Positronen-Emissions-Tomographie

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine Methode zur Untersuchung der metabolischen und funktionellen Aktivität von Körpergewebe in vivo. Die Methode basiert auf dem Phänomen der Positronenemission, das bei der Verteilung und Anreicherung eines in den Körper eingebrachten Radiopharmakons in verschiedenen Organen beobachtet wird. In der Neurologie liegt der Hauptanwendungsbereich der Methode in der Untersuchung des Hirnstoffwechsels bei verschiedenen Erkrankungen. Veränderungen in der Nuklidanreicherung in einem beliebigen Bereich des Gehirns deuten auf eine Störung der neuronalen Aktivität hin.

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Indikationen für die Positronen-Emissions-Tomographie

Zu den Indikationen für die Positronen-Emissions-Tomographie gehören die Untersuchung auf Myokardschlaf bei Patienten nach Koronararterien-Bypass oder Herztransplantation sowie die Unterscheidung von Metastasen, Nekrosen und Fibrosen in vergrößerten Lymphknoten bei Krebspatienten. Die PET wird auch zur Beurteilung von Lungenrundherden und zur Feststellung ihrer Stoffwechselaktivität sowie zur Diagnose von Lungenkrebs, Halskrebs, Lymphomen und Melanomen eingesetzt. Die CT kann mit der Positronen-Emissions-Tomographie kombiniert werden, um morphologische und funktionelle Daten zu korrelieren.

Vorbereitung für die Positronen-Emissions-Tomographie

Die PET wird auf nüchternen Magen durchgeführt (die letzte Mahlzeit erfolgt 4–6 Stunden vor der Untersuchung). Die Untersuchungsdauer beträgt je nach Umfang 30 bis 75 Minuten. Während der 30–40 Minuten, die für die Einführung des verabreichten Arzneimittels in die Stoffwechselprozesse des Körpers erforderlich sind, sollten sich die Patienten in einem Zustand befinden, der die Möglichkeit motorischer, sprachlicher und emotionaler Aktivität minimiert, um die Wahrscheinlichkeit falsch positiver Ergebnisse zu verringern. Dazu wird der Patient in einem separaten Raum mit schalldichten Wänden untergebracht; der Patient liegt mit geschlossenen Augen.

Alternative Methoden

Andere funktionelle bildgebende Verfahren wie Magnetresonanzspektroskopie, Einzelphotonen-Emissions-CT, Perfusion und funktionelle MRT können bis zu einem gewissen Grad als Alternative zur PET dienen.

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Einzelphotonen-Emissionstomographie

Eine kostengünstigere Möglichkeit zur Radioisotopenuntersuchung der intravitalen Struktur des Gehirns ist die Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie.

Diese Methode basiert auf der Registrierung der von radioaktiven Isotopen emittierten Quantenstrahlung. Im Gegensatz zur PET-Methode verwendet die Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie Elemente, die nicht am Stoffwechsel beteiligt sind (Tc99, TI-01). Mithilfe einer um das Objekt rotierenden Y-Kamera werden einzelne Quanten (Photonen) anstelle von gepaarten Quanten registriert.

Eine der Modifikationen der Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie ist die Visualisierung des lokalen zerebralen Blutflusses. Dem Patienten wird ein blutlösliches Xenon-133-haltiges Gasgemisch zum Inhalieren verabreicht. Mithilfe einer Computeranalyse wird ein dreidimensionales Bild der Verteilung der Photonenemissionsquellen im Gehirn mit einer räumlichen Auflösung von etwa 1,5 cm erstellt. Diese Methode wird insbesondere zur Untersuchung der Merkmale des lokalen zerebralen Blutflusses bei zerebrovaskulären Erkrankungen und verschiedenen Demenzformen eingesetzt.

Auswertung der Ergebnisse

Die PET-Auswertung erfolgt mittels visueller und semiquantitativer Methoden. Die visuelle Auswertung der PET-Daten erfolgt sowohl in Schwarzweiß als auch in verschiedenen Farbskalen. Dadurch lässt sich die Intensität der Radiopharmaka-Akkumulation in verschiedenen Hirnarealen bestimmen, pathologische Stoffwechselherde identifizieren und deren Lokalisation, Konturen und Größe beurteilen.

Bei einer semiquantitativen Analyse wird das Verhältnis der Radiopharmaka-Akkumulation zwischen zwei gleich großen Bereichen berechnet, von denen einer dem aktivsten Teil des pathologischen Prozesses und der andere dem unveränderten kontralateralen Bereich des Gehirns entspricht.

