Diagnostica per immagini - medicina nucleare

Medicina nucleare

Premesse fisiopatologiche e applicazioni cliniche

Il ruolo della Medicina Nucleare, come del resto quello di tutte le altre metodiche di diagnostica per immagini, dipende oltre che dalle sue capacità anche da altre condizioni quali le possibilità offerte dalle metodiche concorrenti, le caratteristiche del paziente, il contesto operativo, la complessità e la durata dell'iter diagnostico, le problematiche socio economiche con in primo piano la disponibilità e la distribuzione delle strutture sul territorio che non permette di concretizzare, ad es., le grandi capacità presenti nelle urgenze (infarto cardiaco, embolia polmonare, ictus, diagnosi di morte cerebrale, etc.) per la ridotta presenza di servizi di Medicina Nucleare nei dipartimenti di emergenza.

Ma per capire ed utilizzare al meglio la Medicina Nucleare occorre anche un diverso contesto culturale in cui il ragionamento deve partire da un doppio punto di vista: non solo quello tradizionale morfostrutturale, che ha l'anatomia patologica come golden standard, ma anche quello funzionale, in cui acquistano valore i presupposti fisiopatologici delle malattie. Partendo da queste basi la Medicina Nucleare è in grado di esprimere prerogative assolutamente originali. Nasce così un possibile spazio di utilizzazione che si allarga dalla partecipazione a molti iter diagnostici a un ruolo importante nella definizione della prognosi e dei rapporti tra diagnosi e terapia.

Per imparare a conoscere la Medicina Nucleare occorre partire dagli aspetti generali. Allo scopo di una migliore comprensione di quanto scritto può essere opportuno fare riferimento anche al glossario allegato.

Generalità

La Medicina Nucleare è quella branca specialistica della medicina che utilizza a scopo diagnostico e/o terapeutico sostanze radioattive, che emettono radiazioni di origine nucleare. Essa ha campi di applicazione sia in vivo che in vitro. In vivo viene utilizzata sia in ambito diagnostico che terapeutico. L'informazione diagnostica può essere ottenuta sia attraverso immagini (scintigrafie e tomoscintigrafie) che senza di esse, utilizzando sonde di rilevazione della radioattività.

Le metodiche senza immagini, che avevano ristretto le loro indicazioni in ambiti estremamente specialistici (studio della captazione tiroidea del radioiodio, definizione dei siti di emocateresi con globuli rossi radiomarcati, etc.) hanno recentemente scatenato nuovi interessi grazie alla entrata in commercio di sonde manuali misuratrici di radioattività estremamente leggere ed accurate. Grazie ad esse sono nate le metodiche di chirurgia radioguidata, che hanno permesso la messa a punto di tecniche operatorie che stanno rivoluzionando, ad es., la chirurgia del cancro mammario, attraverso l'individuazione intraoperatoria del linfonodo sentinella.

Tra i fini della Medicina Nucleare c'è anche la realizzazione di un effetto radiobiologico selettivo terapeutico su organi o tessuti secondo varie modalità di tropismo biologico. Tale terapia viene comunemente detta radiometabolica, per mettere in evidenza il fatto che gli agenti utilizzati vengono concentrati, in genere, secondo meccanismi metabolici. Lo spazio delle applicazioni terapeutiche, storicamente consolidato nel cancro della tiroide e negli ipertiroidismi, dove si utilizza il radioiodio, si sta sempre più allargando a nuovi campi quali la terapia palliativa delle metastasi scheletriche, la radiosinoviectomia, la terapia del neuroblastoma, dei tumori neuroendocrini gastrointestinali, dei linfomi.

Le applicazioni in vitro della radioattività, ed in particolare la radioimmunologia, hanno rivoluzionato la diagnostica di laboratorio e continuano a rappresentare un importante strumento a disposizione dei clinici e della ricerca. Va peraltro detto che tali metodiche radioimmunologiche messe a punto la prima volta per il dosaggio dell'insulina da Yalow e Berson, che grazie ad esse conquistarono il premio Nobel, stanno perdendo spazio clinico a favore di altre tecniche immunometriche che non utilizzano la radioattività.

Allo stesso modo, l'analisi sui liquidi biologici della radioattività somministrata al paziente, che permette, ad es., il calcolo rigoroso del volume plasmatico ed ematico, della sopravvivenza eritrocitaria, del filtrato glomerulare e di moltissimi altri parametri ha una scarsa diffusione e quindi ridotto impatto clinico.

