Tomografia a fluorescenza

Il Tomografia a fluorescenza è una tecnica di imaging utilizzata principalmente nella diagnostica in vivo. Si basa sull'uso di coloranti fluorescenti che fungono da biomarcatori. Oggi la procedura viene utilizzata principalmente nella ricerca o negli studi prenatali.

Cos'è la tomografia a fluorescenza?

La tomografia a fluorescenza registra e quantifica la distribuzione tridimensionale dei biomarcatori fluorescenti nei tessuti biologici. I cosiddetti fluorofori, cioè le sostanze fluorescenti, assorbono inizialmente la radiazione elettromagnetica nel campo del vicino infrarosso. Quindi emettono nuovamente radiazioni in uno stato energetico leggermente inferiore. Questo comportamento delle biomolecole è chiamato fluorescenza.

L'assorbimento e l'emissione avvengono nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 700 e 900 nm dello spettro elettromagnetico. Le polimetine sono utilizzate principalmente come fluorofori. Questi sono coloranti che hanno coppie di elettroni coniugati nella molecola e sono quindi in grado di assorbire i fotoni per eccitare gli elettroni. Questa energia viene nuovamente rilasciata con l'emissione di luce e la generazione di calore.

Mentre il colorante fluorescente è incandescente, è possibile visualizzarne la distribuzione nel corpo. Come i mezzi di contrasto, i fluorofori vengono utilizzati in altre procedure di imaging. Possono essere somministrati per via endovenosa o orale, a seconda dell'area di applicazione. La tomografia a fluorescenza è adatta anche per l'uso nell'imaging molecolare.

Funzione, effetto e obiettivi

La tomografia a fluorescenza viene solitamente utilizzata nella gamma del vicino infrarosso perché la luce infrarossa a onde corte può facilmente passare attraverso il tessuto corporeo. Solo l'acqua e l'emoglobina sono in grado di assorbire le radiazioni in questo intervallo di lunghezze d'onda. In un tessuto tipico, l'emoglobina è responsabile di circa il 34-64% dell'assorbimento. È quindi il fattore determinante per questa procedura.

C'è una finestra spettrale nella gamma da 700 a 900 nanometri. Anche la radiazione dei coloranti fluorescenti è in questo intervallo di lunghezze d'onda. Pertanto, la luce infrarossa a onde corte può penetrare bene nei tessuti biologici. L'assorbimento residuo e la dispersione della radiazione sono fattori limitanti della procedura, quindi la sua applicazione rimane limitata a piccoli volumi di tessuto. I coloranti fluorescenti del gruppo delle polimetine sono usati principalmente come fluorofori oggi. Tuttavia, poiché questi coloranti vengono lentamente distrutti durante l'esposizione, il loro uso è notevolmente limitato. I punti quantici realizzati con materiali semiconduttori sono un'alternativa.

Questi sono nanobodies, ma possono contenere selenio, arsenico e cadmio, quindi il loro uso negli esseri umani deve essere escluso in linea di principio. Proteine, oligonucleotidi o peptidi agiscono come ligandi per la coniugazione con i coloranti fluorescenti. In casi eccezionali vengono utilizzati anche coloranti fluorescenti non coniugati. Il colorante fluorescente "verde indocianina" è stato utilizzato come mezzo di contrasto nell'angiografia negli esseri umani dal 1959. I biomarcatori di fluorescenza coniugata non sono attualmente approvati per l'uomo. Per la ricerca applicativa per la tomografia a fluorescenza oggi vengono effettuati solo esperimenti sugli animali.

Il biomarcatore di fluorescenza viene applicato per via endovenosa e la distribuzione del colorante e il suo accumulo nel tessuto da esaminare vengono quindi esaminati in modo risolto nel tempo. La superficie del corpo dell'animale viene scansionata con un laser NIR. Una telecamera registra la radiazione emessa dal biomarcatore di fluorescenza e combina le immagini in una pellicola 3D. In questo modo è possibile seguire il percorso dei biomarcatori. Allo stesso tempo, è anche possibile registrare il volume del tessuto marcato in modo da poter stimare se si tratta di tessuto tumorale. Oggi la tomografia a fluorescenza viene utilizzata in molti modi negli studi preclinici. È inoltre in corso un intenso lavoro sui possibili utilizzi nella diagnostica umana.

La ricerca gioca un ruolo importante qui per la sua applicazione nella diagnostica del cancro, in particolare per il cancro al seno. Si presume che la mammografia a fluorescenza abbia il potenziale per un metodo di screening rapido e poco costoso per il cancro al seno. Già nel 2000 Schering AG ha presentato un verde di indocianina modificato come mezzo di contrasto per questo processo. Tuttavia, non è stato ancora approvato. Viene anche discussa un'applicazione per controllare il flusso linfatico. Un'altra potenziale area di applicazione sarebbe l'uso del metodo per la valutazione del rischio nei pazienti oncologici. La tomografia a fluorescenza ha anche un grande potenziale per la diagnosi precoce dell'artrite reumatoide.

Rischi, effetti collaterali e pericoli

La tomografia a fluorescenza presenta diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche di imaging. È una procedura altamente sensibile in cui anche le più piccole quantità di fluoroforo sono sufficienti per l'imaging. La loro sensibilità può essere confrontata con le procedure di medicina nucleare PET (tomografia a emissione di positroni) e SPECT (tomografia computerizzata a emissione di fotone singolo).

Sotto questo aspetto, è persino superiore alla MRI (risonanza magnetica). Inoltre, la tomografia a fluorescenza è un metodo molto economico. Ciò si applica all'investimento e al funzionamento delle apparecchiature nonché all'implementazione dell'indagine. Inoltre, non c'è esposizione alle radiazioni. Tuttavia, lo svantaggio è che le elevate perdite di dispersione riducono drasticamente la risoluzione spaziale all'aumentare della profondità del corpo. Pertanto è possibile esaminare solo piccole superfici di tessuto. Negli esseri umani, gli organi interni non possono essere rappresentati bene al momento. Tuttavia, ci sono tentativi per limitare gli effetti di dispersione sviluppando metodi selettivi nel tempo.

I fotoni fortemente dispersi sono separati dagli unici fotoni leggermente dispersi. Questo processo non è ancora completamente sviluppato. Sono inoltre necessarie ulteriori ricerche per lo sviluppo di un biomarcatore di fluorescenza adatto. I precedenti biomarcatori di fluorescenza non sono approvati per l'uomo. I coloranti attualmente utilizzati sono scomposti dall'azione della luce, il che significa un notevole svantaggio per il loro utilizzo. Possibili alternative sono i cosiddetti punti quantici fatti di materiali semiconduttori, tuttavia, a causa del loro contenuto di sostanze tossiche come cadmio o arsenico, non sono adatti per l'uso nella diagnostica in vivo sugli esseri umani.