Михаил Шифрин
За антиматерията, безсмъртието, ПЕТ скенера или кой е Луис Соколофф
Първата визуализация на работата на мозъка, направена с позитронно-емисионен томограф
На 16 август 1976 г. позитронно-емисионната томография за първи път е тествана върху двама здрави доброволци. Идеята е дадена от Луис Соколофф, а целта съвсем различна – да се създаде антиматерия, която се унищожава в мозъка и показва как той работи. Следейки активността на мозъка, без да иска Соколофф дава на онколозите ценен инструмент. Защото само позитронното сканиране може да покаже дали туморът е жив след проведената химиотерапия или това, което се вижда на рентгена са неговите останки.
Кой е Луис Соколофф?
Роден през 1921 г. в Америка в семейството на руски емигранти. Настоятелно молел фамилията му да се произнася с ударение върху първата сричка. По професия бил психоаналитик, разочарован от собствената си безпомощност в някои случаи.
Израснат в Южна Филаделфия, там, къдетето момчетата от Трета улица не бива да стъпват на Втора, защото… предполагате какво им се е случвало. И ако се случило, момчетата от Трета започвали масивен обстрел с фунийки на тези от Втора. До степен са се загуби око например. В учлилище споровете били за по-висок успех и тук Соколофф удържал победа – завършил с най-висок бал и спечелил стипендия в университета в Пенсилвания, където се занимавал с клетъчна биология и работел като лаборант. И щял да си остане един генетик, много далеч от медицината, ако не била Втората световна война…
Как Буда излиза от психиатрията
Когато през 1943 американската армия стига до Египет, в армията призовавали дори бакалаврите. За да получи отсрочка, научният ръководител на Соколофф го съветва да се включи в курс за подготовка на полеви лекари към медицинското училище в университета. И докато изучавал там строева подготовка, работа по карта и противотанкова отбрана, войната свършила. Но Сиколофф си останал военен. Последвала интернатура – също ускорена – 21 месеца – хирургия, акушерство и гинекология, лабораторни изследвания, неврология и психиатрия…
Психиатрията му се сторила най-интелигентна наука. По това време психиатриите били пълни с войници, страдащи от посттравматични разстройства. Лекували ги с психоанализа, която давала такива добри резултати, че Соколофф се запалил и решил да си дослужи като военен психиатър.
Скоро се появили и съмненията в универсалността на психиатрията. Дали понякога в мозъка на възникват изменения, които не могат да се оправят с думи?
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
В ляво: Луис Соколофф (1921 – 2015 г.), автор на идеята за метода на позитронно-емисионната томография. Горе вдясно: Мартин Ривич (вляво), инициатор на използването на PET в клиниката и David Cool (вдясно), създател на първия позитронно-емисионен томограф, 16 август 1976 г. Долу вдясно: Prantika Som (1942-2010), специалист по нуклеарна медицина в Националната лаборатория на Brookhaven, е първият лекар, който идентифицира тумор с PET (1980).
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Раздялата на Соколофф с психиатрията малко прилича на притчата за Буда. Родителите скрили от принц Сиддхартхи истината за света, обграждайки го с млади, красиви, здрави, щастливи хора. На 29 години, когато принцът за първи път напуснал двореца и познал, болестите, старостта, нещастията и смъртта, той приел името Гаутама, започнал да учи философия, най-накрая постигнал просветление и станал Буда.
Пътят на Соколофф бил маркиран от няколко негови пациенти – войник, който неочаквано се научил да контролира парализирана си ръка; ранен с амнезия, който внезапно си спомнил живота; и нимфоманка, която тихо се отказала да правят секс по време на Великия пост.
Все пак трябвало да има някакво обяснение за тези внезапни промени? И Соколофф си задава въпроса „Какво се случва с мозъка по време на пристъпи на паника?” Психоаналитиците, започвайки с Фройд, третирали атаките на страха, без да разбират физическата им основа. В същото време паническите атаки са материални, открити чрез електроенцефалография. Но какво означават данните ѝ? Какви неврони работят неправилно, променяйки електрическата активност на целия мозък?
Буда, в своите духовни терзания, стигнал до убеждението, че човешкият ум не е нещо материално и на съзнанието не може да се въздейства или да се моделира, или да бъде показано чрез формули. Но ето че Соколофф решава да проследи работата на мозъка именно с математически прийоми. След приключване на военната служба през 1949 г. Соколофф отишъл при учителя си от медицинското училище д-р Сеймур Кети. Д-р Кети се занимавал с измерване обема и скоростта на притока на кръв в съдовете на мозъка в университетската лаборатория.
