Modulo di Diagnostica

DIAGNOSTICA PER IMMAGINI

Ottobrini

BIOMARKER E DIAGNOSTICA PER IMMAGINI

Una patologia si manifesta con una sintomatologia → soglia di detezione. La patologia inizia a svilupparsi anche prima e abbiamo una malattia

asintomatica, preceduta da un rischio di sviluppare la patologia. Con le tecniche di diagnostica molecolare cerchiamo di abbassare la soglia di

individuazione della patologia → non dal sintomo ma dal meccanismo.

La medicina molecolare permette di:

- capire quali sono le basi molecolari della patologia

- avere dei mezzi per la diagnosi precoce della patologia al fine di trattarla quando è pre sintomatica e spostare avanti nel tempo l’arrivo della

sintomatologia stessa oppure per prevenire le manifestazioni cliniche della malattia → si va a trattare la malattia asintomatica

- sviluppare trattamenti specifici per il processo molecolare alla base della patologia

- prevenire l’insorgenza del trattamento così da ridurre l’impatto della malattia su individui e società

La medicina molecolare usa diagnostica molecolare → caratterizzazione biologica specifica della malattia che permette di fornire informazioni per la

selezione e la valutazione delle terapie. La medicina molecolare identifica il biomarcatore molecolare che ci permette di descrivere la progressione della

malattia, la diagnostica molecolare fornisce informazioni al clinico per selezionare la terapia più adeguata.

Oggi la diagnosi avviene in presenza di sintomi → diagnosi e terapia in ritardo. In futuro si potranno fare diagnosi del rischio di insorgenza →bisogna

identificare bm che permetta di seguire nel tempo l’evoluzione della patologia.

Medicina di precisione: identifichiamo un meccanismo molecolare e andiamo a bersagliare esattamente quel meccanismo.

Medicina personalizzata: settiamo la terapia sulla base delle caratteristiche del pz.

BIOMARKER

La diagnostica molecolare ha bisogno di biomarcatori→ una caratteristica che deve essere misurata e valutata come un indicatore di normali processi

biologici o come un indicatore di processi patologici o come un elemento che descriva l’effetto di un intervento terapeutico. Classifichiamo i

biomarcatori in:

- Tipo 0: descrivono la storia naturale della malattia

- Tipo 1: descrivono gli effetti dell’intervento terapeutico in accordo con il meccanismo di azione del farmaco anche se non si conosce la

diretta associazione tra il meccanismo di azione e il risultato clinico

- Tipo 2: sono degli endpoint surrogati quindi delle caratteristiche che sostituiscono degli endpoint clinici nel prevedere un processo e le cui

variazioni riflettono le variazioni nell’endpoint clinico. Prendendo ad esempio come endpoint clinico l’infarto posso prendere la pressione

alta come endpoint surrogato → abbiamo correlazione diretta tra i due. L’endpoint surrogato è un bm misurabile di un endpoint clinico non

completamente oggettivabile

- Imaging biomarker: biomarcatori che possono essere valutati in maniera non invasiva attraverso tecniche di imaging che forniscono delle

immagini che descrivono qualcosa all’interno dell’organismo. Queste tecniche non sono invasive, sono ripetibili nel tempo (per esempio nel

corso di un trattamento) e produrranno risultati quantitativi.. nell’imaging molecolare, attraverso diagnostica per immagini, vado a vedere

indicatori di un processo molecolare. Le immagini contengono numerose informazioni che possono essere quantificabili. Posso quantificare

con radioomica → si estrae dalle immagini quantità omica di informazioni che può essere incrociata con caratteristiche molecolari

MODALITÀ DI IMAGING

Le tecniche di visualizzazione non invasiva sono ad esempio tomografia computerizzata (TC, una volta definita

TAC), radiografia (RX), ecografia ad ultrasuoni (US), risonanza magnetica (MRI), tecniche nucleari come la

scintigrafia e la tomografia ad emissione di positroni (PET) e tecniche ottiche (bioluminescenza e fluorescenza)

che valutano radiazioni che non possono essere utilizzate nell’uomo.

Per ogni tecnica è possibile fare studi diversi, posso guardare l’anatomia, il funzionamento fisiologico, il

metabolismo e informazioni molecolari (espressione pp, attivazione vie di trasduzione del segnale o mutazioni).

Alcune tecniche sono utili per la descrizione dell’anatomia dell’organismo come ad esempio la CT e US; le

tecniche nucleari aiutano a studiare i processi molecolari attivi in specifiche zone dell’organismo, la fisiologia e

il metabolismo, ma non permettono di valutare l’anatomia. MRI permette lo studio dell’anatomia e dà informazioni anche su tutti gli altri fronti. Questo è

riferito a tutte le tecniche senza l’utilizzo del mezzo di contrasto.

