موضوع مقاله: تصویرسازی مولکولی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # تصویرسازی مولکولی | مقدمه: تصویربردای مولکولی می‌تواند در شناخت مسیرهای متابولیک، ساختار بافت‌ها و مطالعه حیوانات کوچک به کار گرفته شود. | ## بخش 1: تصویرسازی مولکولی | در این نوع تصویربرداری هدف مطالعه در سطح مولکولی و حتی زیرمولکولی به صورت غیرتهاجمی و بدون آسیب رساندن به موجود زنده است. از توانایی‌های این نوع از تصویربرداری می‌توان در تشخیص و حتی درمان برخی از بیماری‌ها همچون سرطان و بیماری‌های قلبی عروقی استفاده کرد. همچنین این تکنیک می‌تواند برای بهبود روش‌های درمان و بهینه‌سازی داروها در آزمایش‌های پیش‌کلینیکی و سپس کاربردهای کلینیکی استفاده شود. از سوی دیگر استفاده از این نوع تصویربرداری در آینده می‌تواند توجیهات اقتصادی زیادی را به دنبال داشته باشد چرا که با تلفیق تصویربرداری مولکولی و عملکردی، در کنار علم ژنتیک، می‌توان راه‌های درمان کم‌هزینه‌تر و کاراتری را بدست آورد. در تصویربرداری مولکولی از پروب‌هایی به نام بیومارکر استفاده می‌شود که امکان شناسایی بخش خاصی را فراهم می‌سازند. این مواد با محیط اطراف خود واکنش می‌دهند و از اثرات این واکنش در تصویرسازی استفاده می‌شود. همان‌طور که می‌دانیم در تصویربرداری عادی معمولاً تغییراتی مانند تغییر در غلظت یا تراکم بیشتر مورد توجه بوده‌است. بسیاری از پژوهش‌ها به دنبال یافتن راهی برای تشخیص زود هنگام بیماری‌ها با توجه به آرایش مولکول‌ها پیش از بروز نشانه‌های معمول بیماری هستند. بخش مهمی از تصویربرداری مولکولی به تصویربرداری از حیوانات کوچک اختصاص یافته‌است. از آن‌جا که استفاده از حیوانات کوچک در تحقیقات در حال گسترش است، اهمیت تصویربرداری از آن‌ها افزایش می‌یابد. این نوع از تصویربرداری در درجه اول باید از قدرت تفکیک مکانی بالا برخوردار باشد که مکان‌یابی مناسب در حیوان ممکن شود و در درجه دوم از حساسیت بالا برخوردار باشد که بتواند نحوه توزیع مولکول‌ها و تمرکز آن‌ها را به خوبی گزارش کند. از آن‌جا که موش‌ها مدلی مناسب با ویژگی‌هایی نزدیک به ساختار بدن انسان هستند، بیشترین طیف تصویربرداری مولکولی از حیوانات را به خود اختصاص داده‌اند. این مطالعات کارکردهای دو سویه داشته‌اند بدین معنی که از طرفی با استفاده از مدالیته‌های موجود در تصویربرداری معمولی و بهینه‌سازی آن‌ها برای کار در ابعاد کوچک، کار تصویربرداری از حیوانات صورت گرفته‌است و از طرف دیگر از یافته‌های موجود در این دستگاه‌های بهینه شده، برای بهبود تصویربرداری کلینیکی دوباره استفاده شده‌است. در مواردی از پروب‌هایی که برای حیوانات ساخته شده نیز در کاربردهای کلینیکی استفاده گردیده است.Robert A. تاریخچه چپ|قاب|اندازه‌گیری عملکرد غده تیروید توسط I-۱۳۱ استفاده از مواد رادیواکتیو به عنوان یک ردیاب بیولوژیکی اولین بار توسط جرج هوسی که در سال ۱۹۴۳ میلادی برنده جایزه نوبل شد، مطرح گردید. او تلاش‌های خود را در کنار