’allestimento di un laboratorio dedicatolaboratorio dedicato e di una strumentazione adeguatastrumentazione adeguata.

• Queste preparazioni necessitano di operatori operatori specializzatispecializzatie in costante formazionecostante formazione.


ConclusioniConclusioniConclusioniConclusioni

•• NuoviNuovi e vecchivecchi radiofarmaciradiofarmaci PET forniscono utili informazioni su vari processi metaboliciprocessi metabolici“prima e dopo trattamento radioterapico”.

• Insieme al 18F-FDG, molte nuove molecole nuove molecole sperimentalisperimentali sono in via di svilupposviluppo e hanno dato buoni risultati clinicibuoni risultati clinici .

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GRAZIE PER L’ATTENZIONE !!GRAZIE PER L’ATTENZIONE !!GRAZIE PER L’ATTENZIONE !!GRAZIE PER L’ATTENZIONE !!

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