Der Einsatz von PET in der Neurologie ermöglicht uns die Lösung folgender Probleme:

• die Aktivität bestimmter Bereiche des Gehirns bei Präsentation verschiedener Reize untersuchen;
• eine frühzeitige Diagnose von Krankheiten durchführen;
• eine Differentialdiagnostik pathologischer Prozesse mit ähnlichen klinischen Manifestationen durchführen;
• den Krankheitsverlauf vorhersagen, die Wirksamkeit der Therapie beurteilen.

Die Hauptindikationen für den Einsatz der Technik in der Neurologie sind:

• zerebrovaskuläre Pathologie;
• Epilepsie;
• Alzheimer-Krankheit und andere Formen der Demenz;
• degenerative Erkrankungen des Gehirns (Parkinson-Krankheit, Huntington-Krankheit);
• demyelinisierende Erkrankungen;
• Hirntumoren.

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Epilepsie

PET mit 18-Fluordesoxyglucose ermöglicht die Erkennung epileptogener Herde, insbesondere bei fokalen Epilepsieformen, und die Beurteilung von Stoffwechselstörungen in diesen Herden. In der interiktalen Phase ist die epileptogene Herdzone durch einen Glukose-Hypometabolismus gekennzeichnet, und der Bereich reduzierten Stoffwechsels übersteigt in einigen Fällen die Größe des mit strukturellen bildgebenden Verfahren ermittelten Herdes deutlich. Darüber hinaus ermöglicht PET die Erkennung epileptogener Herde auch ohne elektroenzephalographische und strukturelle Veränderungen und kann zur Differentialdiagnose epileptischer und nicht-epileptischer Anfälle eingesetzt werden. Sensitivität und Spezifität der Methode steigen durch die kombinierte Anwendung von PET und Elektroenzephalographie (EEG) deutlich an.

Zum Zeitpunkt eines epileptischen Anfalls ist eine Erhöhung des regionalen Glukosestoffwechsels im Bereich des epileptogenen Herdes zu beobachten, oft in Kombination mit einer Unterdrückung in einem anderen Bereich des Gehirns. Nach dem Anfall ist erneut eine Hypometabolie zu verzeichnen, deren Schweregrad 24 Stunden nach dem Anfall zuverlässig abnimmt.

PET kann auch erfolgreich bei der Entscheidung über Indikationen zur chirurgischen Behandlung verschiedener Epilepsieformen eingesetzt werden. Die präoperative Beurteilung der Lokalisation epileptischer Herde ermöglicht die Wahl der optimalen Behandlungstaktik und eine objektivere Prognose des Ergebnisses des geplanten Eingriffs.

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Zerebrovaskuläre Pathologie

In der Diagnostik des ischämischen Schlaganfalls gilt die PET als Methode zur Bestimmung von lebensfähigem, potenziell wiederherstellbarem Hirngewebe in der ischämischen Penumbrazone, was die Indikation zur Reperfusionstherapie (Thrombolyse) ermöglicht. Die Verwendung zentraler Benzodiazepin-Rezeptorliganden, die als Marker der neuronalen Integrität dienen, ermöglicht eine relativ klare Unterscheidung zwischen irreversibel geschädigtem und lebensfähigem Hirngewebe in der ischämischen Penumbrazone im Frühstadium des Schlaganfalls. Auch eine Differenzialdiagnose zwischen frischen und alten ischämischen Herden bei Patienten mit wiederholten ischämischen Episoden ist möglich.

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Alzheimer-Krankheit und andere Arten von Demenz

Bei der Diagnose der Alzheimer-Krankheit liegt die Sensitivität der PET zwischen 76 und 93 % (durchschnittlich 86 %), was durch Autopsie-Untersuchungsmaterialien bestätigt wird.

Die PET bei Alzheimer-Krankheit ist durch eine ausgeprägte fokale Abnahme des zerebralen Stoffwechsels gekennzeichnet, hauptsächlich in den neokortikalen Assoziationsbereichen des Kortex (posteriorer cingulärer, temporoparietaler und frontaler multimodaler Kortex), wobei die Veränderungen in der dominanten Hemisphäre stärker ausgeprägt sind. Gleichzeitig bleiben die Basalganglien, der Thalamus, das Kleinhirn und der Kortex, die für die primären sensorischen und motorischen Funktionen verantwortlich sind, relativ intakt. Am typischsten für die Alzheimer-Krankheit ist ein bilateraler Hypometabolismus in den temporoparietalen Bereichen des Gehirns, der in fortgeschrittenen Stadien mit einer Abnahme des Stoffwechsels im frontalen Kortex einhergehen kann.