ارنست رادرفورد ادامه داد و توانست با تلفیق رادیوم و نوعی نمک سرب به یک نشانگر دست یابد. وی با استفاده از تعدادی آزمایش کلاسیک توانست نحوه توزیع سرب در نوعی لوبیا را مطالعه کند. اولین مطالعات در زمینه ردیاب‌ها در بدن انسان توسط هرمان بلومگارت و همکارانش در سال ۱۹۲۵ میلادی در بوستون صورت گرفت. وی محلولی از رادیوم C را به بازوی راست بیمار تزریق کرد و با استفاده از محفظه ابری ویلسون، زمان رسیدن محلول به بازوی چپ را بدست آورد. در کار اولیه از یک آشکارساز که بر روی گردن و ناحیه بالای سینه نصب شده بود استفاده گردید. تصویربرداری مولکولی از حیوانات، در سال‌های اولیه دهه ۱۹۹۰ میلادی توسط دانشمندانی از حوزه‌های مختلف علوم شکل گرفت. این موضوع با توجه به استفاده روز افزون از حیوانات کوچک به خصوص موش‌ها در تحقیقات، ضرورت یافت. شاید بتوان گفت از میان مدالیته‌های گوناگون تصویرگری پزشکی، اولین مدالیته مورد استفاده برای حیوانات PET بود. اولین مقطع‌نگاری توسط PET توسط مرکز هاماماتسو با استفاده از سیستم SHR-۲۰۰۰ صورت گرفت. این سیستم از کریستال‌های ۳۰*۶٫۲۵*۳٫۵ میلی‌متر استفاده می‌کرد که در آرایه‌ای ۸*۶ کنار هم قرار گرفته بودند و از دو تیوب PMT با میدان دید ۴٫۵ سانتی‌متر بهره می‌بردند. سیستم SHR-۲۰۰۰ دارای دقت ۳٫۸ میلی‌متر و سیستم ECAT-۷۱۳ دارای دقت ۴٫۲ میلی‌متر در مرکز میدان دید بود. کنکرد میکروسیستم در سال ۲۰۰۲ میلادی، آشکارسازی با چهار رینگ طراحی نمود که توانست به میدان دید ۸ سانتی‌متر برسد. در سال ۲۰۰۴ میلادی سیستم HIDAC ساخته شد که توانست با بهینه‌سازی ساختار آشکارسازها و کوچک کردن آن‌ها به دقتی در حدود ۲ میلی‌متر برسد. در کنار این مدالیته، تقریباً تمام مدالیته‌های رایج در تصویربرداری پزشکی، برای تصویربرداری از حیوانات کوچک به‌کارگرفته و بهینه‌سازی شده‌اند. همچنین استفاده از دو مدالیته گوناگون برای رسیدن به اهداف این تصویربرداری که داشتن قدرت تفکیک مکانی مناسب در کنار حساسیت بالاست، بکار گرفته شده‌اند. کاربردهای تصویربرداری مولکولی امروزه استفاده از تصویربرداری مولکولی محدود به کاربردهای پیش‌کلینیکی و تحقیقاتی نیست بلکه روز به روز برکاربرد آن‌ها در کارهای کلینیکی و درمانی افزوده می‌شود. در این زمینه می‌توان به کاربرد تصویربرداری مولکولی در بیماری‌های قلبی و عروقی، سرطان و اختلالات نورولوژیک اشاره کرد. | ## بخش 2: تصویرسازی مولکولی | در مورد بیماری‌های قلبی عروقی، تصویربرداری مولکولی امکان مطالعه دقیق و شخص به شخص بیماری و مدیریت آن را در مشکلاتی نظیر گرفتگی عروق، آریتمی، پس زدن عضو پیوندی، تشکیل لخته در عروق و ایست قلبی، فراهم می‌آورد. در ارتباط با سرطان، تصویربرداری مولکولی در کنار امکان مکان‌یابی دقیق تومور، می‌تواند ویژگی‌هایی از آن را مشخص سازد و سیر پیشرفت بیماری و متاستاز آن به نواحی مختلف بدن را بیان کند. در این بیماری، تصویربرداری مولکولی نقش مهمی در درمان و ارزیابی پاسخ بیمار به درمان ایفا