Elementi di fisica nucleare

La Medicina Nucleare prende il suo nome dal fatto che utilizza, a scopo diagnostico o terapeutico, radiazioni di origine nucleare. Tali radiazioni vanno distinte in elettromagnetiche (gamma) e corpuscolate (alfa, beta). I radionuclidi gamma emittenti sono utilizzati nella diagnostica, perché le radiazioni gamma, senza né massa né carica, sono penetranti. Questo concetto, al contrario di quello che si può pensare, ha valore estremamente favorevole perché indica il fatto che tali radiazioni hanno una bassissima probabilità di determinare un danno all'interno del corpo del paziente al quale sono state somministrate. Infatti, la larghissima maggioranza di esse uscirà dall'organismo senza interagire con la materia vivente, permettendo l'esecuzione di un esame in presenza di una minima dose di irradiazione al paziente, per l'altissima sensibilità delle macchine di rilevazione.

Più articolato è il discorso sulle radiazioni corpuscolate. Le radiazioni alfa corrispondono ad un nucleo di elio, sono cioè costituite da 2 neutroni e due protoni ed hanno quindi carica positiva. Subito dopo la loro emissione dal nucleo, poiché hanno dimensioni “grandi” nel contesto delle grandezze di riferimento atomico, vanno a colpire quasi subito un bersaglio biologico, determinando un danno locale. Per “capirle” meglio si può pensare ad esse come fossero gigantesche palle da bowling lanciate lentamente, che colpiscono quasi subito dopo il lancio un bersaglio.

I radionuclidi alfa emittenti sarebbero, a livello teorico, un ottimo strumento terapeutico dei tumori perché, qualora si localizzassero esclusivamente ed omogeneamente a livello del tessuto neoplastico, distruggerebbero il tumore salvaguardando i tessuti sani circostanti, avendo un range d'azione estremamente breve. Il problema sorge nel momento in cui si accumulino al di fuori della neoplasia, determinando danni anche gravi sui tessuti normali, o nel caso in cui non si concentrino omogeneamente nella neoplasia non essendo quindi in grado di distruggerla totalmente. Nei confronti dei radionuclidi alfa emittenti c'è quindi un grande interesse di ricerca, legato in particolare ad un possibile uso per somministrazione intratumorale, ma estrema circospezione a considerarli già uno strumento terapeutico maneggevole.

Caratteristiche più favorevoli ad un uso in terapia hanno i radionuclidi beta emittenti, intendendo con tale denominazione quelli che emettono radiazioni beta negative. Tali radiazioni nucleari hanno la massa di un elettrone e carica negativa. Ricordando che cariche dello stesso segno si respingono, avviene che dopo la loro emissione dal nucleo, trovandosi a viaggiare in un universo fatto prevalentemente di cariche negative (gli elettroni), riescono a fare un discreto tragitto nella materia (in un ordine che va dai microns ai millimetri) prima di colpire il bersaglio “biologico”. Per capirle meglio, si può pensare a loro come se fossero palline di un flipper. Se è quindi vero che hanno minor potere distruttivo locale rispetto alle radiazioni alfa, è anche vero che creano minori problemi, possedendo caratteristiche preferenziali per un uso in terapia radiometabolica. L'emettitore beta più usato è lo Iodio-131, che ha un ruolo importante nella terapia del cancro tiroideo differenziato e nell'ipertiroidismo.

Un discorso completamente diverso è quello che riguarda le radiazioni nucleari beta positive o positroni, che hanno anch'esse la massa dell'elettrone, ma carica positiva. Ricordando che cariche di segno opposto si attraggono, avviene che, subito dopo l'emissione dal nucleo, il positrone interagisce con un elettrone orbitale, carico negativamente, dando vita ad una reazione che prende il nome di annichilazione. Questa reazione porta alla scomparsa della massa del positrone e dell'elettrone e alla loro trasformazione nell'energia di due radiazioni gamma, emesse nella stessa direzione, ma con verso opposto. Si tratta di una splendida dimostrazione dell'equivalenza tra massa ed energia, ipotizzata da Einstein. A livello pratico, quello che importa sapere è che un radionuclide emettitore di positroni equivale ad un radionuclide che emette radiazioni gamma, trovando quindi spazio nel campo della diagnostica e non della terapia. I radionuclidi emettitori di positroni sono la base della metodica che rappresenta, al momento, il vertice metodologico della Medicina Nucleare, la Tomografia ad emissione di positroni (o PET).

