定时反物质粒子的寿命–少于1 / 50,000,000秒–可能导致更好的癌症

   日本团队的目标是使用升级的医学成像扫描来检测肿瘤中的氧气浓度。

  日本的专家设计了一种简单的方法,可以从标准医学成像扫描中收集更详细的信息。东京大学和国家放射科学研究所(NIRS)的由原子物理学家和核医学专家组成的研究小组设计了一个计时器,该计时器可使正电子发射断层扫描(PET)扫描仪检测整个患者组织中的氧气浓度' 身体。升级到PET扫描仪后,可以快速识别出具有更强侵袭性细胞生长的肿瘤部位,从而可能带来更好的癌症治疗方法。

  “患者在未来的PET扫描中的经验将与现在相同。医疗团队进行扫描的经验也将是相同的,只是最后会有更多有用的信息。”来自《 NIRS》的核医学医师Miwako Takahashi博士说,他是《通信物理学》研究出版物的合著者。

  “这对我们来说是一个快速的项目,我认为在接下来的十年中,它也应该成为对真正患者的非常快的医学进步。我希望医疗器械公司可以非常经济地采用这种方法,”该出版物的第一作者,东京大学文理科学研究所助理教授涩谷健吾说。

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  PET扫描

  PET扫描命名的正电子是带正电的反物质形式的电子。由于其体积小,质量极低,正电子在医疗应用中不会造成危险。正电子产生伽玛射线,该伽玛射线是类似于X射线的电磁波,但波长较短。

  接受PET扫描时,患者会收到少量通常由修饰的糖分子组成的极弱放射性液体,通常会注入他们的血液中。液体循环很短的时间。血流或新陈代谢的差异会影响放射性的分布方式。然后,患者躺在大型的管状PET扫描仪中。当放射性液体发射出正电子然后衰减成伽马射线时,伽马射线探测器的环便会绘制从患者体内发射的伽马射线的位置。

  当医生不仅需要结构信息,还需要体内组织的代谢功能信息时,他们已经要求进行PET扫描。使用相同的PET扫描检测氧气浓度会增加另一层有关人体功能的有用信息。

  氧气浓度(以纳秒为单位)

  正电子的寿命可以选择两条非常短的路径,这两种路径都始于正电子从放射性PET扫描液中释放出来时“诞生”。在较短的路径上,正电子立即与电子碰撞并产生伽马射线。在稍长的路径上,正电子最初会转变为另一种称为正电子的粒子,然后会衰减为伽马射线。无论哪种方式,正电子在人体内的寿命都不会超过20纳秒,或者不超过五分之一秒(1 / 50,000,000秒)。

  “结果是一样的,但寿命却不一样。我们的建议是使用带有计时器的PET扫描来区分正电子的寿命,以便我们可以绘制患者体内的氧气浓度。” Shibuya说。

  Shibuya和他的同事使用小型PET扫描仪开发了正电子的寿命图,以计时在已知氧气浓度的液体中正电子的形成和衰变。

  研究小组的新结果表明,当氧气浓度较高时,更短的路径更有可能。研究人员预测,他们的技术将能够根据PET扫描期间正电子的寿命来检测患者体内任何组织中的绝对氧气浓度。

  使用与PET扫描相同的伽马射线检测器可以检测正电子的寿命。研究小组预测,将这项研究从实验室转移到床边的大部分工作将是升级伽马射线探测器和软件,以便伽马射线探测器不仅可以记录位置,还可以记录准确的时间数据。

  该研究出版物的合著者,近红外光谱系统成像物理小组负责人Taiga Yamaya教授说:“仪器开发成本增加不会太大。”

  增强PET扫描以更有效地治疗癌症

  长期以来,医学专家一直了解到,肿瘤中的低氧浓度可能会阻碍癌症的治疗,原因有两个:首先,肿瘤中的低氧水平通常是由于血流不足引起的,这在快速生长,侵袭性更强的肿瘤中更为常见治疗。其次,低氧水平使放射线无效,这是因为放射线能量将细胞内存在的氧转化为破坏性的自由基,部分实现了放射线治疗所需的癌细胞杀伤作用。

  因此,检测人体组织中的氧气浓度将告诉医学专家如何更有效地攻击患者体内的肿瘤。

  Takahashi说:“我们想象将更强的放射治疗针对肿瘤的侵袭性低氧浓度区域,将较低强度的治疗针对相同肿瘤的其他区域,以使患者获得更好的结果和更少的副作用。”

  Shibuya说,研究人员团队受到启发,将波兰研究人员去年发布的关于正电子揭示氧气浓度能力的理论模型付诸实践。即使在与大流行相关的限制下,该项目也仅在短短几个月内就从构思到发布。

  Shibuya及其同事现在的目标是扩大工作范围,以发现正电子寿命中可能揭示的任何其他医学细节。

  参考:“ Ken氧对肿瘤缺氧成像的氧传感能力”,涩谷贤吾,斋藤春夫,西木文彦,高桥美和子和山山大加,通讯物理学,2020年10月1日。

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