می‌کند. به عنوان مثال از FDG به عنوان یک پروب مولکولی برای تشخیص سرطان لنف استفاده شده‌است. این فرایند از این موضوع استفاده می‌کند که سلول‌های سرطانی با توجه به متابولیسم خود به‌طور انتخابی با هکسوکیناز واکنش داده و دکسی‌گلوکز را به دام می‌اندازند. در مورد اختلالات نورولوژیک، تصویربرداری مولکولی نقش مهمی در تشخیص، طبقه‌بندی و ارزیابی درمان ایفا می‌کند. استفاده از این نوع تصویربرداری در کاربردهای گوناگون این نوع اختلالات، از مشکلات حرکتی در بیماری پارکینسون تا مشکلات روانی در آلزایمر رواج یافته‌است. از دیگر کاربردهای تصویربرداری مولکولی استفاده از آن در تشخیص بافت‌هایی است که دچار کمبود اکسیژن شده‌اند. این مشکل در هنگام سکته و دیگر مشکلات قلبی یا بواسطه برخی از تومورها اتفاق می‌افتد. با رشد تومور، مقدار اکسیژن رسیده توسط عروق پاسخگوی نیاز آن نیست اما متأسفانه تومور با تغییراتی که در ساختار سلول‌ها می‌دهد، می‌تواند خود را با این کمبود اکسیژن وفق دهد. این تغییرات مقاومت تومور در مقابل شیمی‌درمانی را افزایش می‌دهد و بنابراین روند درمانی مناسب قابل انجام نخواهد بود. در دهه اخیر با استفاده از تصویربرداری مولکولی کارهای زیادی در زمینه تشخیص و درمان این مشکل صورت گرفته‌است. از طرفی در کاربردهای پیش‌کلینیکی، تصویربرداری مولکولی زمینه‌ساز بسیاری از پیشرفت‌ها گردیده است. گرچه در اکثر مدالیته‌ها و تکنیک‌های به کار گرفته شده تا امروز نیاز به بیهوش کردن حیوان می‌باشد، اما روند بررسی کاملاً غیرتهاجمی بوده و علاوه بر اطلاعات آناتومیک امکان استخراج اطلاعات عملکردی فراهم گردیده است. از جمله کاربردهای مهم در این زمینه تحلیل زمان واقعی نحوه پخش دارو در مدل حیوانی است. این موضوع از آن‌جایی اهمیت بیشتری می‌یابد که این تصویربرداری امکان دریافت اطلاعات تا سطح گیرنده‌ها و مطالعه دینامیک آن‌ها را نیز فراهم آورده‌است. ژن‌درمانی می‌تواند تحول بزرگی در درمان بیماری‌ها ایجاد کند اما معضل مهم این است که بتوان ژن‌ها را به بافت مورد نظر به صورت صحیح رساند. تاکنون مطالعات زیادی در موش‌ها بر روی نانوذراتی صورت گرفته‌است که می‌توانند همراه با ژنی خاص حرکت کنند و قابلیت استفاده در تصویرسازی را دارند. از ژن‌درمانی در مدل‌های حیوانی برای درمان پارکینسون و انواع گوناگونی از سرطان استفاده شده‌است. مدالیته‌های مورد استفاده در تصویربرداری مولکولی چپ|قاب|500px|سیستم‌های مختلف مورد استفاده در تصویرگری مولکولی از حیوانات کوچک A. میزان زوال ماده رادیو اکتیو در قلب و خون در طول زمان در تصویربرداری مولکولی از بیشتر مدالیته‌های موجود در تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شود اما برای استفاده از آن‌ها در ابعاد کوچک و رسیدن به ویژگی‌های مطلوب، نیاز به بهینه‌سازی این مدالیته‌ها و تلفیق آن‌ها وجود دارد. مزیت بسیار مهم این روش حساسیت بالای آن است که امکان تصویربرداری از نقاط مشخص را می‌دهد. فوتون‌های تولیدی از تشعشع