Молекулярная визуализация и интраоперационная радионавигация при раке предстательной железы

Рак предстательной железы (РПЖ) занимает третье место среди онкологических заболеваний, выявляемых у мужчин в Западной Европе, и первое в США [1]. Возрастной пик заболеваемости приходится на 50–60 лет. [2]. В последнее время все чаще наблюдается омоложение данного заболевания: появление РПЖ у мужчин моложе 50 лет, что связано с большим количеством факторов (питание, образ жизни, экология и др.) [3]. В 2018 г. у 62 пациентов с РПЖ он выявлен в возрасте до 44 лет, что раньше было казуистикой. Меняется и структура стадий РПЖ, увеличивается число локализованных форм в результате улучшения диагностики и стадирования опухоли. В 2018 г. больные РПЖ I и II стадии составили 56 % в общей структуре заболеваемости [4], что, вероятнее всего, связано с ранним выявлением опухоли.

В Российской Федерации РПЖ является второй по частоте встречаемости (14,9 %) злокачественной опухолью среди мужчин после рака легкого

Арсенал методов лечения РПЖ при локализованной и местнораспространенной опухоли: простатэктомия, регионарная лимфодиссекция, дистанционная лучевая терапия, радионуклидная терапия и брахитерапия в самостоятельных вариантах, а также сочетание методов лечения. Системная терапия включает гормональную и химиотерапию [6].

Благодаря мероприятиям по раннему выявлению РПЖ отмечается перераспределение в сторону локализованных форм, что актуализирует развитие прецизионности локальных методов лечения, радикальности плана лечения и снижения травматичности. Для этого используется гибридная молекулярная визуализация (ПЭТ/КТ и ОФЭКТ/ КТ), а также интраоперационная визуализация с помощью радиоизотопной и флуоресцентной визуализации. Основным методом интраоперационного гамма-зондирования является радионавигация (англ. Radio-guided surgery), которая сегодня может применяться в открытой и эндоскопической хирургии РПЖ [7]. Методика прочно зарекомендовала себя как инструмент, способный уменьшить травматичность операции, обнаружить метастатические поражения с чувствительностью и специфичностью до 95 % [8].

В данный обзор мы не включили методы флуоресцентной визуализации индоцианином (Indocyanine green – ICG) и гамма-зондирование сторожевых лимфатических узлов, когда радиофармпрепарат (РФП) (наноколлоид, меченный технецием) или ICG вводится в опухолевую или в рядом расположенную ткань и оценивается их накопление в регионарных лимфатических узлах. В данном обзоре речь пойдет о радионавигации при использовании туморотропных РФП на основе антител к простат-специфичному мембранному антигену (Prostate specific membrane antigen – PSMA), при котором накопление РФП происходит во всех экспрессирующих данный рецептор очагах опухоли.

Радионавигация как метод интраоперационного зондирования зародилась в конце 40-х – начале 50-х гг. XX в. [9]. На первом этапе в качестве детекторов применяли счетчики Гейгера–Мюллера, не обладавшие достаточной чувствительностью и коллимацией, необходимой для проведения радионавигации в современном ее варианте. Первым радионуклидом, примененным в интраоперационной визуализации, был 32-фосфор. С 1956 г. для визуализации щитовидной железы используется 131-йод, а для его регистрации применялся гамма-зонд [10]. Этот прибор уже имел необходимый минимальный набор конструктивных и технических характеристик, которых было достаточно для возникновения такого направления, как радионавигационная хирургия. С развитием технологий происходила модернизация гамма-зондов, появлялись новые типы детекторов, более чувствительные к регистрации полезных событий, была спроектирована система коллимации, позволяющая отсекать фоновые и «паразитирующие» события, тем самым делая более прецизионной интраоперационную радионавигацию. Современные устройства для радионавигации отличаются значительной чувствительностью и точностью, а также способны быть миниатюрным аналогом крупногабаритных стационарных систем для предоперационной визуализации, позволяющих непосредственно в ходе операции определять очаги накопления РФП с повышенной метаболической активностью. Таким образом, интраоперационная радионавигация стала связующим звеном между предоперационной визуализацией и непосредственно хирургией.

Основной задачей предоперационной молекулярной визуализации (ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ) в сочетании с другими методами исследования (пальпация, ТРУЗИ, ПСА, биопсия, РКТ, МРТ) является определение стадии и точной локализации очагов опухоли [11].

