Fotocamera a perovskite-immagine: bocce di cristallo di perovskite. Credito: Mercouri Kanatzidis/Northwestern University.
I medici si affidano alle scansioni di medicina nucleare, come la SPECT, per osservare il battito cardiaco, monitorare il flusso sanguigno e individuare malattie nascoste nelle profondità del corpo. Ma gli scanner odierni dipendono da rilevatori costosi e difficili da realizzare.
Ora, gli scienziati guidati dalla Northwestern University e dalla Soochow University in Cina hanno costruito il primo rivelatore a base di perovskite in grado di catturare singoli raggi gamma per l’imaging SPECT con una precisione da record. Il nuovo strumento potrebbe rendere le comuni tecniche di imaging in medicina nucleare più nitide, veloci, economiche e sicure.
Per i pazienti, ciò potrebbe significare tempi di scansione più brevi, risultati più nitidi e dosi di radiazioni inferiori. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
“Le perovskiti sono una famiglia di cristalli noti per aver trasformato il campo dell’energia solare”, ha affermato Mercouri Kanatzidis della Northwestern University, autore senior dello studio. “Ora sono pronte a fare lo stesso per la medicina nucleare. Questa è la prima prova evidente che i rilevatori di perovskiti possono produrre il tipo di immagini nitide e affidabili di cui i medici hanno bisogno per fornire la migliore assistenza ai loro pazienti“.
“Il nostro approccio non solo migliora le prestazioni dei rilevatori, ma potrebbe anche ridurne i costi“, ha affermato Yihui He, coautore dello studio e Professore presso la Soochow University. “Ciò significa che un numero maggiore di ospedali e cliniche potrebbe avere accesso alle migliori tecnologie di imaging”.
Kanatzidis è Professore di chimica Charles E. ed Emma H. Morrison presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern University e ricercatore senior presso l’Argonne National Laboratory. Yihui He è un ex borsista post-dottorato del laboratorio di Kanatzidis.
La medicina nucleare, come la SPECT (tomografia computerizzata a emissione di fotone singolo), funziona come una telecamera invisibile. I medici impiantano un radiotracciante minuscolo, sicuro e di breve durata in una parte specifica del corpo del paziente. Il tracciante emette raggi gamma, che attraversano i tessuti e infine colpiscono un rilevatore esterno al corpo. Ogni raggio gamma è come un pixel di luce. Dopo aver raccolto milioni di questi pixel, i computer possono costruire un’immagine 3D degli organi funzionanti.
I rivelatori odierni, realizzati in tellururo di cadmio e zinco (CZT) o ioduro di sodio (NaI), presentano diversi svantaggi. I rivelatori in CZT sono incredibilmente costosi, arrivando a costare da centinaia di migliaia a milioni di dollari per un’intera fotocamera.
Poiché i cristalli di CZT sono fragili e soggetti a crepe, questi rivelatori sono anche difficili da produrre. Sebbene più economici dei rivelatori di CZT, i rivelatori di NaI sono ingombranti e producono immagini più sfocate, come scattare una foto attraverso una finestra appannata.
Per superare questi problemi, gli scienziati si sono rivolti ai cristalli di perovskite, un materiale che Kanatzidis studia da oltre un decennio. Nel 2012, il suo gruppo ha costruito le prime celle solari a film solido realizzate con perovskiti. Poi, nel 2013, Kanatzidis ha scoperto che i singoli cristalli di perovskite erano molto promettenti per la rilevazione di raggi X e raggi gamma. Questa svolta, resa possibile dalla produzione di monocristalli di alta qualità da parte del suo gruppo, ha innescato un’ondata di ricerca a livello mondiale e ha di fatto inaugurato un nuovo campo nei materiali per la rilevazione di radiazioni dure.
“Questo lavoro dimostra fino a che punto possiamo spingere i rivelatori di perovskite oltre i confini del laboratorio”, ha affermato Kanatzidis. “Quando nel 2013 abbiamo scoperto per la prima volta che i monocristalli di perovskite potevano rilevare raggi X e raggi gamma, potevamo solo immaginarne il potenziale. Ora stiamo dimostrando che i rivelatori basati su perovskite possono fornire la risoluzione e la sensibilità necessarie per applicazioni complesse come l’imaging in medicina nucleare. È entusiasmante vedere questa tecnologia avvicinarsi all’impatto nel mondo reale”.