پوزیترونی دارای انرژی بالایی هستند و این موضوع باعث می‌شود که حساسیت این روش از SPECT بالاتر رود. در سیستم SPECT از پرتوهای گاما استفاده می‌شود که انرژی کمتری نسبت به پوزیترون‌ها دارند. یکی از مزیت‌های مهمی که سیستم PET فراهم می‌آورد وجود امکان اندازه‌گیری کمی فرایندهای بیولوژیکی است که دارای تشعشع پوزیترون ۱۸F و ۱۱C هستند. به این ترتیب این مدالیته می‌تواند به عنوان مثال نمودار افزایش و کاهش حجم قلب یک موش را بدست دهد. در روش PET هنگام بازسازی تصویر معمولاً از دو روش استفاده می‌شود: مد فریمی: در این روش آدرس هر پیکسل از قبل در حافظه کامپیوتر مشخص است. هر جرقه آشکارسازها باعث اضافه شدن عددی به اشاره‌گر آدرس حافظه شده و پیکسل متناسب با مکان کریستال روشن می‌شود. در صورت استفاده از مد لیستی، PET می‌تواند تصاویر تقریباً زمان واقعی تولید کند که توانایی نشان دادن دینامیک فرایندها را دارند. برای دست‌یابی به رزولوشن زمانی بالاتر برای دنبال کردن ردیاب، از آشکارسازهای لانتانیم برومید به همراه تکثیرگر نوری استفاده می‌شود. در کنار مزایای گفته شده، PET از قدرت تفکیک مکانی مناسب نسبت به ابعاد کوچک موش، بهره نمی‌برد. گرچه این سیستم دارای محدودکننده اساسی (۰٫۲ تا ۰٫۳ میلی‌متر برای ایزوتوپ‌های ۱۸F و ۱۱C) است، اما عامل اصلی این محدودیت مربوط به تکنولوژی ساخت آشکارسازهای PET است. | ## بخش 3: تصویرسازی مولکولی | به این منظور در آشکارسازهای نسل جدید، هدف رسیدن به SNR و حساسیت بیشتر و در کنار آن رزولوشن بهتر است. به این منظور آشکارسازهایی با قطر کمتر و طول بیشتر به شکل مخروطی ساخته شده‌اند که هم بتوان تعداد بیشتری از آن‌ها را در کنار هم قرار داد و هم زمان بیشتری برای به دام انداختن و آشکارسازی تشعشع دریافت شده وجود داشته باشد و قدرت جذب آشکارساز بالا رود. در این حالت مکان ورود اشعه گاما به کریستال با نقطه جذب آن یکسان نیست و یک عدم قطعیت در تخمین خط پاسخ به وجود می‌آید. برای حل این مشکل از الگوریتم‌های احتمالاتی چون MAPR استفاده می‌شود که با در نظر گرفتن PSF مربوط به آشکارساز، خط پاسخ صحیح را نتیجه می‌دهند. نیمه عمر مواد تشعشع‌کننده پوزیترون کوتاه است و باید در محل مصرف، تولید شوندPark J. بر خلاف سیستم‌های کلینیکی، در تصویربرداری از حیوانات از میدان‌هایی با قدرت ۴٫۷ تا ۱۱ تسلا استفاده می‌کنند. دلیل این موضوع رسیدن به SNR بالاتر است که بسیار اهمیت دارد و مشکل آن کم شدن کنتراست است. این موضوع میدان دید را کاهش می‌دهد اما از آن‌جا که ابعاد موش کوچک است، مشکلی ایجاد نخواهد کرد. با استفاده از این روش می‌توان به رزولوشن مکانی ۱۰۰ تا ۲۰۰ میکرومتر برای یک اسلایس ۰٫۵ تا ۱ میلی‌متر با رزولوشن زمانی ۵ تا ۱۰ میلی‌ثانیه رسید. PET/MRI با تلفیق این دو مدالیته می‌توان به رزولوشن بالا در کنار حساسیت بالا در ردیابی رسید. یک ویژگی جالب که در این روش ایجاد می‌شود اینست که رزولوشن مکانی PET افزایش می‌یابد چرا که