Интраоперационная радионавигация при РПЖ ставит задачу обнаружения очагов опухоли во время операции в режиме реального времени с целью их радикального удаления. Первое упоминание об интраоперационной радионавигации сторожевых лимфоузлов при помощи 99mTc-Nanocolloid при РПЖ датируется концом 1990-х гг. [12]. При помощи PSMA, меченного радиоактивной меткой, можно визуализировать очаги опухоли при внутривенном введении РФП. В качестве радиоактивной метки можно использовать «ОФЭКТ-изотопы» (99mТс, 123I, 131I, 111In, 177Lu и т. д.) и «ПЭТ-изотопы»: 68Ga, 18F, 89Zr, 124I, 64Cu и т. д. Первые детектируются одноканальными и многоканальными гамма-зондами, а вторые – детектором черенковского излучения, комптоновской камерой, одноканальными и многоканальными гамма-зондами с специализированными коллиматорами. Также возможно использование бета-зондов, но чувствительность их низкая ввиду короткого пробега электронов в тканях (до 2 мм).

Целью исследования является обзор актуальных сегодня и перспективных в будущем методов интраоперационной радионавигации при хирургическом лечении РПЖ.

Простат-специфический мембранный антиген (PSMA)

Простат-специфический мембранный антиген является чрезвычайно перспективной молекулой (рис. 1) для специфической визуализации и тар-гетной терапии РПЖ по причине чрезмерной его экспрессии на поверхности клеток РПЖ. В норме рецептор PSMA экспрессирован в эпителии предстательной железы, в почечных канальцах, двенадцатиперстной и толстой кишке, а при карциноме простаты его экспрессия увеличивается на порядки (в 100–1000 раз), что позволяет визуализировать очаги опухоли на ОФЭКТ и ПЭТ [8, 13].

В последние годы разработано несколько низкомолекулярных PSMA для диагностики и радиотераностики (диагностика+терапия) РПЖ. Специфичность и чувствительность методов гибридной молекулярной визуализации РФП на основе PSMA-лигандов (ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ) значительно превосходят традиционные УЗИ, КТ

Рис. 1. Структурная формула простат-специфического мембранного антигена

Fig. 1. Structural formula of prostate-specific membrane antigen

и МРТ, которые куда менее специфично визуализируют метастазы в лимфатических узлах небольших размеров (до 10 мм) [14, 15]. Технологии молекулярной визуализации и интраоперационной радионавигации позволяют идентифицировать метастазы начиная с 2 мм [16].

В целях комплементарности технологий визуализации сначала выполняется ОФЭКТ/КТ с меченным технецием-99m PSMA, и при положительном результате предоперационной визуализации осуществляется интраоперационная радионавигация с тем же РФП (рис. 2). ОФЭКТ/КТ с PSMA необходим даже в случае положительного результата ПЭТ с PSMA по той же самой причине.

Предоперационная навигация РПЖпри помощи PSMA

При РПЖ используются различные методы лечения и их сочетания, которые подбираются индивидуально в зависимости от группы клинического риска, оценки первичной опухоли по шкале Глисона, уровню ПСА в крови и результатам

Рис. 2. Захват радиофармрепарата рецепторами РSМA и поэтапный процесс визуализации. 1-й шаг – введение 99mTc-РSМA; 2-й шаг – получение предоперационной карты с применением системы ОФЭКТ/КТ; 3-й шаг – интраоперационная радионавигация с применением гамма-зонда

Fig. 2. Radiopharmaceutical uptake by РSМA receptors and steps of visualization. 1 step – administration 99mTc-РSМA.

2 step – creation of preoperative map using SРECT/CT system. 3 step – intraoperative radionavigation using gamma-probe

Рис. 3. Предоперационная визуализация метастазов при РПЖ. А – 68Ga-РSМA-11; Б – 99mTc-РSМA-617;

В – 18F-РSМA-1007 Fig. 3. Рreoperative visualization of metastasis in prostate cancer. А – 68Ga-РSМA-11; B – 99mTc-РSМA-617; C – 18F-РSМA-1007

структурной (УЗИ, КТ, МРТ) и молекулярной визуализации (ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ) [16, 17]. ПЭТ/ КТ с фтордезоксиглюкозой (ФДГ) не обладает высокой специфичностью и чувствительностью при РПЖ. Это связано с низким метаболизмом глюкозы в клетках РПЖ. Куда более информативны ОФЭКТ/КТ с 99mTc-HYNIC-iPSMA, а также ПЭТ/ КТ с 18F-холином, 68Ga/18F-PSMA [18]. В последнее время часто используют ПЭТ/КТ с 18F-PSMA-1007 в качестве дополнения или как альтернативу к ПЭТ/КТ с 68Ga-PSMA-11 [19] (рис. 3).