Apparecchiature e tecniche

Le metodiche diagnostiche della Medicina Nucleare sono dette ad emissione. In altre parole, il segnale alla base dell'immagine è nelle radiazioni gamma emesse da un radiocomposto somministrato ad un paziente. Come per la Radiologia tradizionale, anche per la Medicina Nucleare esiste la possibilità di metodiche planari o tomografiche (tridimensionali). Le metodiche planari vengono eseguite utilizzando la Gamma camera, che può produrre immagini statiche o sequenziali. L'immagine statica planare prende il nome di scintigrafia. L'acquisizione dinamica sequenziale permette la valutazione della cinetica di un radiocomposto (concentrazione, transito, eliminazione, etc.) dando vita ad esami che prendono il nome dalla fase o dall'organo valutato (isotopoangiografia, scintigrafia renale sequenziale, scintigrafia epatobiliare, etc.). E' importante notare come, a differenza di quanto avviene negli esami dinamici radiologici, quali la urografia, dove ogni nuova immagine accresce il carico dosimetrico, in medicina nucleare si possono acquisire centinaia di immagini senza aumentare la dose di irradiazione del paziente.

Le metodiche tomografiche ad emissione vengono distinte sulla base dei radionuclidi utilizzati. Prende il nome di SPET (Tomografia ad emissione di fotone singolo) quella che utilizza radionuclidi emittenti radiazioni gamma; il termine PET (Tomografia ad emissione di positroni) è invece dato alla metodica che utilizza gli emettitori di positroni. Senza entrare in analisi troppo tecniche, diciamo che la SPET è nettamente più diffusa perché è basata sui radiocomposti usati nella routine clinica di tutti i giorni. La PET, invece, ha bisogno per una sua ottimale utilizzazione della disponibilità nelle sue adiacenze della macchina che produce i più importanti radionuclidi emettitori di positroni, il ciclotrone. Ne risulta un aumento dei costi operativi e la necessità di strutture ad organizzazione complessa, con la conseguenza di una minore presenza di sistemi PET sul territorio. D'altra parte, esiste oggi in tutto il mondo con un sistema sanitario avanzato un grande sforzo per rendere clinica la PET aumentandone la diffusione, in particolare per le indicazioni estremamente importanti in oncologia dell'analogo radiomarcato del glucosio, il Fluoro-18 deossiglucosio. Stimolanti prospettive cliniche per la PET, ma con ambiti applicativi attuali prevalentemente legati alla ricerca, sono quelle legate ad altri radiocomposti marcati, oltre che con il fluoro-18, con carbonio-11, azoto – 13 e ossigeno-15, che permettono la marcatura delle più importanti molecole di interesse biologico. Proprio queste grandissime potenzialità fanno sperare in una rapida diffusione dei sistemi PET e quindi in una loro solida collocazione nell'ambito di moltissimi iter diagnostici, in particolare in oncologia.

Un'altra linea di sviluppo fondamentale dell'imaging, già disponibile sul mercato, è legata alla messa a punto di metodiche in grado di sovrapporre l'informazione funzionale, ottenuta con un esame medico nucleare (PET o SPET), a quella morfostrutturale, ottenuta con la TC o la Risonanza Magnetica. Questo approccio permette di avere su una sola immagine la precisa definizione anatomica, tipica delle metodiche radiologiche, insieme alla caratterizzazione biologica della Medicina Nucleare, con un valore diagnostico aggiunto che presenta grandi prospettive cliniche per una migliore definizione diagnostica, per meglio definire i campi di radioterapia, per una biopsia guidata sulla parte vitale del tumore. L'apparecchiatura attualmente al vertice tecnologico della Medicina Nucleare è la PET-TC, cioè una macchina ibrida in grado di fare nello stesso paziente, in contemporanea, un esame PET ed un esame TC ad alta risoluzione.

Ad integrazione di quanto detto, ricordiamo che in Medicina Nucleare esistono anche tecniche di acquisizione sincronizzate con l'elettrocardiogramma, che prendono il nome di tecniche "gated", in grado di fornire utili informazioni sulla cinetica cardiaca. Più recentemente, sono state proposte anche metodiche di sincronizzazione degli esami con gli atti respiratori, per migliorare l'analisi a livello polmonare.

