1 Prinzipien der Nuklearmedizin

Bernd Neumaier

1.1 Einführung

Die Nuklearmedizin als ein Fachgebiet der Medizin beschäftigt sich mit der Anwendung radioaktiver Substanzen zur Diagnose und Therapie von Erkrankungen. Dazu werden Radionuklide in unterschiedlicher Form in den Körper eingebracht. Die emittierte Strahlung wird für diagnostische Zwecke von außen gemessen oder ihre therapeutische Wirkung innerhalb des Körpers wird für die gezielte Zerstörung von pathologischen Geweben genutzt. Es handelt sich dementsprechend um ein interdisziplinäres Fachgebiet, in das Kenntnisse aus vielen verschiedenen Bereichen wie der Medizin, Chemie, Biologie und Physik einfließen. Da radioaktive Strahlung Zellen schädigen kann, müssen beim Umgang mit offenen Radionukliden oder Radiopharmaka besondere Vorkehrungen getroffen werden. Diese Maßnahmen und Schutzvorrichtungen werden durch den Strahlenschutz geregelt, dem in nuklearmedizinischen Abteilungen eine große Bedeutung zukommt.

Im Unterschied zu klassischen radiologischen Verfahren, bei denen anatomische Bilder durch die gewebespezifische Absorption extern generierter Röntgenstrahlen erzeugt werden, wird in der nuklearmedizinischen Diagnostik die im Körper generierte Strahlung eines zuvor verabreichten Radiopharmakons genutzt, um physiologische oder pathophysiologische Prozesse zu visualisieren und zu quantifizieren ( ? Abb. 1.1). Neben der Anwendung etablierter Verfahren im Rahmen der klinischen Diagnostik und zunehmend auch bei der Therapie verschiedener Erkrankungen nimmt die Nuklearmedizin daher eine zentrale Rolle in vielen präklinischen Untersuchungen zur Aufklärung von Pathomechanismen und zur Entwicklung neuer Therapieansätze ein. Meilensteine in diesem Bereich waren in den letzten Jahren die Entwicklungen einiger spezifischer Radiopharmaka, deren Translation in die Klinik gelang und die dort zu einem unverzichtbaren Bestandteil in der Diagnostik und Therapie von neurologischen und vor allem onkologischen Erkrankungen geworden sind. In diesem Zusammenhang sind als Beispiele in erster Linie Radiopharmaka zu nennen, die für die Behandlung von Prostatakarzinomen oder zur Erkennung von Proteinablagerungen in der Demenzforschung eingesetzt werden.

Prinzip nuklearmedizinischer Bildgebungsverfahren.

Abb. 1.1 Dem Patienten wird ein radioaktiv markiertes Molekül (Radiotracer) verabreicht, das möglichst selektiv mit einer Zielstruktur in Wechselwirkungen tritt und sich dadurch in einem Zielgewebe (z.B. einem Tumor) anreichert. Die Verteilung des Radiotracers kann anschließend durch Erfassung der aus dem Körper emittierten Strahlung rekonstruiert werden. Dadurch lassen sich beispielsweise der Ort und die räumliche Ausdehnung eines Tumors nichtinvasiv bestimmen. PET = Positronenemissionstomografie; SPECT = Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie.

Die grundlegende Eigenschaft der Atomkerne von Radionukliden, die man sich in der Nuklearmedizin zunutze macht, ist der radioaktive Zerfall. Radioaktive Substanzen werden zumeist in Form von sog. Radiotracern oder Radioliganden eingesetzt. Dabei handelt es sich um chemische Verbindungen, die mit einem Radionuklid markiert wurden und möglichst spezifisch mit einer biologischen Zielstruktur (Target) interagieren. Diese spezifische Interaktion kann dann in Verbindung mit dem signalgebenden Radionuklid verwendet werden, um metabolische, funktionelle oder physiologische Prozesse auf zellulärer oder molekularer Ebene sichtbar zu machen. Ein großer Vorteil dieses sog. Tracerprinzips liegt darin, dass bei entsprechend hoher spezifischer Aktivität (d.h. Radioaktivität pro Masse) nur sehr geringe Mengen des Radioliganden verwendet werden müssen. So bewegt sich die zu applizierende Stoffmenge eines Tracers üblicherweise im subnanomolaren Bereich (das entspricht einem Gewicht von Mikrogramm bis Pikogramm). Dadurch sind pharmakologische und damit auch toxische Wirkungen nahezu ausgeschlossen.

Je nach Anwendungsgebiet (Diagnostik oder Therapie) werden für die Markierung verschiedene der insgesamt über 3000 zur Verfügung stehenden Radionuklide verwendet, die sich alle durch die spontane Emission von energiereichen Teilchen und/oder elektromagnetischer Gammastrahlung auszeichnen.

