Bir Damla İzotopla Beyin Derinliklerine: PET Teknolojisinin Mühendisliği

1. Giriş: Beynin Kapalı Kutusu

Mühendislik perspektifinden bakıldığında insan beyni, evrendeki en karmaşık ve en verimli biyolojik işlemcidir. Yaklaşık 1,4 kg ağırlığındaki bu yapı, vücut ağırlığımızın sadece %2’sini oluşturmasına rağmen, toplam enerji tüketimimizin %20’sinden fazlasını tek başına gerçekleştirir. Ancak bu muazzam işlemci, dış dünyaya karşı oldukça korumacıdır [1].

Beyin, “Kan-Beyin Bariyeri” (Blood-Brain Barrier – BBB) adı verilen, son derece seçici bir filtreleme mekanizmasıyla korunur. Bu bariyer, zararlı patojenlerin beyne girmesini engellerken, aynı zamanda beynin iç yapısını görüntülemek isteyen bizler için de biyolojik bir “duvar” örer [2].

Yıllar boyunca tıp dünyası ve mühendisler, bu kapalı kutunun içine bakmak için X-ışınları (Röntgen), Bilgisayarlı Tomografi (BT) ve Manyetik Rezonans (MR) gibi teknolojileri geliştirdi. Bu teknolojiler bize beynin anatomisini (yapısını) mükemmel bir detayla gösterir. Bir tümörün nerede olduğunu, bir kanamanın boyutunu veya doku kaybını görebiliriz. Ancak nükleer tıbbın temel referans kaynaklarından biri olan Cherry ve Sorenson‘un belirttiği gibi; anatomik görüntüleme bize “yapıyı” gösterir, ancak “işleyişi” göstermekte yetersiz kalır [3].

Bu kapalı kutunun sadece duvarlarını değil, içindeki yaşamı ve enerji akışını görmek için anatomik sınırları aşan, moleküler düzeyde bir casusa ihtiyacımız vardır. Bu casus, nükleer mühendisliğin tıbba armağanı olan radyoizotoplardır.

2. Truva Atı: Şeker Görünümlü Casuslar

Beynin ana yakıtı ise glikozdur (şeker). Mühendisler, beynin bu “tatlı” zaafını kullanarak kaleyi içeriden fethetmenin bir yolu bulundu: Radyofarmasötikler. Buradaki başrol oyuncusu, Nükleer Tıp dünyasının altın standardı olan FDG (Florodeoksiglukoz) molekülüdür. FDG, aslında biyolojik bir “Truva Atı”dır.

Normal bir glikoz molekülünü laboratuvar ortamında ele alırız. Bu molekülün yapısındaki bir Hidroksil grubunu çıkarıp, yerine yapay olarak üretilmiş radyoaktif bir izotop olan Flor-18 atomunu monte ederiz [4].

Ortaya çıkan yeni molekül vücut tarafından normal glikozdan neredeyse ayırt edilemez. Damar yoluyla hastaya verildiğinde, beyin hücreleri (veya vücuttaki obur kanser hücreleri) bu molekülü “yemek” sanarak içeri alır. Hücre zarı üzerindeki taşıyıcılar (GLUT transporterlar), kapıları sonuna kadar açar.

FDG hücreye girdikten sonra “Metabolik Tuzak” (Metabolic Trapping) dediğimiz olay gerçekleşir. Hücre, bu molekülü parçalayıp enerjiye dönüştürmeye çalışır. İlk aşamada Heksokinaz enzimi tarafından fosforlanır. Ancak FDG’nin kimyasal yapısındaki o küçük mühendislik farkı (Flor atomu), sürecin devam etmesini engeller [5].

3. PET Sisteminin Mühendisliği ve Görüntü İşleme

Hasta, PET cihazının içine yattığında, kafası yüzlerce küçük dedektör bloğuyla çevrilir. Bu dedektörlerin kalbinde, nükleer mühendislik ve malzeme biliminin ortak ürünü olan özel sintilasyon kristalleri bulunur. Eskiden sodyum iyodür (NaI) kullanılırken, modern beyin PET tarayıcılarında çok daha yoğun ve hızlı olan BGO (Bismuth Germanate) veya LSO (Lutetium Oxyorthosilicate) kristalleri kullanılır [6].

Süreç şöyle işler:

• Beyinden çıkan 511 keV enerjili görünmez gama fotonu kristale çarpar.
• Kristal bu yüksek enerjiyi soğurur ve karşılığında görünür bölgede (mavi-mor) zayıf bir ışık parıltısı yayar (Sintilasyon).
• Kristalin hemen arkasındaki Fotokuplörler (PMT – Fotomultiplier Tüpler), bu cılız ışığı yakalar ve elektrik sinyaline çevirerek binlerce kat yükseltir.

Buradaki en büyük zorluk, beyinden gelen gerçek sinyalleri, ortamdaki radyasyon gürültüsünden ayırmaktır. Mühendisler bunu “Eş Zamanlılık (Coincidence) Prensibi” ile çözerler.

Cihazın elektronik beyni şu mantıkla çalışır: “Eğer beynin etrafındaki halkanın tam zıt iki noktasındaki dedektörler, nanosaniyeler (saniyenin milyarda biri) içinde aynı anda sinyal gönderirse, bu sinyal geçerlidir. Çünkü bu, beynin içindeki bir yok oluş olayından gelmiştir.”

Eğer sadece tek bir dedektör sinyal verirse veya iki sinyal arasında çok zaman farkı varsa, sistem bunu “gürültü” (scatter veya random event) olarak kabul eder ve görmezden gelir. Bu elektronik filtreleme, beyin görüntüsünün net ve keskin olmasını sağlayan temel mekanizmadır.

Kaynaklar:

[1] Mergenthaler, P., et al. (2013). “Sugar for the brain: the role of glucose in physiological and pathological brain function.” Trends in Neurosciences, 36(10), 587-597. 

[2] Purves, D., et al. (2004). Neuroscience. 3rd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates.

[3] Cherry, S. R., Sorenson, J. A., & Phelps, M. E. (2012). Physics in Nuclear Medicine. 4th Edition. Elsevier Health Sciences

[4] Vallabhajosula, S. (2009). Molecular Imaging: Radiopharmaceuticals for PET and SPECT. Springer-Verlag Berlin Heidelberg

[5] Phelps, M. E. (2000). “PET: the merging of biology and imaging into molecular imaging.” Journal of Nuclear Medicine, 41(4), 661-681. 

[6] Melcher, C. L. (2000). “Scintillation crystals for PET.” Journal of Nuclear Medicine, 41(6), 1051-1055