Какво са изтърпели котките в името на науката
Моментър бил подходящ, тъй като Кети получил финансиране за изследванията и си наел асистенти. Измервайки кръвотока и концентрацията на газовете в артериалната и венозна кръв, учените определят разхода на кислород в мозъка. Колкото повече е той, толкова толкова повече е производството и разхода на енергия. Оказало се, че стойностите са ниска по време на припадък или кома. Мозъкът на човека използвал в будно състояние толкова енергия, колкото и по време на сън и това се отнасяло до всички – от шизофреника до здравия човек.
Публикуването на резултатите предизвикало присмех у „будистите“, че резултатите са очевидни, а „мисълта е нематериална“. Затова би трябвало разходът на кислород да бъде нулев или минимален при умствена работа.
Тогава Соколофф и Коти решили нещо друго – да измерят притока на кръв в тези области на мозъка, които очевидно са най-стимулирани. Избрали зрителния кортекс на котки.
Идеята била, че при наблюдението върху потреблението на кислорода и другите газове, те били по-интензивно поглъщани от зрителния център онази част от кората, отговорна за преработката на сигналите. В кръвообращението бил вкарван радиоактивен йод 131 под формата на трифториодметан, който преодолява кръвно-мозъчната бариера. в момента, в който изотопът достигнал зрителния център, моментално декапитирали котка. Мозъка замразявали, а след това разрязвали на тънки срези (нещо като томограф) и изследвали.
За да покажат работата на здравия и болния мозък, зашивали едно око на някоя от котките, при това на живо, защото стимулирането на зрителния център под наркоза е безсмислено. Тези опити отнели 5 години, за да се докаже вече известното. Учените са знаели значението на всяка част от мозъка още след Първата световна война, когато имало достатъчно мозъчни увреждания.
Добре, изучаването на кръвотока в мозъка, за Соколофф били нещо като да изучиш водопровода в еди бом – кой колко вода разходва, колко и кога пере, но оставал въпросът кой стои най-отгоре?
Кой би трябвало да“знае“ за всички тези неща?
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Етапи на подбор на „ключа“ към кръвно-мозъчната бариера за извършване на PET. Отляво: глюкозна формула, чиято роля като основен енергиен източник на мозъчни клетки Соколофф показва през 1957 година. В центъра: формулата за деоксиглюкоза, обозначена с въглерод-14 (неудачна). Дясно: формула 18F-FDG (18F-флуородеоксиглюкоза).
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
В мозъка съществува една разменна монета и това е глюкозата. Когато през 1957 г. Соколофф пише глава за справочник по физиология, той казва, че захарта е единственият източник на енергия за мозъчните клетки. Протеините и мазнините не преминават кръвно-мозъчната бариера. Достатъчно е да се хранят животните с глюкоза с радиоактивен въглерод и след това да се открие в коя от клетките се е натрупала. Да, ама не! Глюкозата в мозъка се изразходва толкова бързо, колкото и заплатата в магазина: минута и половина и нея я няма
Работейки по съвсем различна тема, Соколоф научил, че дезоксиглюкозата, която се различава от глюкозата по липсата на един кислороден атом, причинява кома. Невроновите ензими не могат да я разграждат и тя се натрупвала в тях. Това е все едно заплата да се плаща не в с пари а в натура, която трябва да се продаде, за да се придобият пари. Соколофф запомнил съединението.
В понататъчните си експерименти Соколофф е трябвало да се откаже от идеята за маркиране с радиоактивен въглерод-14: този изотоп живее дълго време, защото бавно се разпада, а повече радиоактивни тежки метали не преминават през кръвно-мозъчната бариера. Необходимо било самата мозъчна клетка да стане източник на радиация, която устройството може да открие. Соколофф се натъкнал на работата на химиците в лабораторията Брукхейвън, работеща върху т.н. антиматерия.
Как лети антиматерията?
Какво е това антивещество, или антиматерия, ние все още не разбираме напълно. Възможно е това да е материята, която се движи срещу нас и нашето време – от бъдещето към минало.
Електроните в „антисвета“ са носители на положителен заряд и се наричат позитрони. И когато те се образуват в резултат разпада на изотопа флуор-18, те се анихилира (изчезва) при среща с първия електрон, при което масата на двете частици се превръща в енергия, която се излъчва под формата на гама-лъчение. За да се организира „среща“ с анти-света вътре в мозъка, възможно било да се замени водородният атом в дезоксиглюкозата с радиоактивния флуор-18 атом: химичните свойства са почти еднакви и преминава през кръвно-мозъчната бариера.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Физическият етап на експеримента на 16 август 1976 година. вляво: Циклотрон в Националната лаборатория Брукхейвън, построена през 1939 г. от Ърнест Лорънс, първият циклотрон, използван в света за неутронна терапия. В центъра: постдокторът от Япония Тацуо Идо поставя неонова мишена на този циклотрон, за да получи флуор-18 чрез бомбардиране на неонови ядра с дейтрони. вдясно: готовото лекарство за флуор-18 пристигна на летище Филаделфия, 16 август 1976 година.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
По време на Пражката пролет, чехословашките химици разработили реакция на това заместване, а Соколофф публикувал няколко впечатляващи образа на функционалната дейност на маймунския мозък. През 1975 г. Мартин Ривич, ръководител на катедрата по неврология в Университетската болница на Пенсилвания, предложи на Соколофф да се подготви за експеримент с хора
„Но как ще отрежем главите на хората? – попита Соколоф – освен ако не са платили сметките си и няма какво повече да губят!“
Оказа се, че през 1973 г. в отдела за ядрена медицина в същата болница е взет томограф с брояч, способен да се върти около главата на пациента, като взема показания слой по слой.