Im Rahmen der Diagnostik kommt dabei der Gammastrahlung eine besondere Bedeutung zu, da sie Gewebe fast ungehindert durchdringt und leicht zu erfassen ist (s. ? Abb. 1.1). So werden bei der Szintigrafie bzw. der SPECT (Einzelphotonen-Emissionscomputertomografie, Single Photon Emission computed Tomography) Gammakameras verwendet, um die räumliche Verteilung eines Tracers darzustellen, der mit einem Gammastrahler markiert ist. Bei der PET (Positronenemissionstomografie) werden dagegen Radionuklide verwendet, bei deren Zerfall niederenergetische ß+-Teilchen (Positronen) freigesetzt werden. Nach ihrer Abbremsung im Gewebe reagieren diese mit ihren Antiteilchen, den Elektronen. Dabei kommt es zu einer sog. Vernichtungsreaktion (Annihilation) und die Masse der beiden Teilchen wird in 2 messbare Gammaquanten umgewandelt.

Für therapeutische Anwendungen im Rahmen der sog. Endoradiotherapie oder Radionuklidtherapie kommen dagegen überwiegend Radionuklide zum Einsatz, die bei ihrem Zerfall hochenergetische a- oder ß--Teilchen emittieren. Diese Teilchen, bei denen es sich um He-Kerne (a) oder energiereiche Elektronen (ß-) handelt, weisen eine begrenzte Reichweite im Gewebe auf, da sie unter gleichzeitiger Abgabe ihrer kinetischen Energie stark abgebremst werden. Dies führt zu einer hohen Radiotoxizität, die jedoch auf Gewebe in unmittelbarer Nähe des Zerfallsprozesses beschränkt ist. Anders als bei der klassischen Strahlentherapie mit von außen zugeführter Strahlung können therapeutische Radionuklide daher prinzipiell zur Zerstörung von malignen Tumoren unter weitgehender Schonung gesunder Gewebe eingesetzt werden. Um das Zielgewebe zu erreichen, müssen sie aber ebenfalls an geeignete Transportmoleküle wie z.B. niedermolekulare Verbindungen ("Small Molecules"), Peptide oder Antikörper gebunden werden, die sich aufgrund spezifischer Wechselwirkungen im Tumorgewebe anreichern. Da die Partikelstrahlung häufig mit Gammastrahlung einhergeht, lässt sich die Verteilung therapeutischer Radioliganden oft auch mittels bildgebender Verfahren (Szintigrafie, SPECT) darstellen.

Merke

Die nuklearmedizinischen Methoden beruhen auf folgenden Grundprinzipien:

• Radiotracer nehmen wie ihre nicht radioaktiven Analoga an Stoffwechsel- und Transportvorgängen im Organismus teil und können so Veränderungen auf molekularer Ebene sensitiv anzeigen (z.B. Rezeptorexpression, Enzymaktivität, Transportprozesse).

• Die radioaktiven Atome oder die mit ihnen markierten Tracer, mit deren Hilfe Stoffwechseluntersuchungen und Therapien durchgeführt werden, können in so geringer Menge angewendet werden, dass dadurch die Stoffwechselvorgänge selbst nicht beeinflusst werden.

Neben den nuklearmedizinischen Verfahren gibt es eine Reihe weiterer Modalitäten für die nicht invasive Bildgebung. Dazu gehören die Sonografie (Ultraschall), röntgen- und magnetresonanzbasierte Verfahren sowie optische Techniken wie die Fluoreszenzbildgebung. Letztere basiert auf der Verwendung sog. Fluorophore, die durch Absorption von Photonen im Nahinfrarotbereich von ihrem elektronischen Grundzustand in einen angeregten Zustand übergehen und anschließend unter Emission eines Photons mit geringerer Energie wieder auf ihren Grundzustand zurückfallen (Fluoreszenz). Für die Bildgebung im Rahmen der FLECT (Fluoreszenz-Emissionscomputertomografie) wird ein solches Fluorophor an ein geeignetes Transportmolekül gebunden und appliziert. Daraufhin lässt sich seine Bioverteilung durch Anregung und Messung der anschließenden Emission mittels Nahinfrarotkameras erfassen und quantitativ rekonstruieren. Bei dieser Methode wird also ebenfalls das Tracerprinzip genutzt, um Untersuchungen am lebenden Organismus durchzuführen, ohne dabei die zu beobachtenden Vorgänge selbst zu beeinflussen.

Bei nuklearmedizinischen Bildgebungsverfahren macht man sich dieses Prinzip zunutze, um die Verteilung eines Radiotracers im Organismus oder seine Anreicherung im Zielgewebe mit hoher räumlicher und/oder zeitlicher Auflösung zu visualisieren und zu quantifizieren. Je nach verwendetem Tracer ermöglicht das die nicht invasive Erfassung von Stoffwechselvorgängen und Transportprozessen (molekulare Bildgebung) oder physiologischer Aktivität (funktionelle Bildgebung) für die präklinische Forschung oder zur In-vivo-Diagnostik im Menschen. Hinsichtlich der Geometrie kann man dabei zwischen der planaren Bildgebung und der tomografischen...