Demenz aufgrund einer zerebrovaskulären Erkrankung ist durch eine überwiegende Beteiligung der Frontallappen, einschließlich des cingulären und des oberen Frontallappens, gekennzeichnet. Patienten mit vaskulärer Demenz weisen zudem typischerweise fleckige Bereiche mit vermindertem Stoffwechsel in der weißen Substanz und im Kortex auf, häufig im Kleinhirn und in den Subkortizes. Bei der frontotemporalen Demenz ist der Stoffwechsel im frontalen, anterioren und medialen temporalen Kortex vermindert. Patienten mit Lewy-Body-Demenz weisen bilaterale temporoparietale Stoffwechseldefizite auf, die an die Alzheimer-Krankheit erinnern, aber häufig den okzipitalen Kortex und das Kleinhirn betreffen, die bei der Alzheimer-Krankheit meist intakt sind.

Muster metabolischer Veränderungen bei verschiedenen Demenzerkrankungen

Ätiologie der Demenz	Stoffwechselstörungszonen
Alzheimer-Krankheit	Schäden im parietalen, temporalen und posterioren cingulären Kortex treten am frühesten auf, wobei der primäre sensorische und visuelle Kortex sowie Striatum, Thalamus und Kleinhirn relativ verschont bleiben. In den frühen Stadien ist das Defizit oft asymmetrisch, der degenerative Prozess manifestiert sich jedoch schließlich bilateral.
Vaskuläre Demenz	Hypometabolismus und Hypoperfusion in betroffenen kortikalen, subkortikalen Bereichen und im Kleinhirn
Demenz vom Frontaltyp	Der Frontalkortex, der vordere Temporalkortex und die mediotemporalen Regionen sind zuerst betroffen, wobei der Schaden zunächst schwerer ist als beim parietalen und lateralen Temporalkortex, wobei der primäre sensorische, motorische und visuelle Kortex relativ erhalten bleibt.
Chorea Huntington	Die Nuclei caudatus und Lentikularis sind früher betroffen, mit einer allmählichen diffusen Beteiligung der Hirnrinde
Demenz bei Parkinson	Alzheimer-ähnliche Merkmale, jedoch mit stärkerer Schonung der mediotemporalen Region und geringerer Schonung des visuellen Kortex
Demenz mit Lewy-Körpern	Für die Alzheimer-Krankheit typische Störungen, jedoch mit geringerer Erhaltung des visuellen Kortex und möglicherweise des Kleinhirns

Der Einsatz von PET als Prädiktor für die Entwicklung einer Demenz vom Alzheimer-Typ, insbesondere bei Patienten mit leichter und mittelschwerer kognitiver Beeinträchtigung, ist vielversprechend.

Derzeit wird versucht, zerebrale Amyloidose in vivo mittels PET unter Verwendung spezieller Amyloidliganden zu untersuchen, um die präklinische Diagnose von Demenz bei Personen mit Risikofaktoren zu ermöglichen. Die Untersuchung des Schweregrads und der Lokalisation der zerebralen Amyloidose ermöglicht zudem eine zuverlässige Verbesserung der Diagnostik in verschiedenen Krankheitsstadien. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von PET, insbesondere in der Dynamik, eine genauere Vorhersage des Krankheitsverlaufs und eine objektive Bewertung der Therapiewirksamkeit.

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Parkinson-Krankheit

Die PET unter Verwendung des spezifischen Liganden B18-Fluorodopa ermöglicht die quantitative Bestimmung des Mangels an Dopaminsynthese und -speicherung in präsynaptischen Striatumendigungen bei Parkinson-Krankheit. Das Vorhandensein charakteristischer Veränderungen ermöglicht die Diagnosestellung und die Einleitung präventiver und therapeutischer Maßnahmen bereits in den frühen, manchmal präklinischen Stadien der Erkrankung.

Der Einsatz der PET ermöglicht eine Differentialdiagnose der Parkinson-Krankheit gegenüber anderen Erkrankungen, deren klinisches Bild extrapyramidale Symptome umfasst, wie beispielsweise eine Multisystematrophie.

Der Zustand der Dopaminrezeptoren selbst kann mittels PET mit dem H2-Rezeptorliganden _Racloprid beurteilt werden. Bei der Parkinson-Krankheit sind die Zahl der präsynaptischen dopaminergen Endigungen und die Menge des Dopamintransporters im synaptischen Spalt reduziert, während bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen (z. B. Multisystematrophie, progressive supranukleäre Lähmung und kortikobasale Degeneration) die Zahl der Dopaminrezeptoren im Striatum reduziert ist.

Darüber hinaus ermöglicht uns der Einsatz von PET, den Verlauf und die Geschwindigkeit des Fortschreitens der Krankheit vorherzusagen, die Wirksamkeit der medikamentösen Therapie zu beurteilen und Indikationen für eine chirurgische Behandlung zu bestimmen.

Chorea Huntington und andere Hyperkinesien

Die PET-Ergebnisse bei Chorea Huntington sind durch eine Verringerung des Glukosestoffwechsels in den Nuclei caudatus gekennzeichnet, was eine präklinische Diagnose der Krankheit bei Personen ermöglicht, bei denen aufgrund der Ergebnisse von DNA-Tests ein hohes Risiko besteht, an der Krankheit zu erkranken.