Интраоперационная навигация с введением ОФЭКТ-изотопов.

Гамма-навигация

Радионавигационная хирургия РПЖ основана на применении РФП на основе PSMA, меченных радиоизотопами, излучающими гамма-кванты в диапазоне энергий 100–400 кэВ. Эти энергии регистрируются стационарными или портативными гамма-камерами, их можно классифицировать как ОФЭКТ-изотопы. К ним относится 99mTc, 177Lu, 111In (табл. 1). Чаще всего из вышеперечисленных изотопов используют 99mTc в силу его короткого периода полураспада, низкой дозовой нагрузки, доступности (генератор) и дешевизны. Средняя вводимая активность составляет 570 МБк и вводится накануне операции [20]. Регистрация в операционном поле осуществляется при помощи гамма-зонда (рис. 4).

Интраоперационная навигация с введением ПЭТ-изотопов. Черенковая визуализация. Комптоновская гамма-камера

В настоящее время для интраоперационной навигации при РПЖ могут применяться ПЭТ-изотопы, а для их визуализации в операционном поле применяют либо специальные гамма-зонды, комптоновские гамма-камеры, либо системы визуализации черенковского излучения. Ограничение на визуализацию накладывают физические свойства ПЭТ-изотопов. При их распаде образуются позитроны, которые взаимодействуют с электронами среды, вследствие чего аннигилируют, образуя гамма-кванты с энергией 511 кэВ. Высокоэнерге-тичные кванты сложно детектировать обычными одноканальными зондами, толщина кристаллов в которых составляет 4–6 мм (в ПЭТ применяются детекторы толщиной от 10–20 мм).

Перспективным направлением в интраоперационной навигации с использованием ПЭТ-изотопов является регистрация черенковского излучения (или эффект Вавилова–Черенкова). Это излучение было открыто в 1934 г. советским физиком Павлом Черенковым, который проводил исследования люминесценции при взаимодействии гамма-квантов с водой. Ученый обнаружил слабое свечение голубого оттенка, возникающее при прохождении электронов с фазовой скоростью, превосходящей скорость света в среде. Первые эксперименты Черенкова выявили ряд необъяснимых особенностей излучения: свечение наблюдается у всех прозрачных жидкостей, причем яркость мало зависит от их химического состава и химической природы, излучение поляризовано с преимущественным направлением электрического вектора вдоль направления распространения частиц. На основании этих данных Вавиловым было сделано основополагающее утверждение, что обнаруженное явление не люминесценция, а свет, который излучают движущиеся в жидкости быстрые электроны. За это открытие в 1958 г. П.А. Черенков, Е.И. Тамм и И.М. Франк были награждены Нобелевской премией в области физики [21].

Черенковское излучение возникает, когда бета-частица, образовавшаяся в ходе распада ПЭТ-изотопа, движется в среде, где её скорость больше фазовой скорости света в этой среде. Из этого следует, что есть некоторая энергия, которая является критической и при которой возникает особое

Рис. 4. Регистрация событий гамма-зондом при использовании 99mTc-РSМA:

А. Ex vivo измерение скорости счета от удаленной части предстательной железы и регионарных лимфоузлов;

Б. In vivo измерение скорости счета одноканальным гамма-зондом непосредственно в операционном поле

Fig. 4. Detection events by gamma-probe from region of interest with ^99mTc-РSМA. А. Мeasurement of counts rate depends on the removed part of the prostate and regional lymph nodes Ex vivo . B. Мeasurement of counts rate single-channel gamma-probe in vivo

Таблица 1/table 1

Характеристики ОФЭКТ-изотопов для интраоперационной навигации при РПЖ characteristics of spect-isotopes for intraoperative navigation in prostate cancer

Радионуклид/ Radionuclide	Тип распада/ Type of decay	Период полураспада, ч/ Half-life, h	Способ получения/ Method of producing	Энергии гамма-квантов, кэВ/ Energy of gamma quanta, keV	Вероятность возникновения/ Probability of occurrence
99m Tc	Изомерный переход/ Isomeric transition	6,01	Генератор/Generator	140	89 %
111 In	Бета/Beta	67,2	Циклотрон/ Cyclotron	245,4 171,3	94,1 % 90,6 %
177 Lu	Бета/Beta	159,4	Реактор/Reactor	208 113	10,41 % 6,23 %