با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی طول موج تولیدی از پوزیترون‌ها کاهش می‌یابد. یک چالش موجود در بهره‌برداری از این روش، نحوه قرار دادن ادوات PET و MRI در کنار یکدیگر است. در روش اول تنها آشکارسازها درون میدان قرار دارند و با فیبرهای نوری به طول ۳ تا ۵ متر اطلاعات آن‌ها به PMT و سایر ادوات الکترونیکی می‌رسد. در روش دوم تمام ادوات PET در داخل کویل‌های MRI است اما این ادوات داخل یک محفظه از امواج الکترومغناطیس محافظت می‌شوند. SPECT در این روش از همان تصویربرداری هسته‌ای معمولی همراه با بازسازی با استفاده از نقش کردن استفاده می‌شود. این مدالیته توانایی مشاهده رادیو ردیاب‌ها را دارد و ویژگی دیگر جالب آن امکان تصویربرداری از گیرنده‌ها است. همچنین این مدالیته می‌تواند از چند رادیو ردیاب با فوتون‌هایی با انرژی متفاوت به صورت هم‌زمان تصویرسازی کند. با این حال این مزیت را دارد که از عناصری با نیمه عمر بیشتر استفاده می‌کند که می‌توان آن‌ها را در جای دیگر تولید کرد و سپس به محل مصرف منتقل نمود. برای دستیابی به رزولوشن بهتر از فوتون با انرژی پایین‌تر و میزان‌گر تک سوراخی استفاده می‌شود. این میزان‌گر به جای میزان‌گرهای موازی که در کاربردهای کلینیکی رایج هستند استفاده می‌شود. برای اینکه نیاز به چرخاندن حیوان نباشد، امروزه از میزان‌گر چند سوراخی بیشتر استفاده می‌شود. برای اینکه چند تصویر بدست آمده با هم همپوشانی نداشته باشند باید بهره میزان‌گر را کاهش داد. در این حالت ممکن است به دلیل عدم تنظیم درست قدری محو شدگی در تصویر وجود داشته باشدS. CT اساس این روش بر پایه اندازه‌گیری تضعیف رخ داده برای اشعه X در عبور از جسم است. این مدالیته از رزولوشن مکانی بالایی برخوردار است و می‌تواند تصاویر سه بعدی با دقت ۵۰ تا ۱۰۰ میکرومتر مکعب را بدست دهد. برای رسیدن به دقت بالاتر باید مقدار اشعه X را بالا برد تا بتوان به تصویری با وکسل‌های کوچک‌تر دست یافت. در این حالت در کاربردهای کلینیکی امکان استفاده طولانی مدت وجود ندارد اما این مشکل در تصویربرداری از حیوانات کمتر است. یکی از مشکلاتی که CT دارد این است که موادی با ویژگی‌های بسیار متمایز وجود دارند که تقریباً به یک مقدار اشعه X را تضعیف می‌کنند. یک راه حل استفاده از دستگاه‌های با دو سطح انرژی است که بتوان با قرار دادن سوژه در معرض هر دو سطح انرژی و پردازش تصاویر بدست آمده، کنتراست مطلوب را ایجاد کرد. به عبارت دیگر دو بافت کنار هم ممکن است در یک سطح انرژی، مقادیر تضعیف مشابهی ایجاد کنند اما در سطحی دیگر این گونه نباشد و از این موضوع می‌توان برای ایجاد کنتراست بهره برد. در حال حاضر به نظر می‌رسد رزولوشن مکانی و کنتراست بدست آمده از میکروسی‌تی‌ها به بالاترین حد ممکن رسیده‌است اما سرعت تصویربرداری همچنان قابل بهبود است. | ## جمع‌بندی | در این حالت دیگر نیاز به تشعشع زیاد نیست و امکان دست‌یابی به تصاویری با کنتراست بالا برای بافت‌های نرم و سطوح مولکولی وجود دارد.