Partendo da queste basi, Kanatzidis e He hanno guidato la crescita dei cristalli, l’ingegneria delle superfici e la progettazione del dispositivo per il nuovo studio. Coltivando e modellando attentamente questi cristalli, i ricercatori hanno creato un sensore pixelato, proprio come i pixel della fotocamera di uno smartphone, che offre una nitidezza e una stabilità da record.
Guidando la progettazione e lo sviluppo del prototipo di rivelatore di raggi gamma, ha sviluppato l’architettura pixelata della fotocamera, ottimizzato l’elettronica di lettura multicanale e condotto gli esperimenti di imaging ad alta risoluzione che hanno convalidato le capacità del dispositivo. Lui, Kanatzidis e il loro team hanno dimostrato che i rivelatori basati su perovskite possono raggiungere risoluzioni energetiche record e prestazioni di imaging a singolo fotone senza precedenti, aprendo la strada all’integrazione pratica nei sistemi di imaging di medicina nucleare di prossima generazione.
“Progettare questa telecamera a raggi gamma e dimostrarne le prestazioni è stato incredibilmente gratificante“, ha affermato. “Combinando cristalli di perovskite di alta qualità con un rivelatore pixelato accuratamente ottimizzato e un sistema di lettura multicanale, siamo stati in grado di raggiungere una risoluzione energetica e capacità di imaging da record. Questo lavoro dimostra il reale potenziale dei rivelatori a base di perovskite per trasformare l’imaging in medicina nucleare“.
Negli esperimenti, il rivelatore è stato in grado stato in grado di distinguere raggi gamma di diverse energie con la migliore risoluzione finora riportata. Ha anche rilevato segnali estremamente deboli provenienti da un radiotracciante medico (tecnezio-99m) comunemente utilizzato nella pratica clinica e ha distinto dettagli incredibilmente fini, producendo immagini nitide in grado di separare minuscole sorgenti radioattive distanti solo pochi millimetri l’una dall’altra.
Iil rilevatore è rimasto inoltre altamente stabile, captando quasi tutto il segnale del tracciante senza perdite o distorsioni. Poiché questi nuovi rilevatori sono più sensibili, i pazienti potrebbero potenzialmente richiedere tempi di scansione più brevi o dosi di radiazioni inferiori.
Actinia Inc., spin-off della Northwestern University, sta commercializzando questa tecnologia, collaborando con partner nel settore dei dispositivi medici per portarla fuori dal laboratorio e negli ospedali. Essendo più facili da coltivare e utilizzando componenti più semplici, le perovskiti offrono un’alternativa molto più economica ai rivelatori CZT e NaI, senza sacrificare la qualità.
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I rilevatori basati sulla perovskite offrono inoltre un percorso realistico per l’imaging utilizzando una dose inferiore di radiotracciante rispetto a quella utilizzabile con un rilevatore NaI, ma a un prezzo che garantisce un accesso diffuso ai pazienti.
“Dimostrare che le perovskiti possono fornire immagini a raggi gamma a singolo fotone è una pietra miliare“, ha affermato. “Dimostra che questi materiali sono pronti per andare oltre il laboratorio e trasformarsi in tecnologie che apportano benefici diretti alla salute umana. Da qui, intravediamo opportunità per perfezionare ulteriormente i rivelatori, aumentare la produzione su larga scala ed esplorare direzioni completamente nuove nell’imaging medico“.
“La medicina nucleare di alta qualità non dovrebbe essere limitata agli ospedali che possono permettersi le attrezzature più costose”, ha affermato Kanatzidis. “Con le perovskiti, possiamo aprire la strada a scansioni più nitide, veloci e sicure per molti più pazienti in tutto il mondo. L’obiettivo finale è ottenere scansioni migliori, diagnosi migliori e cure migliori per i pazienti”.
Fonte: Nature Communications