Czym jest pozytronium?

Pozytronium to egzotyczny atom zbudowany z elektronu i jego antycząstki – pozytonu. Choć istnieje zaledwie przez ułamki nanosekund, jego właściwości silnie zależą od mikrostruktury otaczającej tkanki oraz ilości tlenu. Dzięki temu pozytronium może stać się unikalnym biomarkerem zmian zachodzących w komórkach, w tym tych zwiastujących chorobę.

Od PET do J-PET, czyli ewolucja obrazowania molekularnego

Klasyczna pozytonowa tomografia emisyjna (PET), znana m.in. z diagnostyki onkologicznej czy neurologicznej, skupia się na rejestrowaniu dwóch fotonów powstałych w wyniku anihilacji elektronu i pozytonu, co pozwala na zobrazowanie metabolizmu i receptorów w różnych narządach.  Anihilacja to zjawisko fizyczne, w którym cząstka materii spotyka się ze swoją antycząstką. W wyniku tego spotkania obie znikają, a ich masa całkowicie zamienia się w energię promieniowania, najczęściej w postaci fotonów. To jedno z najbardziej efektywnych źródeł energii we Wszechświecie – zgodnie ze wzorem Einsteina E=mc² nawet niewielka masa uwalnia ogromną ilość energii. W przyrodzie anihilacja zachodzi bardzo rzadko, ponieważ antymateria występuje tylko w śladowych ilościach, np. w wyniku kosmicznych zderzeń lub reakcji jądrowych.

Standardowe systemy PET nie dostarczają jednak informacji o tym, jak długo żyło pozytronium przed anihilacją, a to właśnie ten parametr niesie dane o strukturze submolekularnej tkanki. Zespół prof. Pawła Moskala z UJ opracował więc nowatorski system J-PET, który oprócz klasycznych fotonów rejestruje także tzw. promieniowanie „prompt gamma” emitowane przez niektóre radioizotopy (np. ⁶⁸Ga). Pozwala to określić moment powstania pozytronium i jego czas życia w organizmie.

Pierwszy obraz mózgu z użyciem pozytronium

Badanie opisane w magazynie „Science Advances” w 2024 r. dotyczyło 45-letniego pacjenta z glejakiem mózgu. W trakcie standardowej diagnostyki i terapii wykorzystano radiofarmaceutyki znakowane ⁶⁸Ga, które umożliwiły zarówno klasyczne obrazowanie PET/CT, jak i obrazowanie nową metodą  J-PET. Po raz pierwszy w historii uzyskano mapę czasu życia pozytronium w żywym ludzkim mózgu. Wyniki pozwoliły zaobserwować, że w tkance nowotworowej glejaka średni czas życia pozytronium był krótszy (ok. 1,77 ns) niż w zdrowej tkance mózgowej (ok. 2,72 ns) i śliniankach (ok. 2,44 ns). Różnice te wynikają z odmiennej gęstości molekularnej i zawartości tlenu w poszczególnych tkankach – w guzach, gdzie panuje niedotlenienie, pozytronium ulega szybszemu zanikowi. Dzięki temu jego obrazowanie może być wykorzystywane do diagnozowania chorób in vivo.

Pozytronium reaguje niezwykle wrażliwie na zmiany środowiska molekularnego. Jego czas życia ulega skróceniu, gdy w tkance maleje objętość mikroszczelin lub wzrasta stężenie tlenu. Pomiar tego parametru może pozwolić zatem na wykrycie zmian chorobowych na bardzo wczesnym, submolekularnym etapie – zanim ujawnią się one w strukturze lub metabolizmie komórki. W przyszłości, gdy czułość urządzeń wzrośnie, pozytronium może stać się biomarkerem niedotlenienia (hipoksji), stresu oksydacyjnego czy zmian towarzyszących neurodegeneracji w przypadku takich chorób, jak choroba Alzheimera czy choroba Parkinsona.  

Perspektywy rozwoju

Obrazowanie pozytronium to nowy, niezwykle obiecujący kierunek w diagnostyce molekularnej. Łączy fizykę cząstek elementarnych z medycyną, umożliwiając analizę procesów zachodzących na poziomie, do którego dotąd diagnostyka nie miała dostępu. Choć pierwsze badanie dotyczyło tylko jednego pacjenta, jego wyniki dowodzą, że pozytronium może stać się nowym biomarkerem komórkowym i w przyszłości pomóc w jeszcze wcześniejszym wykrywaniu chorób.

Obecnie obrazowanie pozytronium jest jeszcze w fazie eksperymentalnej, ale rozwój nowoczesnych izotopów, takich jak ⁴⁴Sc, który emituje promieniowanie gamma w 100% przypadków, a także coraz bardziej czułe tomografy pozwolą osiągnąć rozdzielczość czasową rzędu 10 pikosekund (1 ps=10⁻¹² s). To otwiera drogę do badania struktur w skali nanometrycznej w żywym organizmie – i co ważne – bez ingerencji w tkanki. Badanie czasu życia pozytronium może umożliwić precyzyjniejsze rozpoznawanie nowotworów, śledzenie postępu choroby, ocenę efektywności leczenia, a w przyszłości – nawet przeprowadzanie „wirtualnych biopsji” bez konieczności wykonywania zabiegu.