Parliamo di tecniche di imaging anatomico quando queste descrivono la struttura, mentre parliamo di tecniche di imaging funzionale quando

queste descrivono il funzionamento dell’organismo (fisiologico, metabolico, molecolare).

Le tecniche di imaging sono fondamentali per la medicina personalizzata perché permettono di valutare specifici eventi molecolari che caratterizzano la

patologia nel singolo individuo in maniera non invasiva e dall’altro permettono di determinare variabili farmacodinamiche senza interferire con la

biochimica e la fisiologia dell’organo bersaglio per la valutazione in itinere del trattamento. 1

Grazie a queste tecniche è possibile monitorare nel tempo gli effetti della terapia da un punto di vista biochimico/molecolare/ funzionale senza

interferire con il processo che si sta studiando in quanto vengono utilizzate piccole quantità di sostanze traccianti che non interferiscono con i processi

di studio; cioè permettono di valutare la farmacodinamica senza perturbare il sistema.

Posso quantificare ad esempio la percentuale di recettori a cui è legato il farmaco a un particolare dosaggio → importante per i farmaci che agiscono sul

SNC.

Farmacocinetica: quello che il corpo fa al farmaco.

Farmacodinamica: quello che il farmaco fa al corpo.

BIOMARCATORI CIRCOLANTI

I biomarcatori circolanti vengono secreti nel torrente circolatorio e possono essere misurati con campionamenti ematici. Sono tipici nel monitoraggio

dell’evoluzione di una patologia neoplastica. La presenza del bm non dice dov’è la patologia → dice solo che c’è.

BIOMARCATORI CELLULARI

I biomarcatori cellulari sono legati alle caratteristiche fisiche/ biochimiche/ molecolari delle cellule stesse. Possono essere utilizzati in

immunoistochimica (es. marcatori di superficie), possono anche essere caratteristiche cellulari come funzioni dinamiche che non sono mostrate in

immunoistochimica (es. metabolismo alterato, via di segnalazione iperattivata). Dopo aver identificato i bm vado a vedere da quale cellula sono espressi

(es. glucosio è consumato molto da cellule tumorali) → localizzo il segnale.

BIOMARCATORI DEL MICROAMBIENTE

Sono bm collegati al microambiente in cui si sviluppa la patologia. Sono per esempio la perfusione e quindi si misura l’ossigenazione di un tessuto, la sua

vascolarizzazione, la neoangiogenesi, il pH o l’infiammazione.

Il tessuto gliale nel SNC intorno alle aree interessate da neurodegenerazione potranno presentare determinate caratteristiche che cambiano in base

all'evoluzione della patologia.

BIOMARCATORI VISUALIZZABILI PER IMAGING

I biomarcatori circolanti non potranno essere utilizzati come biomarcatori per l’imaging → visibile in tutto il torrente circolatorio e quindi non dà modo

di approfondire da dove si è generato o la sua espressione. I biomarcatori cellulari e del microambiente possono essere utilizzati come imaging

biomarkers in quanto sono legati ad una struttura specifica e possono di conseguenza essere localizzati. Questi marcatori visualizzabili permettono di

caratterizzare un tessuto o una patologia o le alterazioni molecolari alla base per pianificare una terapia specifica. La descrizione di queste

caratteristiche è basata su tre punti:

- Alta sensibilità

- Non invasività

- Precocità diagnostica

Utilizzo biomarcatori visualizzabili

1. Diagnosi e stadiazione e stima della prognosi, tecniche che descrivono solo anatomia non permettono di identificare fase

2. Pianificazione del trattamento→ a seconda delle caratteristiche molecolari della malattia si potrà scegliere l’opzione terapeutica migliore

3. Monitoraggio precoce della risposta al trattamento → è possibile ripetere la visualizzazione più volte nel tempo senza recare danno

all’individuo

4. Follow up e valutazione recidiva specialmente nella patologia oncologica perché dopo radioterapie o chemioterapie o chirurgie,

l’anatomia dell’individuo viene compromessa mentre l’identificazione di un marcatore specifico permette di trovare di identificare

precocemente una recidiva

Biomarcatori e finezza

- Biomarcatori a livello di organo, saranno legati a qualcosa di grossolano come le dimensioni o la densità di un organo

- Biomarcatori legati al tessuto, come la perfusione o l’angiogenesi o la veicolazione di un farmaco in un tessuto