Таблица 2/table 2

Характеристики ПЭТ-изотопов для интраоперационной навигации при РПЖ characteristics of pet-isotopes for intraoperative navigation in prostate cancer

Радионуклид/ Radionuclide	Тип распада/ Type of decay	Период полураспада, ч/ Half-life, h	Способ получения/ Method of producing	Максимальная энергия позитронов, кэВ/ Maximum positron energy, keV	Вероятность возникновения/ Probability of occurrence
18 F	Бета плюс (97 %), электронный захват (3 %)/Beta plus (97 %), electronic capture (3 %)	1,82	Циклотрон/ Cyclotron	633,4	96,7 %
68 Ga	Бета плюс (87 %) электронный захват (13 %)/Beta plus (87 %) electronic capture (13 %)	1,13	Генератор/ Generator	1900	90 %
89 Zr	Бета плюс (23 %), электронный захват (77 %)/Beta plus (23 %), electronic capture (77 %)	79,2	Циклотрон/ Cyclotron	897	24 %
90 Y	Бета плюс/ Beta plus	64	Реактор/Reactor	933,7	99,9 %

(черенковское) излучение. Для воды с оптической плотностью n=1,33 энергия бета-частицы должна быть выше 219 кэВ, а для мягких тканей n=1,4 и энергия частиц должна быть не менее 263 кэВ. Однако черенковское излучение слабое по интенсивности, и для его регистрации необходимы оптические приборы, обладающие высокой чувствительностью при минимальной интенсивности света вокруг. Излучение относится к ближнему ультрафиолетовому спектру, а именно к синей зоне видимого спектра в диапазоне 250–400 нм. Наиболее перспективные изотопы для детекции черенковского излучения 68Ga, 18F, 89Zr, 90Y (табл. 2). Для визуализации РПЖ применяют 68Ga-PSMA, т.к. было выяснено, что интенсивность черенков-ского излучения от галлия в 22 раза выше, чем от фтора [22].

В настоящее время ведутся клинические исследования на основе черенковского излучения при интраоперационной визуализации [23]. Создан аппарат для интраоперационной визуализации черенковского излучения (модель LightPath® CLI, Великобритания).

Комптоновская гамма-камера

Одним из перспективных методов интраоперационной визуализации наравне с черенковским излучением является метод, основанный на комптоновском рассеянии гамма-квантов. Впервые метод получения гамма-изображений на основе принципа комптоновской камеры был опробован в астрономии и радиационной безопасности [24, 25]. Принцип получения изображения заключается в последовательной регистрации места взаимодействия (рассеяния) в первом на пути гамма-частицы детекторе и места поглощения или рассеяния на втором детекторе, отведенным на заданное расстояние от первого. Преимуществом комптоновской визуализации является отсутствие элемента коллимации в конструктиве прибора (вместо нее применяется электронная коллимация) и возможность эксплуатации устройства в магнитном поле, что делает его легче и чувствительнее в сравнении с ранее описанными методами. Достоинства метода, описанного выше, закладывают мощный фундамент для применения его не только для визуализации очагов накопления РФП, связанных с опухолями предстательной железы, но и для интра- операционной визуализации в целом. В настоящее время на рынке уже есть коммерческие варианты комптоновской гамма-камеры, но в медицине эта технология еще не апробирована.

Заключение

Предоперационная гибридная визуализация (ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ) с РФП на основе 99mTc|68Ga|18F-PSMA позволяет установить локализацию опухолевых очагов, что необходимо при планировании хирургического лечения, брахитерапии, дистанционной лучевой терапии, а также адъювантной радиолигандной терапии. Интраоперационная радионавигация позволяет обнаружить метаболически активные очаги опухоли, визуализируемые при ОФЭКТ/КТ и/или ПЭТ/КТ. Внедрение интраоперационной радионавигации повышает прецизионность и радикальность хи- рургического лечения, снижает необоснованную травматичность. Интраоперационная радионавигация с помощью гамма-зондирования позволяет обнаружить PSMA-положительные очаги опухоли вне зависимости от глубины их залегания, в том числе при эндоскопических операциях. Для интраоперационной детекции патологических очагов в реальном масштабе времени также применяются методы флуоресцентной визуализации (ICG, фотодинамическая диагностика, аутофлуоресценция). Новый гибридный способ радионавигации при РПЖ основан на одновременном детектировании флуоресценции (нижний ИК-спектр 760–900 нм) и гамма-квантов. Огромный потенциал имеет многоканальное гамма-зондирование, детекция черенковского излучения, сочетающие в себе достоинства непрямой и прямой интраоперационной визуализации.