Alle apparecchiature per l'imaging occorre anche aggiungere, come detto precedentemente, le sonde di rilevazione della radioattività che permettono un'informazione clinica senza immagini. Accanto a quelle tradizionali che hanno applicazione, ad es., nello studio della captazione tiroidea o dei siti di emocateresi, stanno acquisendo interesse sempre crescente quelle mobili, utilizzate in particolare per la chirurgia radioguidata. Interessante sviluppo metodologico è quello che ha già portato alla produzione delle cosiddette "gamma camere manuali", cioè di sonde che permettono anche la visualizzazione di immagini. Ricordiamo qui anche la cosiddetta VEST, un sistema Holter legato ad una sonda di misurazione della radioattività che permette la rilevazione continua per molte ore della frazione di eiezione del ventricolo sinistro (in condizioni di vita quotidiana, durante test farmacologici, etc.).

Un ruolo centrale per la Medicina Nucleare ha infine il Computer. Esso viene utilizzato non solo per la ricostruzione degli studi tomografici, ma anche per "computerizzare" gli esami. In questa definizione il termine computerizzato viene presentato con un'accezione diversa rispetto a quella solita, equivalente a "digitale". Computerizzato viene infatti qui usato per definire la capacità di esprimere il dato diagnostico in termini numerici, ai fini di una possibile valutazione quantitativa con i vantaggi che vedremo descritti fra breve. Evidentemente, nell'esame computerizzato esistono tutti i vantaggi generali dell'esame digitale, legati alla possibilità di elaborazione, sottrazione e sovrapposizione di immagini, diminuzione degli errori di acquisizione, capacità di archiviazione elettronica, telediagnosi, etc. che sono presenti in tutti gli esami, anche non medico nucleari, che utilizzano il computer.

Glossario di medicina nucleare

Radiocomposto (Radiofarmaco). In esso va distinta l'etichetta radioattiva che permette la visualizzazione dall'esterno (Radioisotopo, radionuclide) dal composto (molecola, farmaco, cellula, etc.) che rappresenta il vettore che determina la distribuzione in vivo e definisce il tipo di esame. Ricordiamo che isotopo non significa radioattivo, ma appartenente alla stessa casella nella tavola di Mendeleev. In altre parole, sono isotopi nuclidi che hanno lo stesso numero atomico (protoni ed elettroni), ma diverso peso (diverso numero di neutroni). Gli isotopi di uno stesso elemento hanno lo stesso comportamento biologico e chimico e quindi i radioisotopi dello iodio, ad es., si concentrano negli stessi organi e secondo gli stessi meccanismi dello iodio stabile. Allo stesso modo marcando con un radionuclide una cellula o una molecola questa avrà, iniettata nell'uomo, la stessa distribuzione della corrispondente molecola o cellula normalmente presente nell'organismo.

Tracciante. Traccia il comportamento della stessa molecola/cellula non marcata avendo la stessa distribuzione e seguendo gli stessi meccanismi di concentrazione. Possono essere distinti, a seconda del meccanismo di concentrazione, in traccianti di perfusione (che analizzano il flusso ematico), vascolari (che forniscono informazioni sul pool ematico), metabolici, recettoriali, etc.

Indicatore: definisce le modalità di concentrazione. Possono essere distinti in:

• Indicatori negativi: Si concentrano maggiormente nel tessuto sano, utilizzando meccanismi tipici delle cellule parenchimali dell'organo (es. cellule tiroidee e capacità iodocaptante, cellule reticoloendoteliali e capacità colloidopessica). Il dato patologico sarà espresso tipicamente da una riduzione di concentrazione globale o focale (area ipocaptante o "fredda"). E' importante notare che il termine freddo non significa "maligno". Un nodulo tiroideo freddo, ad es., può essere dovuto ad una cisti e non necessariamente ad un tumore.
• Indicatori positivi: Si concentrano secondo meccanismi, in genere non tipici, alterati nel territorio patologico. Quelli che hanno un accumulo "preferenziale" nel tessuto neoplastico possono anche essere chiamati "oncotropi". Il dato patologico è individuato da un'area di captazione o di ipercaptazione. Anche in questo caso ipercaptante non vuol dire maligno. Ad es., nella scintigrafia ossea un'area di ipercaptazione può essere dovuta ad una metastasi, ma anche ad una frattura.

Risoluzione spaziale. E' definita dal potere discriminativo delle apparecchiature. E' il parametro che individua la capacità di vedere la più piccola lesione ed ha valore soprattutto quando si utilizzano indicatori negativi. E' in genere minore rispetto ad altre metodiche di imaging, raggiungendo peraltro valori di pochissimi millimetri con la PET.