- Biomarcatori a livello cellulare, come marcatori tumorali o l’interazione proteina-proteina o ligando-farmaco o l’attività enzimatica. Questi

sono più selettivi nelle diverse patologie, perché l’alterazione della perfusione può avvenire in numerose patologie ma l’espressione di un

determinato gene è più specifico per una determinata patologia

- Biomarcatori a livello genetico, la presenza di una mutazione ,di una traslocazione o di una delezione si traduce in una specificità

elevatissima

AMBITI DI APPLICAZIONE DELLA DIAGNOSTICA PER IMMAGINI

- Oncologia: è il campo più importante in cui seguire il trattamento nel tempo

- Neurologia: è difficile fare prelievi a livello del SNC

- Cardiologia: il cuore ad esempio cambia metabolismo

- Malattie infettive

- Monitoraggio di terapie cellulo mediate che riguardano sia la medicina rigenerativa (cellule staminali) sia terapie immunomediate (CAR- T

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cells, cellule dendritiche, anticorpi monoclonali a scopo terapeutico).

La diagnostica per immagini è una parte della medicina che produce immagini, le quali forniscono informazioni riguardanti le strutture interne e i

processi fisiologici e patologici di un individuo. Potrebbe essere quindi utile sia l’identificazione di situazioni patologiche ma anche la descrizione di

eventi fisiologici, ad esempio le tecniche di risonanza magnetica funzionale vengono usate per vedere l’attivazione di diverse aree cerebrali se l’individuo

è sottoposto ad uno stimolo oppure per visualizzare come il cervello umano interviene in un processo decisionale dei dilemmi morali e non.

IMAGING ANATOMICO E IMAGING FUNZIONALE

Esistono due gruppi di tecniche di imaging:

- imaging anatomico: permettono di vedere in maniera strutturale come è fatto un organismo. Queste tecniche sono radiografia, TAC,

ecografia e MRI.

- imaging funzionale: permettono di descrivere come funziona un organismo. Queste comprendono le tecniche nucleari come SPET e PET

e le tecniche utilizzate in preclinica come Bioluminescenza e Fluorescenza

Alcune di queste tecniche possono essere utilizzate per ottenere delle informazioni integrate (anatomiche + funzionali) → ecografia, MRI, TAC + mdc e

RX + MDC. Ad esempio con la risonanza magnetica, cambiando semplicemente alcune sequenze di acquisizione dà la possibilità di rilevare

informazioni di diverso genere. Quasi tutte le tecniche anatomiche possono avere un accenno di studio di fisiologia di funzione, mentre ci sono tecniche

funzionali che non potranno mai fornire delle informazioni anatomiche.

TECNICHE

Immagini con raggi X

L’immagine rappresenta una mappa dei coefficienti di attenuazione dei raggi X. I raggi X attraversano la struttura e vengono in parte trasmessi.

Ecografia

L’immagine rappresenta una mappa delle variazioni dei coefficienti di impedenza acustica. E’ l’unica tecnica che non utilizza onde elettromagnetiche,

ma sonore.

Imaging con risonanza magnetica

L’immagine rappresenta una mappa della densità protonica pesata per i tempi di rilassamento nucleare associata a differenti ambienti molecolari.

Imaging con radionuclidi

L’immagine rappresenta una mappa della distribuzione di un radiofarmaco in relazione a processi funzionali.

ONDE ELETTROMAGNETICHE

Le radiazioni elettromagnetiche sono onde prive di massa che trasportano energia che possono essere descritte da due paramenti:

- lunghezza d’onda: in metri, è la distanza fra due punti in fase. Maggiore è la lunghezza d’onda minore è l’energia

- frequenza: in Hz, è il numero di picchi per l’unità di tempo. Maggiore è il numero di picchi minore è la lunghezza d’onda

All’aumentare della frequenza, aumenta l’energia della radiazione (direttamente proporzionale) mentre all’aumentare della lunghezza d’onda, diminuirà

l’energia della radiazione (inversamente proporzionale).

A seconda della lunghezza d’onda e della frequenza, le radiazioni avranno diversa energia saranno utilizzate per acquisire immagini con diverse

tecniche. Le onde a bassa energia, quindi le onde radio, sono utilizzate per l’MRI. Le onde nel visibile sono utilizzate per le tecniche ottiche

(bioluminescenza e fluorescenza). Nella zona ad alta energia troviamo i raggi X e i raggi gamma le cui energie si sovrappongono parzialmente. I raggi

gamma sono utilizzati per la scintigrafia e la PET (tecniche nucleari) mentre i raggi x sono utilizzati per la TAC e la radiografia.