В подготовката на експериментът на 16 август вземат участие десетки учени: флуорният изотоп е получен чрез бомбардиране на неонови атоми в циклотрона на Лонг Айлънд, а томографията е извършена във Филаделфия, на 270 километра от ускорителя. Това означава 1 час полет със самолет. Полуживотът на флуор-18 изотопа е 110 минути и са необходими два часа за въвеждането му в молекулата на дезоксиглюкозата. Това означаваше, че към момента на започване на проучването, в най-добрия случай, ще се запази една четвърт от флуора, произведен в ускорителя и няма да има време за повторение на опита.
Резултатът бил на лице само след няколко минути. За щастие, на 16 август 1976 г. времето се оказало прекрасно, полетът преминал добре, а двамата доброволци понесли експеримента без проблеми. Снимките се оказали с доста ниско качество, а резултатите – доста скромни: в крайна сметка на 100 грама зрителния кортекс употрбява 10.27 милиграма глюкоза, а бялото вещество консумирало 3.8 милиграма. Но това беше първата визуализация на мозъка на жив човек!
Как онколозите си присвоили ПЕТ скенера?
Тъй като опитът бил проведен от невролози, те първи използвали позитронната емисия в клиниката. При хирургичното лечение на епилепсия съществува проблемът да се намери специфичен фокус, който причинява гърчовете. Между атаките той консумирал по-малко глюкоза от нормалното, затова се откривал с помощта на PET, след което било възможно да се извърши унищожаването му.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––==
Първите медицински експерименти с позитронно-емисионна томография. Ляво: доброволец, който лежи в скенер, получава инжекция с 18F-FDG. Точно по-горе: първите снимки на първия тумор, открит от Прантик Сом, използвайки PET, 1980. Точно по-долу: първата визуализация на мозъчната работа, получена с PET, с помощта на различни команди, извършени от доброволци, 1982, получени с помощта на PET.
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Съобщенията на невролозите заинтересували онколозите по начин, за който Соколофф дори не си е помислил. Те си спомнят за откритието на Ото Варбург през 1931 г . – раковите клетки активно използват глюкоза, тя е техният любим източник на енергия. И ако всички други методи позволявали просто да се види тумора, то сега можело да се разбере дали раковите клетки са живи и продължават да „гълтат“ глюкоза.
Веднага след като стана ясно, че откритието в него започват да се наливат много пари. В продължение на 10 години се намират начини да се намалят разходите за производство на изотопи и да ускорят въвеждането му в деоксиглюкоза.
Науката за клетъчните мембрани също прави крачка напред. Разбира се за какви невроните изразходват глюкозата. Оказа се, че е за да „помпят“ йони – натрий в една посока, калий в друга. И нашите движения, мисли, чувства и спомени, се дължат на това „изпомпване“. И когато то престане, настъпват паркинсонизъм или болест на Алцхаймер, стареенето и смъртта се случват.
А какво би станало, ако човек е в състояние сам, с помощта на позитронно-емисионната томография, да си направи моментна снимка на мозъка – с всички рефлекси, емоции, мисли? Нещо като триизмерна карта на местоположението на невроните, цифрово копие на съзнанието на индивида? И така да обезсмърти самоличността си, поне в компютърната памет.
Тази идея неизменно караше Соколофф да се усмихва. Във всеки случай, с=пред външни лица.
Библиография
Интервюта с Луис Соколофф:
– За Американската асоциация на неврохирурзите, видео
– За програмата „История на неврологията в автобиографиите”, видео. 2012
За историята на PET / CT:
– Abass Alawi и Martin Ravich относно историята на концепцията за позитронно-емисионната томография с използване на FDG. Семинари по ядрена медицина, том XXXII, No. 1, януари 2002
– Мартин Вейл. Некрологът на Луи Соколоф във Вашингтон Пост, 3 август 2015 г.
– Джоан Фаулър. Реч по повод 40-годишнината от първото изпитване на PET. Август 2016 г