Bei der Torsionsdystonie zeigt die PET mit 18-Fluordesoxyglucose eine Verringerung des regionalen Glukosestoffwechsels im Nucleus caudatus und lentiformis sowie in den frontalen Projektionsfeldern des mediodorsalen Nucleus thalami, bei intaktem Gesamtstoffwechselniveau.

Multiple Sklerose

PET mit 18-Fluordesoxyglucose bei Patienten mit Multipler Sklerose zeigt diffuse Veränderungen im Hirnstoffwechsel, einschließlich der grauen Substanz. Die identifizierten quantitativen Stoffwechselstörungen können als Marker der Krankheitsaktivität dienen und die pathophysiologischen Mechanismen der Exazerbationsentwicklung widerspiegeln. Sie helfen bei der Vorhersage des Krankheitsverlaufs und der Beurteilung der Therapiewirksamkeit.

Hirntumoren

CT oder MRT ermöglichen zuverlässige Informationen über die Lokalisation und das Ausmaß von Tumorschäden im Hirngewebe, ermöglichen jedoch keine zuverlässige Unterscheidung zwischen gutartigen und bösartigen Läsionen. Zudem sind strukturelle bildgebende Verfahren nicht spezifisch genug, um zwischen einem Tumorrezidiv und einer Strahlennekrose zu unterscheiden. In diesen Fällen ist die PET die Methode der Wahl.

Neben 18-Fluordesoxyglucose werden auch andere Radiopharmaka zur Diagnostik von Hirntumoren eingesetzt, beispielsweise ¹¹ C-Methionin und ¹¹ C-Tyrosin. Insbesondere die PET mit ¹¹ C-Methionin ist eine sensitivere Methode zum Nachweis von Astrozytomen als die PET mit 18-Fluordesoxyglucose und kann auch zur Beurteilung niedriggradiger Tumoren eingesetzt werden. Die PET mit ¹¹ C-Tyrosin ermöglicht die Unterscheidung zwischen malignen und benignen Hirnläsionen. Zudem zeigen hoch- und schlecht differenzierte Hirntumoren eine unterschiedliche Absorptionskinetik dieses Radiopharmakons.

Die PET zählt derzeit zu den präzisesten und modernsten Verfahren zur Diagnose verschiedener Erkrankungen des Nervensystems. Darüber hinaus kann diese Methode auch zur Untersuchung der Gehirnfunktion gesunder Menschen zu wissenschaftlichen Forschungszwecken eingesetzt werden.

Der Einsatz der Methode ist aufgrund unzureichender Ausrüstung und hoher Kosten äußerst begrenzt und nur in großen Forschungszentren verfügbar, das Potenzial der PET ist jedoch recht hoch. Die Einführung einer Technik, die die gleichzeitige Durchführung von MRT und PET mit anschließender Kombination der erhaltenen Bilder ermöglicht, erscheint äußerst vielversprechend. Dies ermöglicht es, maximale Informationen über strukturelle und funktionelle Veränderungen in verschiedenen Teilen des Hirngewebes zu erhalten.

Was ist Positronen-Emissions-Tomographie?

Im Gegensatz zur Standard-MRT oder CT, die in erster Linie ein anatomisches Bild eines Organs liefern, bewertet die PET funktionelle Veränderungen auf der Ebene des Zellstoffwechsels, die bereits in den frühen, präklinischen Stadien der Erkrankung erkannt werden können, wenn strukturelle bildgebende Verfahren des Gehirns keine pathologischen Veränderungen offenbaren.

Bei der PET werden verschiedene mit Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Glukose markierte Radiopharmaka verwendet, also natürliche Metaboliten des Körpers, die zusammen mit den eigenen endogenen Metaboliten in den Stoffwechsel einfließen. Dadurch wird es möglich, Prozesse auf zellulärer Ebene zu bewerten.

Das am häufigsten in der PET verwendete Radiopharmakon ist Fluorodesoxyglucose. Weitere häufig in der PET verwendete Radiopharmakons sind ^11C -Methionin (MET) und ^11C -Tyrosin.

Die Strahlenbelastung bei der maximalen Dosis des verabreichten Arzneimittels entspricht der Strahlenbelastung, der der Patient bei einer Röntgenuntersuchung des Brustkorbs in zwei Projektionen ausgesetzt ist. Daher ist die Untersuchung relativ sicher. Sie ist kontraindiziert bei Personen mit Diabetes mellitus und einem Blutzuckerspiegel über 6,5 mmol/l. Zu den Kontraindikationen zählen auch Schwangerschaft und Stillzeit.