Le radiazioni ad alta energia sono ionizzanti→la radiazione fornisce abbastanza energia all’elettrone di un atomo, da saltare via dall’atomo stesso →

creazione di ioni e quindi di radicali, crea problemi nei tessuti biologici. 3

RADIOGRAFIA

La radiografia è una registrazione fotografica visibile prodotta dal passaggio dei raggi X attraverso un oggetto. Quando avviene il passaggio dei raggi X,

dall’altro lato è presente una pellicola che viene impressionata dai raggi stessi.

I raggi X sono radiazioni elettromagnetiche a bassa lunghezza d’onda che si producono per bombardamento di un metallo pesante da parte di un fascio

di elettroni accelerati nel vuoto. I raggi X hanno una lunghezza d’onda inferiore a quella della luce visibile ma hanno un’energia maggiore della luce

visibile. L’energia posseduta da questi raggi è tanto elevata da riuscire a ionizzare la materia, per questo vengono chiamate radiazioni ionizzanti.

NB: tutte le radiazioni ionizzanti, anche i raggi ultravioletti del sole, causano modificazioni biologiche.

I raggi X:

- attraversano i materiali che assorbono o riflettono la luce visibile

- provocano la fluorescenza di alcune sostanze, cioè l’emissione di radiazioni di lunghezza d’onda maggiore

- sono in grado di produrre un’immagine su pellicola fotografica, come la luce

- causano modificazioni biologiche

- ionizzano i gas (staccano e- producendo ioni)

PRODUZIONE RAGGI X

I raggi X si producono da un tubo radiogeno davanti al quale è presente una lampadina che funge da puntatore del fascio di raggi X.

Il tubo radiogeno è un’ampolla sottovuoto in cui quando si applica una differenza di potenziale fra l’anodo (+) e il catodo (-), applicando una ddp si crea

un flusso di e- che vengono accelerati dal catodo verso l’anodo. L’anodo è un materiale metallico ad alto numero di massa nel quale, gli elettroni

collidendo, producono i raggi X. In realtà il 98% dell’energia degli e- viene trasformato in calore (è un processo poco efficiente), il 2% in raggi X→l’anodo

ruota per dissipare il calore.

All’impatto fra gli elettroni e gli atomi dell’anodo avvengono due fenomeni:

- raggi X di bremsstrahlung (“radiazione di frenamento”): e- non collidono con e-, ma attraversano la nube dell’atomo bersaglio e vengono

influenzati da fenomeni d’interazione di carica con il nucleo che attrae e- e porta via un po’ della sua energia. La particella è deviata e perde

un po’ di energia quindi per soddisfare il principio di conservazione dell’energia, emette una radiazione sotto forma di fotone di raggi X di

frenamento. L’energia di questi raggi è variabile → non possiamo sapere come interagisce l’elettrone con l’atomo; ci sarà quindi uno spettro

continuo di emissione di raggi x di frenamento

- raggi X caratteristici: e- collide con un e- dell’atomo bersaglio → eccita e- che ricadendo al suo livello energetico emette energia sotto

forma di raggi X caratteristici. I raggi caratteristici si chiamano così perché hanno un’energia precisa, che corrisponde all’energia della

differenza fra i due livelli energetici degli elettroni. Ogni atomo avrà dei raggi X caratteristici.

ASSORBIMENTO RAGGI X

La dosimetria è la quantità di radiazioni assorbite dal pz. Se ho solo raggi X caratteristici la dosimetria è ottimale, se ho anche i raggi X di

bremsstrahlung il pz ha dosimetria maggiore.

Alcuni raggi X vengono assorbiti e non raggiungeranno mai la piastra, mentre quelli che passano formeranno l’immagine.

Il fascio di raggi X è modulato in uscita dal paziente ciò significa che il raggio che impatta sul paziente è inizialmente omogeneo e attraversa alcune

strutture che lo assorbono. Dopo il paziente e quindi dall’altra parte, non sarà più omogeneo ma sarà modulato dall’attraversamento del paziente. Quel

fascio di raggi X andrà sulla lastra e formerà l’immagine aerea.

L’assorbimento dei raggi X dipende da:

- Spessore del materiale assorbente: più è spesso il materiale da attraversare più vengono assorbiti i raggi X con una legge quasi

esponenziale che dipende dalle caratteristiche del materiale

- Densità del materiale assorbente: maggiore è la densità del materiale da attraversare maggiore è la probabilità che i raggi X incontrino

qualche struttura e vengano assorbiti

- Numero atomico del materiale assorbente: maggiore è il numero atomico maggiore è la probabilità che